Разработка алгоритма и расчет материального баланса ХТС производства аммиака интегральным методом

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

Кафедра Общей химической технологии

Курсовая работа

«Разработка алгоритма и расчет материального баланса ХТС производства аммиака интегральным методом»

Выполнил: Бутузов А.В.

Группа: ХТ-403

Проверил: Бирюков Д.М.

Москва. 2009 г.

Содержание:

1. Введение

1.1 Обоснование постановки задачи

1.2 Сведенья о применении целевого продукта и масштабах его производства

2. Исходное сырье

2.1 Физические свойства N2 и H2

2.2 Характеристики сырья

2.3 Этапы подготовки сырья в технологической схеме

3. Характеристика целевого продукта

4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

4.1 Равновесие и скорость процесса в системе

4.2 Выбор оптимальных условий процесса

4.2.1 Давление и температура

4.2.2 Состав азотоводородной смеси

4.2.3 Катализатор

4.3 Совершенствование аммиачного производства

4.4 Охрана окружающей среды в производстве аммиака

5. Описание технологической схемы процесса

6. Расчет материального баланса ХТС

7. Расчет основных технологических показателей процесса

8. Список использованной литературы

Исходные данные:

Вариант №4

Содержание NH3 в газе после колонны синтеза (г12NH3) 13 % по объему

Давление газа (P):

- в сепараторе I ступени 27 МПа

- в сепараторе II ступени 29 МПа

Температура газа (t):

- после водяного (воздушного) охлаждения 32 0С

- после аммиачного холодильника -10 0С

Растворимость азотоводородной смеси в жидком аммиаке (a):

- в сепараторе I ступени 0,028 нм3/кг NH3

- в сепараторе II ступени 0,016 нм3/кг NH3

Концентрация NH3 в танковых газах 37 % по объему (г402NH3):

Содержание инертных примесей:

- в свежей АВС (г03CH4) 2 % по объему

- в продувочных газах (г20CH4) 15 % по объему

Базис расчета 2800 кг NH3 на выходе из танка (П).

1. Введение

1.1 Обоснование постановки задачи

Курсовая работа по дисциплинам «Основы химической технологии» и «Основы системных закономерностей технологических процессов» является одним из этапов инженерной подготовки. Её задачу составляют: качественный и количественный анализ ХТС, что позволяет дать оценку любому инженерному проекту в целом и дать основу для расчета курсовых проектов по специальным дисциплинам на современном уровне - инженера химика-технолога.

1.2 Сведенья о применении целевого продукта и масштабах его производства

Аммиак - ключевой продукт для получения многочисленных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности, сельском хозяйстве и быту. На основе аммиака производятся практически все соединения азота, используемые в качестве целевых продуктов и полупродуктов неорганической и органической технологии.

Мировое производство аммиака составило в 1980 году более 90 млн. тонн.

Производство аммиака в РФ составляет по годам (Стр. 188 [1]):

1991 год - 11,9 млн. тонн

1992 год - 10,7 млн. тонн

1993 год - 9,7 млн. тонн

2. Исходное сырье

2.1 Физические свойства N2 и H2

Молекулярная масса - M

Температура кипения - Tкип

Критические точки:

Температура - Tкр

Давление (абсолютное) - Pкр

Удельная теплоемкость (при 20 0С и Pкр = 0,1 МПа) - Ср и Сv

Вязкость (при 0 0С и Pкр =1 кгс/см2) -

Плотность (при 0 0С и 760 мм. рт. ст.) - р

Физические постоянные N2 и H2 соответственно:

M = 28 г/моль

Tкип = -195,8 0С

Tкр = -147,1 0С

Pкр = 33,49 кгс/см2

Ср = 1,05 кДж/(кг*К)

Сv = 0,746 кДж/(кг*К)

= 17*106 Па*с

р = 1,25 кг/м3

M = 2,02 г/моль

Tкип = -252,8 0С

Tкр = -239,9 0С

Pкр =12,80 кгс/см2

Ср = 14,3 кДж/(кг*К)

Сv = 10,140 кДж/(кг*К)

= 73*106 Па*с

р = 0,0899 кг/м3

2.2 Характеристика сырья

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух и различные виды топлива.

В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в % по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода. (стр. 282 [2])

В некоторых схемах синтеза аммиака не требуется выделять азот из воздуха в чистом виде: воздух дозируют в газовую смесь для достижения стехиометрического соотношения N2:H2 = 1:3. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения.

Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа.

До 50-х годов ХХ в. заводы нашей страны использовали в качестве сырья в основном твердое топливо, в настоящее время 98 % аммиака получают из природного газа. В значительно меньшей степени используют попутные газы, коксовый газ, а также жидкое топливо - нафту. (стр. 361 [2])

Синтез-газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) является основным источником получения аммиака и метанола. По использованию окислителя и технологическому оформлению можно выделить следующие варианты процесса получения водородосодержащих газов: высокотемпературная кислородная конверсия, каталитическая парокислородная конверсия в шахтных реакторах, каталитическая пароуглекислотная конверсия в трубчатых печах.

Окисление метана ( основного компонента углеводородных газов) при получении синтез - газа протекает по следующим основным суммарным реакциям:

CH4 + 0,5O2 = CO+2H2; ДH = - 35,6 кДж

CH4 + H2O = CO+3H2; ДH = 206,4 кДж

CH4 + CO2 = 2CO+2H2; ДH = 248,3 кДж

СО + H2O = CO2 +H2; ДH < 0

Аналогичным образом осуществляются реакции окисления гомологов метана.

Состав конвертированного газа должен удовлетворять определенным требованиям. Он характеризуется стехиометрическим показателем конверсии s, который различен для разных производств и составляет (стр. 364 [2]):

Продукт S

Аммиак (H2+CO):N2 3,05-3,10

Природный газ ряда месторождений содержит значительное количество соединений серы - неорганических и органических. Присутствие сернистых соединений в технологических газах нежелательно, т.к. они являются сильнодействующими каталитическими ядами и вызывают коррозию аппаратуры. Причем, чем больше молекулярная масса соединения, тем труднее оно удаляется из газа. В современных высокопроизводительных агрегатах синтеза аммиака применяют двухстадийную сероочистку.

Широкое применение в мировой и отечественной азотной промышленности получил процесс двухступенчатой паровой и паровоздушной каталитической конверсии природного газа под давлением.

2.3 Этапы подготовки сырья в технологической схеме

Природный газ сжимают в компрессоре до давления 4,6 МПа, смешивают с азотоводородной смесью (АВС: газ = 1:10) и подают в огневой подогреватель, где реакционная смесь нагревается с 130-140 0С до 370-400 0С. Далее нагретый газ подвергают очистке от сернистых соединений: на алюмокобальтовом катализаторе проводится гидрирование сероорганических соединений до сероводорода, а затем в адсорбере сероводород поглощается сорбентом на основе оксида Zn. Обычно устанавливается два адсорбера, соединенные последовательно или параллельно. Один из них может отключаться на загрузку свежего сорбента. Содержание H2S в очищенном газе не должно превышать 0,5 мл/м3 газа.

Очищенный газ смешивается с водяным паром в отношении 1:3,7 и полученная парогазовая смесь поступает конвекционную зону трубчатой печи. В радиационной камере печи размещены трубы, заполненные катализатором конверсии метана, и горелки, в которых сжигается природный или горючий газ. Парогазовая смесь подогревается в нагревателе до 525 0С и затем под давлением 3,7 МПа. распределяется сверху вниз по большому числу параллельно включенных труб, заполненных катализатором. Выходящая из трубчатого парогазовая смесь содержит 9-10 % CH4. При t=850 0C парогазовая смесь поступает в конвектор метана второй ступени - реактор шахтного типа. В верхнюю его часть компрессором подается технологический воздух, нагретый в зоне печи до 480-500 0С. Парогазовая и паровоздушная смеси поступают раздельными потоками в соотношении, требуемом для обеспечения практически полной конверсии метана и получения технологического газа с соотношением

(CO+H2): N2=3,05 - 3,10.

Содержание водяного пара соответствует соотношению пар:газ=0,7:1. При температуре ? 1000 0С газ направляется в котел-утилизатор, вырабатывающий пар под давлением Р=10,5 МПа. Здесь реакционная смесь охлаждается до 380-420 0С и идет в конвектор СО первой ступени, где на железохромовом катализаторе протекает конверсия основного количества оксида углерода водяным паром. Выходящая из реактора газовая смесь (t=450 0С) содержит около 3,6 % СО. В паровом котле парогазовая смесь охлаждается до температуры 225 0С и подается в конвектор СО второй ступени, заполненный низкотемпературным катализатором, где содержание СО снижается до 0,5 %. Конвертируемый газ на выходе из конвектора имеет следующий состав (%)

(стр. 374 [2]):

H2-61,7;

CO-0,5;

CO2-17,4;

(N2+Ar)-20,1;

CH4-0,3.

