ВВЕДЕНИЕ 28 страница. Конечную концентрацию аммиака после первой полки можно выразить как

1.5H₂ + 0.5N₂ = NH₃

Конечную концентрацию аммиака после первой полки можно выразить как

,

где N₀ – концентрация аммиака на входе;

V₀ – объем газа на входе;

DV – объем образующегося аммиака;

V₁ – объем газа на выходе.

Объем газа на выходе можно представить с учетом стехиометрии реакции синтеза аммиака

V₁ = V₀ – DV

Подставляя это выражение в уравнение для расчета концентрации аммиака на выходе и преобразуя его, имеем

м³.

Тогда объем газа после 1-ой полки составит

V₁ = 100–11,29 = 88,71 м³.

Объем аммиака после 1-ой полки составит

2,9+11,29 = 14,19 м³.

Объем водорода после 1-ой полки составит

52,88–1,5×11,29 = 45,94 м³,

что составит

45,94/88,71 = 0,518 д.е.

Объем азота после 1-ой полки составит

20,62–0,5×11,29 = 14,97 м³,

что составит

14,97/88,71 = 0,169 д.е.

Тепловой баланс катализаторной полки имеет вид

Q₀ + Q_xp = Q₁,

где Q₀ – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;

Q_хр – тепло химической реакции;

Q₁ – физическое тепло, уносимое газовой смесью;

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в слой при температуре 410 °С по данным таблицы 4.2:

метан 3,28 ,

азот 1,37 ,

водород 1,32 ,

аммиак 2,09 .

Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

кДж.

Предварительно принимаем температуру на выходе из слоя 500 °С. Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя

метан 3,68 ,

азот 1,39 ,

водород 1,33 ,

аммиак 2,20 .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит

.

Тепло химической реакции

кДж.

Рассчитаем конечную температуру

°С.

Наносим полученные данные на диаграмму «Концентрация аммиака – температура» (рис. 4.1).

По диаграмме принимаем конечную концентрацию аммиака 12 об.% и соответственно температуру 470 °С.

Пересчитаем материальный и тепловой балансы полки.

Количество образовавшегося аммиака

м³.

Тогда объем газа после полки составит

V₁ = 100–8,13 = 91,88 м³.

Объем аммиака после полки составит

2,9+8,13 = 11,03 м³.

Объем водорода после полки составит

52,88–1,5×8,13 = 50,69 м³,

Объем азота после 1-ой полки составит

20,62–0,5×8,13 = 16,56 м³,

Тепловой баланс катализаторной полки

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя при 470 °С.

метан 3,55 ,

азот 1,39 ,

Диаграмма концентрация аммиака – температура

Рис. 4.1

водород 1,33 ,

аммиак 2,16 .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит

.

Тепло химической реакции

кДж.

Рассчитаем конечную температуру

°С.

Наносим полученные данные на диаграмму (сплошная линия)

Расчет 2-ой полки

Температура на входе в 2-ой слой катализатора составляет 460 °С.

Предварительно принимаем концентрацию аммиака на выходе из слоя катализатора 16 об.%.

Расчет ведем на 91,88 ³ исходной АВС, поступающей с 1-ой полки.

Количество аммиака, образовавшегося на полке

м³.

Тогда объем газа после полки составит

V₁ = 91,88–3,17 = 88,71 м³.

Объем аммиака после полки составит

91,88×0,12+3,17 = 14,19 м³.

Объем водорода после полки составит

91,88×0,552–1,5×3,17 = 45,96 м³,

Объем азота после полки составит

91,88×0,180–0,5×3,17 = 14,95 м³,

Тепловой баланс катализаторной полки

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в слой при температуре 460 °С по данным таблицы 4.2:

метан 3,50 ,

азот 1,38 ,

водород 1,33 ,

аммиак 2,15 .

Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

кДж.

Предварительно принимаем температуру на выходе из слоя 500 °С. Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя

метан 3,68 ,

азот 1,39 ,

водород 1,33 ,

аммиак 2,20 .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит

.

Тепло химической реакции

кДж.

Рассчитаем конечную температуру

°С.

