Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза

Коррозионная активность аммиака по отношению к материалам зависит главным образом от её концентрации, температуры и наличия примесей.

При выборе материалов для изготовления химической аппаратуры учитывается не только их стойкость к коррозии, но и прочность, устойчивость при высокой температуре, возможность обработки и сварки материала, его доступность и стоимость. Если чёрные металлы достаточно стойки к коррозии в условиях работы данного аппарата или технологического узла, то эти материалы используются в первую очередь, так как они весьма прочны, доступны и достаточно дёшевы. Часто применяются также легированные чёрные металлы (содержащие легирующие добавки) или специальные сплавы, обладающие повышенной коррозийной стойкостью. Однако специальные сплавы обычно дороги и в условиях, часто используют неметаллические химически стойкие материалы.

В аммиачной промышленности неметаллические материалы применяются особенно широко, так как многие из них весьма стойки к действию аммиака в широком диапазоне её концентраций и температур.

Почти все важнейшие аппараты в производстве аммиака изготовляют из стали и чугуна, в большинстве случаев изнутри их футеруют или покрывают кислостойкими материалами - керамикой, природными кислотоупорами, каменным литьём, кислотоупорным бетоном, органическими кислотостойкими покрытиями. , содержащие хром, молибден, никель и другие добавки.

Перспективы развития и совершенствования технологий.

К современным тенденциям развития технологии производства азотной кислоты относятся: обеспечение наибольшей надежности конструкций аппаратуры и машинных агрегатов; повышение степени кислой абсорбции, а также степени использования тепла химических реакций и к.п.д. энергии сжатых газов; увеличение скорости процесса на всех его этапах, снижение вредных выбросов в атмосферу.

Кроме того существенное влияние на экономику производства оказывает мощность применяемых установок, повышение которой приводит к снижению затрат на строительство азотно-кислотных систем. Повышение мощности установок вызывает необходимость повышения давления (в особенности на стадии абсорбции).

Важной проблемой развития производства азотной кислоты является повышение ее концентрации, что позволяет упростить методы получения аммиачной селитры и других азотных удобрений.

Существенное снижение себестоимости азотной кислоты может быть достигнуто при уменьшении потерь платинового катализатора.

С этой целью проводятся испытания эффективных фильтров для улавливания платиновой пыли, испытываются катализаторы с повышенным содержанием Pd и Rh, внедряются в производство комбинированные катализаторы.

Исходные данные:

Производительность отделения т/год……………………………400 000

Часовой фонд рабочего времени……………………………….340 суток

Рабочее давление атм. ………….……………………………………..300

Средняя температура контактирования……………………………500 С

Объем катализатора в колонне м? ……………………………………34,8

Температура первичной конденсации ………………………………30 С

Вторичной ……………………………………………………………….4 С

Объемная скорость газовой смеси в колонне нм / м……………….25 000

Состав свежей газовой смеси %………………………………Азот 25,75

Водород 75,25

Аргон 0,35

Метан 0,65

1. Производительность:

400000 = 49,019 т/час NH3, или Vчас 49019 = 63579 м?/час NH3

340?24 0,771

Расчет ведем без учета потерь на станциях синтеза аммиака.

2. расчет исходных количеств Н2 и NH3

Исходное уравнение: N2 + 3Н2 = 2NH3

Молекулярные веса: 28кг 6кг 34кг

Составим пропорцию для Н2 :

34кг NH3 - 6кг Н2

635792кг NH3 - х1 кг NH3

Х1 = 49019 ? 6 = 8647кг Н2 или V = 8647 = 96205 м?/час NH3

34 0,08988

где p = 0,08988 кг/ м? - плотность водорода при нормальных условиях.