После охлаждения и утилизации теплоты конвертируемый газ при температуре окружающей среды и давлении 2,6 МПа поступает на очистку.

Для очистки конвертированного газа от оксидов углерода применяют абсорционные, адсорбционные и каталитические методы очистки.

Отходящие газы (дымовые газы) крупных агрегатов производства аммиака образуются в результате сжигания природного газа в огневом подогревателе сероочистки и в трубчатой печи паровой конверсии. В этих газах содержатся оксиды азота. Отходящие газы очищают по методу каталитического восстановления при умеренных температурах. В качестве восстановителя выступает аммиак, с помощью которого происходит восстановление оксидов азота до элементарного азота.

3. Характеристика целевого продукта

Аммиак (NH3) - бесцветный газ с резким запахом с температурой кипения -33,35 0С и температурой плавления -77,75 0С. Аномально высокие температуры кипения и плавления аммиака объясняются ассоциацией его молекул вследствие высокой их полярности и образования водородных связей. Критическая температура аммиака равна 132,4 0С. Аммиак хорошо растворим в воде (750 литров в литре воды), ограниченно растворим в органических растворителях.

В водных растворах аммиака содержаться его гидраты состава NH3*H2O и 2NH3*H2O, образующие эвтектики, а также незначительное количество ионизированных молекул в результате реакции:

NH3 + H2O = NH4++OH-

Жидкий аммиак растворяет щелочные и щелочно-земельные металлы, фосфор, серу, йод и многие неорганические и органические соединения. При температурах выше 1300 0С аммиак диссоциирует на азот и водород:

2NH3 = N2 + 3H2 + ДH

Cухой аммиак образует с воздухом взрывчатые смеси, пределы взрываемости которых зависят от температуры. С повышение температуры границы взрываемости аммиачно-воздушных смесей расширяются и взрыв происходит при более низкой концентрации аммиака. (стр. 187-188 [1])

В промышленности выпускаются два сорта жидкого аммиака. Согласно ГОСТ 6221- 75 аммиак первого сорта должен содержать не менее 99,9 % и второго сорта 99,6 % аммиака. (стр. 206 [1])

4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

4.1 Равновесие и скорость процесса в системе

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции

1/2N2+3/2H2 = NH3; ДH<0

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ДH298 = -91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (ДH725 = -112,86 кДж/моль). По принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае имеет тоже отрицательное значение (ДS298 = -198,13 кДж/(моль*К), поэтому повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции. (стр.388 [2])

Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. По принципу

Ле Шателье в условия равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

Для реакции синтеза константа равновесия имеет вид:

Kp = PNH3/(P1/2N2*P3/2H2)

И может быть рассчитана по уравнению:

lg(1/Kp) = -A/T+B*lgT+aT-C*T2-b,

где А,В,С - постоянные величины; коэффициенты а и b зависят от давления и возрастают с его увеличением.

Табл. 1. Константа равновесия реакции синтеза аммиака в зависимости от температуры и давления. (стр. 388 [2])

Температура, 0С	Давление, Мпа
	0,98	4,9	9,8	29,4	58,8	98,1
200 300 400 500 600 700	0,64880 0,06238 0,01282 0,00378 0,00152 0,00071	0,69780 0,06654 0,01310 0,00384 0,00146 0,00066	0,73680 0,06966 0,01379 0,00409 0,00153 0,00070	0,91200 0,08667 0,01717 0,00501 0,00190 0,00087	2,49300 0,17330 0,02761 0,00646 0,00200 0,00085	10,3500 0,51340 0,06035 0,00978 0,00206 0,00052

Качественная и количественная оценки условий термодинамического равновесия позволяют сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низких температурах.

Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенно-каталитический процесс синтеза аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями:

1. Диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора.

2. Хемосорбция молекул реагентов (адсорбатов) на поверхности катализатора.

3. Поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействие между ними.

4. Десорбция продукта.

5. Диффузия продукта реакции (аммиака) от поверхности катализатора в газовую фазу.