Соотношения по объему: N2 : Н2: 3:1

V N2 = 1 V Н2= 96205 ? 3 = 32068 м?/час

3

G N2 = v ? p = 32068 ? 1.25055 = 40103 кг/час

Всего объем N2 + Н2 составляет:

V N2 + 3Н2 = 96205 + 32068 = 128273м?/час

Считаем, что образуется 128273 : 2 = 64136 м?/час NH3

3. Количество СН4 к объему N2 + Н2 составляющий 0,65% или а = 0,65%

V СН4 = 128273 ? 0,0065 = 833,7 м?/час или G СН4 = v ? p =

= 833,7 ? 0,7168 = 597,6 кг/час

4. Количество аргона к объему N2 + Н2 составляющий 0,35% или а = 0,35%

VAr = 128273 ? 0,0035 = 448,9 м?/час или G Ar = v ? p =

= 448,9 ? 0,7168 = 321,8 кг/час

5. Количество N2 к объему N2 + Н2 составляющий 25,75% или а = 25,75%

V N2 = 128273 ? 0,2575 = 33030м?/час или G N2= v ? p =

= 33030?0,7168 = 23676 кг/час

6. Количество Н2 к объему N2 + Н2 составляющий 75,25% или а =75,25%

V Н2 = 128273 ? 0,7525 = 96525 м?/час или G Н2= v ? p =

= 96525?0,7168 = 69189 кг/час

7. Определения концентрации аммиака в продувочном газе:

Температура газа после воздушного холодильника равна 30?С (tr = 30?С)

Концентрацию аммиака в продувочном газе считаем по формуле (Ларсен и Блек):

Lg C NH3 = 4,1856+5,987879 - 1099.544

v P 273 -tг

где Р - давление синтеза аммиака, атм.

Подставляя в уравнение Р = 300 атм. и tг = 30?С, получим:

lgC NH3 = 4,1856+5,987879 - 1099.544 = 4,1856 + 0,34571 - 3,62884 = 0,90247

v 300 273 -30

откуда С NH3 = 7,988% = 8,0%

8. Расчет состава продувочного газа:

Количество метана после воздушного холодильника составляет на порядок больше, чем в исходящем газе или 10?а1 = 10?0,65% = 6,5%, а2 =6,5%

Обозначим Z - количество N2 и Н2 выводимое с продувочными газами.

Считаем в объемах.

Количество NH3, уходящее с продувочными газами.

В состав продувочных газов величина Z и 34833м?/час метана, а также аммиака в количестве 0,08696 + 40,40следовательно общее количество продувочных газов равно:

Z + 833,7+ 0,08696 + 40,40 - 1.08696Z + 505,44.

Составим уравнение для метана в продувочном газе:

объем метана = 0,006

объем продувочных газов

т.к. мы приняли, что объем метана а1 = 10а1 = 6,5% = 0,006, окончательно составляем упражнение для метана в продувочном газе:

833,7 = 0.06

1,08696 Z + 505

Из этого уравнения получаем величину продувочного газа:

833,7= 13895м?/час

0,06

откуда величина Z равна:

13895 = 1,08696Z +505

Z = 13390 = 12318 м?/час

1,08696

Количество аммиака в составе продувочного газа:

13895 - 833,7 - 12318 = 743,3 м?/час

Рассчитываем состав Z: всего 4 части, следовательно, количество азота:

12318: 4 = 3079,5 м?/час

Водорода 12318 - 3079,5 = 9238,5 м?/час

Состав продувочного газа по компонентам:

Компонент	м?/час	кг/час
Аммиак	743,3	573
Азот	32068	40101
Водород	9238,5	830,3
Метан	833,7	597,6
Итого	42883,5	42101,9

8. Определение количества азотоводородной смеси, растворяющейся в жидком аммиаке.

Принимаем, что в 1 кг жидкого аммиака растворяется АВС, при различных температурах:

в воздушном холодильнике при 300?С n1 = 0,0323 л/;

в аммиачном испарителе при -10 ?С m1 = 0,0198л/.