Исследование кинетики и механизма реакции синтеза позволило сделать вывод, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Этот вывод можно описать механизмом синтеза аммиака сокращенной схемой:

N2+Z = ZN2

ZN2+3H2 = 2NH3 + Z

N2+3H2 = 2NH3,

где Z - свободный центр поверхности катализатора; ZN2 - хемосорбированная частица (адсорбат).

Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева:

wгNH3

где k1 и k2 - константы скоростей соответственно образования и разложения аммиака; PN2,PH2,PNH3 - парциальные давления соответственно азота, водорода, аммиака, а - постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<а<1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.

При проведении процесса при атмосферном давлении и температуре от 400 до 500 0С для промышленных катализаторов величина а = 0,5. (стр. 390 [2])

4.2 Выбор оптимальных условий процесса

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Оптимальными считаются такие значения параметров, при которых скорость процесса максимальна.

4.2.1 Давление и температура

Из уравнения Темкина-Пыжева видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна P1,5, а скорость обратной реакции пропорциональна P0,5. Отсюда очевидно, что с ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем рост давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам. При понижении давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом увеличиваются размеры аппаратов, возрастают энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа.

Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. В качестве критерия оптимизации в ней приняты приведенные затраты (руб./т):

З = С + Е*К/П,

где С - себестоимость аммиака (руб./т), Е - нормативный коэффициент эффективности (год-1), К - капитальные затраты (руб.), П - производительность агрегата по аммиаку (т/год).

Опытные данные показали, что приведенные удельные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа (системы среднего давления). (стр. 391 [2])

Поскольку присутствие инертных примесей равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

Оптимальная температура синтеза Топт рассчитывается:

Из уравнения следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает.

4.2.2 Состав азотоводородной смеси

Состав АВС выбирается, возможно, более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак. Так как степень превращения не превышает 0,14 - 0,20 дол. един. (стр. 201 [1]), то процесс синтеза аммиака строится по циркуляционной схеме с отделением образующегося аммиака от непрореагировавшей АВС и возращением оставшейся части ее в реактор. Так как синтез аммиака идет с сокращением объема, то в циркулирующей АВС накапливаются инертные примеси (аргон, метан), что приводит к снижению выхода аммиака вследствие уменьшения концентраций азота и водорода в ней. Для устранения этого часть циркулирующей АВС периодически выводится из цикла в виде продувочного газа (отдувка). Для выделения образовавшегося аммиака из АВС ее охлаждают до температуры сжижения аммиака. При этом часть аммиака остается в АВС. Концентрация его зависит от температуры и изменяется от 0,015 об. доли при -20 0С до 0,073 об. дол. при +20 0С при давлении около 30 МПа. При использовании водяного и аммиачного охлаждения это обеспечивает остаточное содержание аммиака в циркулирующей АВС 0,03 - 0,05 об. дол. (стр. 202 [1])

4.2.3 Катализатор

Высокую каталитическую активность в синтезе аммиака проявляют металлы VI, VII и VIII групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru, Re, Os. В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующими восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяются оксиды кислотного и амфотерного характера - Al2О3,SiО2,TiО2 и др., а также оксиды щелочных и щелочноземельных металлов - К2О, Na2О, CaO, MgO и др.

Процесс восстановления катализатора можно описать суммарным уравнением:

Fe3O4 + 4H2 > 3Fe + 4H2O; ДH>0

Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5*10-5%.

Кислородосодержащие соединения (H2O, СО, СО2) и кислород, присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них кислорода. Если в составе свежего газа имеются кислородосодержащие примеси или масло, газ следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений конденсирующимся NH3.

В промышленности используется катализатор ГИАП состава:

Fe + Al2O3 + K2O + CaO + SiO2

Катализатор Промотор

Он дешев, достаточно активен при температуре 450-500 0С, менее остальных катализаторов чувствителен к каталитическим ядам. Контактную массу готовят сплавлением в атмосфере азота смеси оксидов железа Fe3O4, алюминия Al2O3, калия K2O, кальция CaO и кремния SiO2, или порошков металлических железа и алюминия с оксидами кальция и кремния и карбоната калия с последующим измельчением массы до размеров зерен катализатора (5 мм) и восстановлением их водородом в колонне синтеза аммиака.

4.3 Совершенствование аммиачного производства

Совершенствование промышленного производства аммиака идет по следующим основным направлениям:

- кооперация производства аммиака с производствами основного органического синтеза на базе использования природного газа и газов нефтепереработки.