В воздушном холодильнике конденсируется 40% об. аммиака, т.е.:

63579 ? 0,4 = 25431,6 м?/час

G1 - 25431,6 ?0,771 = 19607,7 кг/час

В аммиачном испарении конденсируется,

49019 - 19607,7 = 29411,3 кг/час аммиака, следовательно, обозначив:

n - количество N2 + Н2 , содержащейся в АВС, и растворенные в жидком аммиаке в воздушном холодильнике.

m - количество N2 + Н2 , содержащейся в АВС, и растворенные в аммиачном испарителе, находим эти величины:

n = n1 ?G1 = 0,0323 ? 19607,7 = 633,3 м?/час

m = v2 ? G2 = 0.0198 ? 29411,3 = 582,3 м?/час

9. Концентрация аммиака после аммиачного испарителя.

Концентрация аммиака после аммиачного испарителя (испарения происходит при отрицательной температуре t исп. В среднем -6,63?С) определим по формуле:

Lg C NH3 = 4,1856 + 5,987879 - 1099.544 = 4,1856 + 5,987879 - 1099,544 =

v P 273 -tuuc v 300 273 -6.63

= 4,1856 + 0,33456 - 4,12786 = 4,47815 - 4,12786 = 0,35029 ,

Откуда C NH3 = 2,2202 = 2,22% об.

Именно с концентрацией 2,22% об. аммиака газ после аммиачного испарителя и конденсационной колонны газовая смесь поступает в колонну синтеза аммиака.

10. Расчет состава синтеза смеси на входе в колонну синтеза аммиака.

Введем обозначения:

W - количество N2 + Н2 входящего в циркулирующий газ в м?/час;

Х - количество NH3 находящегося в цикле (циркуляционном газе) в м?/час;

На входе в колонну % NH3 колеблется от 0,2 до 0,3;

К - количество метана, находящегося в циркуляционном газе, м?/час.

Поскольку с продувочным газом удаляется 12058м? аммиака, то для его образования тратится удвоенное количество смеси (N2 + Н2 ), т.е. 2 ?743,3 =

= 1486,6 м?/час окончательное уравнение газовой смеси (по концентрации NH3) на входе в колонну синтеза NH3 имеет вид:

Х = 0,0023

X + W + K + Z + 1486,6 + n + m + 833,7+ 128373

где 833,7 - количество метана, находящегося в исходной АВС, м?;

128373 - смесь N2 и Н2 , обеспечивающая заданною производительность 641365 м?/час NH3.

Задаемся величинами:

W = 480000 м?/час;

Х = 15139 м?/час.

Тогда с учетом уравнения получим проверочное уравнение:

15139 = 0,002

15139 + 480000 + 13000 + 12318+ 633,3 + 582,3 +833,7+ 128373

11. Расчет состава газовой смеси на выходе из колоны синтеза аммиака.

При синтезе аммиака из исходной смеси (N2 + Н2) 128373 м?/час АВС образуется 128373 : 2 = 84186,5 м?/час NH3, образуется 743,3 м?/час аммиака, который уходит с продувочными газами:

W = 30000 ч-? практически выход NH3.

Составляет:

Р.атм. 300 250 150 120

?' прак % 15 - 18 12-14 7-9 5-9

Процесс синтеза аммиака проводим при стандартном среднем давлении

Р = 300 атм. Выбираем выход или степень концентрации:

?' прак = С NH3 = 15,6%.

Тогда уравнения газовой смеси по концентрации аммиака на выходе из колонны синтеза имеет вид:

1539 + 743,3+ 641365 =

1539 + 743,3+ 641365+ 480000 + 13000 +12318+ 633,3 + 582,3 +833,3

= 0,156

12. Расчет состава газовой смеси на выходе из воздушного холодильника.

С использованием воздушного холодильника удаляется 40% аммиака, конденсируется из газовой смеси и растворяется 633,3м? смеси N2 + Н2 , следовательно, в газовой смеси остается 641365 (1-0,4) =384819м?/час

Концентрация NH3 на выходе из воздушного холодильника составит 10,7% примет вид:

Х + 743,3 + 384819 = 0.107

Х + W + K + Z + 833,3 + m + 633,3 + 384819

С участием известных и заданных величин проверим уравнение:

15139 + 743,3 + 384819 = 0.107

1539 + 833,3 + 384819+ 480000 + 13000 +12318+ 633,3 + 582,3

13. Расчет состава газовой смеси циркулирующего газа (к системе уравнений).