- создание агрегатов большой единичной мощности.

- применение колонн синтеза с кипящим слоем катализатора.

- разработка новых катализаторов, устойчивых к ядам с низкой температурой зажигания, позволяющих вести процесс синтеза без снижения выхода аммиака при низких давлениях.

4.4 Охрана окружающей среды в производстве аммиака

Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую среду:

1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси

2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем охлаждения;

3) низкопотенциальную теплоту.

Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота, для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя.

В результате воздушного охлаждения и замены поршневых компрессоров турбокомпрессорами значительно уменьшилось потребление воды на 1 т NН3, что привело к существенному снижению количества сточных вод (примерно в 50 раз).

Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать повышением ее потенциала: это достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми газами.

Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака является применение энерготехнологической схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания топлива.

5. Описание технологической схемы процесса

Свежая АВС, после очистки метанированием, поступает в центробежный компрессор, где сжимается до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (не показано на схеме) поступает в нижнюю часть конденсаторной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО2, H2O и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров, следов СО и масла, насыщается аммиаком до 3-4 % и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь по трубам теплообменника конденсационной колонны направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до 185-195 0С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2.

В колонне синтеза 2 газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса Колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до температуры начала реакции 400-440 0С за счет теплоты конвертированного газа и, затем, последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15 %. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500-515 0С, азотоводородная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330 0С. Дальнейшее охлаждение газовой смеси до 215 0С осуществляется в трубном пространстве подогревателя питательной воды 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65 0С за счет холодного циркуляционного газа, идущего по межтрубному пространству, и затем в аппаратах воздушного охлаждения 7 до 40 0С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10-12 % NH3, идет на циркуляционное колесо компрессора 5, где сжимается до 32 МПа.

Циркуляционный газ при температуре 50 0С поступает а систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18 0С и в испарителях за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до -5 0С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей АВС с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубам теплообменника и направляется в выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза 2. Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр 16, где из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем его дросселируют до давления 4 МПа. и отводят в сборник жидкого аммиака 11. В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов H2, N2, O2, CH4. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16-18 % NH3. Поэтому таковые газы направляют в испаритель 12 с целью утилизации аммиака путем его конденсации при -25 0С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 13 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10 %, производится продувка газа после первичной конденсации аммиака (после сепаратора 6). Продувочные газы содержат 8-9 % NH3, который выделяется при температуре -25-(-30) 0С в конденсационной колонне 9 и испарителе 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используют как топливный газ. (стр.394-396 [2])

6. Расчет материального баланса ХТС.

Состав потоков:

03: N2+H2; CH4

34: NH3; N2+H2

24: NH3; N2+H2

402: NH3(г); N2+H2

401: NH3(ж)

20: NH3(г); N2+H2; CH4

12: NH3; N2+H2; CH4

31: NH3; N2+H2; CH4

23: NH3; N2+H2; CH4

При охлаждении газа происходит частичная конденсация NH3, устанавливается равновесие между жидкостью и газом, причем концентрация аммиака после конденсации в газе, является функцией температуры и давления и определяется по формуле:

lgгijNH3=2,35916+(6,56799/(10,2?P)1/2)-(1168,1288/(273+t))

где - содержание аммиака в газовой фазе, мольн. доли; Рi и ti - давление (МПа) и температура газа (0С).

- в сепараторе 1 ступени:

Р = 27 МПа

t = 32 0С

lgг23NH3=2,35916+(6,56799/(10,2?27)1\2)-(1168,1288/(273+32))=-1,07499

г23NH3=0,084

- сепараторе 2 ступени:

Р = 29 МПа

t = -10 0С

lgг31NH3=2,35916+(6,56799/(10,2?29)1\2)-(1168,1288/(273-10))=-1,7005

г31NH3=0,01993

Таблица 2. Условная постоянная информация для расчета.

Содержание информации	Условное обозначение	Единица измерения	Значение
Содержание NH3 в газе после колонны синтеза	г12	Доли по объему	0,13
Содержание NH3 в газе после I-го сепаратора	г23	Мольн. доли	0,084
Содержание NH3 в газе после II-го сепаратора	г31	Мольн. доли	0,01993
Растворимость АВС в жидком аммиаке в I сепараторе	а1	м3/кг	0,028
Растворимость АВС в жидком аммиаке во II сепараторе	а2	м3/кг	0,016
Концентрация NH3 в танковых газах	г402	Доли по объему	0,37
Базис расчета, кг NH3 на выходе из танка	П	кг	2800
Содержание инертных примесей в свежей АВС	г 03CH4	Доли по объему	0,02
Содержание примесей в продувочных газах	г 20CH4	Доли по объему	0,15

Блок 1.

- по АВС:

1. N31(1-г31NH3)-N31CH4=N12(1- г12NH3)-N12CH4+2(N12? г12NH3-N31? г31NH3)

N31CH4 = N12CH4

Блок 2.

- по АВС:

2. N12(1- г12NH3)-N12CH4= G24?а1/22,4+ N23(1- г23NH3- г23CH4)+ N20?(1- г20NH3- г20CH4)

г23CH4 = г20CH4; г23NH3 = г20NH3

- по NH3:

3. N12? г12NH3=G24/MNH3+N23? г23NH3+N20? г23NH3

- по СH4:

4. N12CH4=N20? г20CH4+N23? г23CH4

Блок 3.

- по АВС:

5. N23?(1- г23NH3)-N23? г20CH4+N03(1- г03СH4)= G34?a2/22,4+ N31(1- г31NH3)-N31CH4

- по NH3:

6. N23? г23NH3=G34/MNH3+N31? г31NH3

- по СH4:

7. N23CH4+N03? г23NH3=N31CH4

Блок 4.

- по АВС:

8. G24?a1/22,4+ G34?a2/22,4=N402(1- г402NH3)

- по NH3:

9. G24/MNH3+ G34/MNH3 = N402?г402NH3+П/MNH3

Таблица 3. Соответствие переменных к потокам.

Условное обозначение	Хi	Размерность	Значение
N31	Х1	кмоль	1752,42
N12	Х2	кмоль	1581,72
N23	Х3	кмоль	1448,18
N03	Х4	кмоль	392,02
N31CH4	Х5	кмоль	225,07
G24	Х6	кг	1353,05
G34	Х7	кг	1474,35
N20	Х8	кмоль	52,27
N402	Х9	кмоль	4,36

1. 1,01993?Х1 - 1.13?Х2=0

2. 0,87?Х2-0,766?Х3-Х5-0,00125?Х6-0,766?Х8=0

3. 0,13?Х2-0,084?Х3-0,05882?Х6-0,084? Х8=0

4. -0,15?Х3+Х5-0,15?Х8=0

5. -0,98007?Х1+0,766?Х3+0.98?Х4-0,0007143?Х7=0

6. -0,01993?Х1+0,084?Х3-0,05882?Х7=0

7. 0,15?Х3+0,02?Х4-Х5=0

8. 0,00125?Х6+0,0007143?Х7-0,63?Х9=0

9. Х6+Х7-6,29?Х9=2800

Таблица 4. Матрица коэфициэнтов.

№	Х1	Х2	Х3	Х4	Х5	Х6	Х7	Х8	Х9	Свободный член
1	1,01993	-1,13	0	0	0	0	0	0	0	0
2	0	0,87	-0,766	0	-1	-0,00125	0	-0,766	0	0
3	0	0,13	-0,084	0	0	-0,05882	0	-0,084	0	0
4	0	0	-0,15	0	1	0	0	-0,15	0	0
5	-0,98007	0	0,766	0,98	1	0	-0,0007143	0	0	0
6	-0,01993	0	0,084	0	0	0	-0,05882	0	0	0
7	0	0	0,15	0,02	-1	0	0	0	0	0
8	0	0	0	0	0	0,00125	0,0007143	0	-0,63	0
9	0	0	0	0	0	1	1	0	-6,29	2800

Результаты расчета матрицы заносим в таблицу 3. (Матрица была решена в программе Polinom v.1.02©)

Расчет.

1.Приход.

N03 = X4 = 392,02 кмоль

N03CH4 = 0,02* 392,02 = 7,84 кмоль

N03(N2+H2) = 392,02-7,84 = 384,18 кмоль

H2:N2 = 3:1

N03N2 = 384,18*0,25 = 96,05 кмоль

N03H2 = 384,18*0,75 = 288,14 кмоль

mCH4 = 7,84*16 = 125,44 кг

mN2 = 96,05*28 = 2689,4 кг

mH2 = 288,14*2 = 576,28 кг

mABC =125,44+2689,4+576,28 = 3391,12 кг

2. Расход.