Содержание NH3 в циркулирующем газе в среднем составит 2,979%. Тогда уравнение циркулирующего газа по содержанию NH3 примет вид:

X = 0,02979

X + W + K

Поставив вместо букв численное значения получим проверочное уравнение:

15139 = 0,02979

1539 + 480000 + 13000

14. Расчет состава газовой смеси на входе в конденсационную колонну.

Перед входом в конденсационную колонну газ продули, концентрация аммиака при этом 8,28%

Напишем уравнение состава газовой смеси по аммиаку на выходе КК:

X + 384819 = 0,0828

Х + W + K + Z + n + m + m + 633,3 + 2 ?743,3 + 128273 + 384819

компоненты: 633,3 + 2 ?743,3 + 5358922; n + m и Z содержит свежая АВС:

15139+ 384819 =

15139+1607676,6+5358922+480000+13000+533659+633,3+582,3+34833+247,8

=0,0828

Материальный баланс агрегатов синтеза аммиака.

Вход в колонну синтеза	Выход из колонны синтеза
компоненты	м?/час	кг/час	компоненты	м?/час	кг/час
Свежий газ: АВС СН4	128273 833,3	48749,8 596,6	Образуется: NH3 СН4	64136 833,3	49488,8 596,6
Циркуляцион-ный газ АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2	АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2
Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642	Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642
Продувочный газ:* АВС	13895	5280,8	Продувочный газ: АВС NH3	12544,4 743,3	4767,4 573
Всего	652355,9	259426,6	Всего	587611,6	260225,2

*В продувочный газ, выводимый из системы, входит также метан в количестве 34833 м?/час.

Вход в воздушный холодильник	Выход из воздушного холодильника
компоненты	м?/час	кг/час	компоненты	м?/час	кг/час
Свежий газ: NH3 СН4	641365 833,3	494492,5 596,6	Свежий газ: NH3 СН4	384819 833,3	296695,4 596,6
Циркуляцион-ный газ АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2	Циркуляцион-ный газ АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2
Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642	Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642
Продувочный газ:* АВС NH3	12544,4 743,3	4767,4 573	Продувочный газ:* АВС NH3	12544,4 743,3	4767,4 573
			Итого	908294	507431
			Конденсируется жидкого аммиака	4564846	6544858
Всего	5473140	7052289	Всего	5473140	7052289

В полный состав продувочного газа 34833 м?/час., а также потери АВ7 633,3 м?/час и потери АВС, растворяющейся в жидком аммиаке 582,3 м?/час.

Главный вход в воздушный холодильник	Поток до входа и на входе в КК
компоненты	м?/час	кг/час	компоненты	м?/час	кг/час
Свежий газ: NH3 СН4	384819 833,3	296695,4 596,6	1. выделено до КК: NH3 Продувочные газы: NH3 АВС СН4	384819 743,3 12544,4 833,3	296695,4 573 4767,4 596,6
Циркуляцион-ный газ АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2	Циркуляцион-ный газ АВС СН4 NH3	480000 13000 15139	182422,8 9318,4 11672,2
Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642	Потери: АВС растворяющейся В жидком аммиаке при первичной концентрации АВС растворяющейся В жидком аммиаке при вторичной концентрации	633,3 582,3	744 642
	Итого	908294.6	507431,8

Список использованной литературы.

Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. М.: Химия, 1970. 496с.

Софронов А.Л. Технология связанного азота. Пермь.1973.

Справочник азотчика, т.1. М.: Химия, 1986.

Справочник азотчика, т.2. М.: Химия 1987.

Атрощенко В.И. и др. Курс технологии связанного азота. М.: Химия, 1969. 384с.

Ведерников М.И., Кобозев В.С., Рудой И.В. Технология соединений связанного азота. М.: Химия, 1967. 418с.