Танковые газы.

N402 = X9 = 4,36 кмоль

N402NH3 = 0,37*4,36 = 1,61 кмоль

N402(N2+H2) = 4,36-1,61 = 2,75 кмоль

N402N2 = 2,75*0,25 = 0,6875 кмоль

N402H2 = 2,75*0,75 = 2,06 кмоль

mN2 = 0,6875*28 = 19,25 кг

mH2 = 2,06*2 = 4,12 кг

mNH3 = 1,61*17 = 27,37 кг

Отдувка.

N20 = X8 = 52,27 кмоль

N20CH4 = 52,27*0,15 = 7,84 кмоль

N20NH3 = 52,27*0,084 = 4,39 кмоль

N20(N2+H2) = 52,27*(1-0,15-0,084) = 40,04 кмоль

N20N2 = 40,04*0,25 = 10,01 кмоль

N20H2 = 40,04*0,75 = 30,03 кмоль

mN2 = 10,01*28 = 280,28 кг

mH2 = 30,03*2 = 60,06 кг

mNH3 = 4,39*17 = 74,63 кг

mCH4 = 7,84*16 = 125,44 кг

Таблица 5. Материальный баланс химико-технологической системы синтеза аммиака на базис расчета 2800 кг NH3(ж).

Приход	Расход
Статья прихода	Масса, кг	%	Статья расхода	Масса, кг	%
АВС: N2 H2 СH4 H2	3391,12 2689,4 576,28 125,44	100 79,31 16,99 3,7	NH3(ж) Продувочные газы: N2 H2 СH4 NH3(газ) Танковые газы: N2 H2 NH3(газ)	2800 280,28 60,06 125,44 74,63 19,25 4,12 27,37	82,57 8,27 1,77 3,7 2,2 0,56 0,12 0,81
Всего:	3391,12	100	Всего:	3391,12	100
	Невязка	-0,03	0,0009

7. Расчет основных технологических показателей процесса

Расходные коэффициенты по сырью.

1. Теоретический

гN2стех = МN2/(MNH3*2) = 28/(17*2) = 0,8235

гH2стех = 3*МH2/(MNH3*2) = 3*2/(17*2) = 0,1765

2. Практический

гH2 = GH2/GNH3 = 576,28/(2800+102) = 0,1986

гN2 = GN2/GNH3 = 2689,4/(2800+102) = 0,9267

Степень превращения.

XN2=100%*(GN20-GN2)/ GN20 = 100%*(2689,4-299,53)/2689,4 = 88,9%

XH2= 100%*(GH20-GH2)/ GN20 =100%*(576,28-64,18)/576,28 = 88,9%

Выход.

nN2NH3 = (NNH3/2*NN2)*100% = (2800/17+102/17)/(2*2689,4/28)*100% = 88,9%

nH2NH3 = 3*NNH3/2*NH2 = 3(2800/17+102/17)/(2*576,28/2)*100% = 88,9%

Селективность.

q = NNH3/2*(NN20-NN2) = 100%*(2800/17+102/17)/2*(2689,4/28-299,53/28) = 100%

q = 3*NNH3/2*(NH20-NH2) = 100%*3*(2800/17+102/17)/2*(576,28/2-64,18/2) = 100%

Т.к. рассматриваемый ХТП является простым, то селективность равна 100% для всех продуктов единственной реакции. Поэтому выход каждого из продуктов реакции по любому из реагентов равен степени превращения этого реагента.

Список используемой литературы:

1. Соколов Р.С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. - М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. - Т. 1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. - 368 с.

2. Общая химическая технология: Учеб. для вузов/А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен - 3-е изд., перераб. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. - 528 с.

3. Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Егорова Е.В. Расчет материального баланса химико-технологических систем интегральным методом. - М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2007. - 30 с.

4. Сборник заданий и методических указаний по расчету материального баланса химико-технологических производств. Учебно-методическое пособие. /Авт: Брук Л.Г., Егорова Е.В., Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Смирнова С.Н., Чабан Н.Г., Шварц А.Л. Под ред. Брука Л.Г., Кононовой Г.Н., Сафонова В.В. Изд. 3-е, перераб. - М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008. - 72 с.

5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов/Под ред. чл.-корр. АН СССР П.Г. Романкова. - 10-е изд., перераб. И доп. - Л.: Химия, 1987, - 576 с., ил.