Наносим полученные данные на диаграмму «Концентрация аммиака – температура» (рис. 4.1).

По диаграмме принимаем конечную концентрацию аммиака 14 об.% и соответственно температуру 480 °С.

Пересчитаем материальный и тепловой балансы полки.

Количество образовавшегося аммиака

м³.

Тогда объем газа после полки составит

V₁ = 91,88–1,61 = 90,26 м³.

Объем аммиака после полки составит

91,88×2,9+1,61 = 12,64 м³.

Объем водорода после полки составит

91,88×0,552–1,5×1,61 = 48,30 м³,

Объем азота после полки составит

91,88×0,180–0,5×1,61 = 15,73 м³,

Тепловой баланс катализаторной полки

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя при 480 °С.

метан 3,59 ,

азот 1,39 ,

водород 1,33 ,

аммиак 2,17 .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит

.

Тепло химической реакции

кДж.

Рассчитаем конечную температуру

°С.

Наносим полученные данные на диаграмму (сплошная линия)

Расчет 3-ей полки

Температура на входе в 3-ей слой катализатора составляет 395 °С.

Предварительно принимаем концентрацию аммиака на выходе из слоя катализатора 16 об.%.

Расчет ведем на 90,26 м³ исходной АВС, поступающей со 2-ой полки.

Количество аммиака, образовавшегося на полке

м³.

Тогда объем газа после полки составит

V₁ = 90,26–1,56 = 88,71 м³.

Объем аммиака после полки составит

90,26×0,14+1,56 = 14,19 м³.

Объем водорода после полки составит

90,26×0,535–1,5×1,56 = 45,96 м³,

Объем азота после полки составит

90,26×0,174–0,5×1,56 = 14,95 м³,

Тепловой баланс катализаторной полки

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в слой при температуре 395 °С по данным таблицы 4.2:

метан 3,21 ,

азот 1,37 ,

водород 1,32 ,

аммиак 2,07 .

Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

кДж.

Предварительно принимаем температуру на выходе из слоя 500 °С. Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из слоя

метан 3,68 ,

азот 1,39 ,

водород 1,33 ,

аммиак 2,20 .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из слоя составит

.

Тепло химической реакции

кДж.

Рассчитаем конечную температуру

°С.

Наносим полученные данные на диаграмму «Концентрация аммиака – температура» (рис. 4.1).

По диаграмме определяем конечную концентрацию аммиака 16 об.% и соответственно температуру 412 °С. Определенные значения концентрации аммиака и температура на выходе из слоя соответствуют принятым.

Сводный материальный баланс колонны синтеза аммиака

Согласно проведенным выше расчетам концентрация аммиака на выходе изколонны составляет 16 об.%.

Объемный расход АВС на входе в колонну составляет 665726 нм³/ч

Расчет по уравнению

1.5H₂ + 0.5N₂ = NH₃

Конечную концентрацию аммиака можно выразить как

,

где N₀ – концентрация аммиака на входе;

V₀ – объем газа на входе;

DV – объем образующегося аммиака;

V₁ – объем газа на выходе.

Объем газа на выходе можно представить с учетом стехиометрии реакции синтеза аммиака

V₁ = V₀ – DV

Подставляя это выражение в уравнение для расчета концентрации аммиака на выходе и преобразуя его, имеем

нм³/ч.

Тогда объем газа после колонны составит

V₁ = 665726–75181 = 50545 нм³/ч.

Объем аммиака после колонны составит

665726×0,029+75181 = 94511 нм³/ч.

Объем водорода после колонны составит

665726×0,6288–1,5×75181 = 305827 нм³/ч,

Объем азота после колонны составит

665726×0,2062–0,5×75181 = 99667,

Для пересчета объемных расходов в массовые необходимо рассчитать плотности газов. Для этого воспользуемся уравнением Менделеева-Клайперона, из которого плотность газа можно определить как

.

Тогда при нормальных условиях плотности компонентов синтез-газа составят:

Водород

Азот

Аргон

Метан

Аммиак

С учетом рассчитанных объемных расходов и плотностей газов составляем сводный материальный баланс колонны синтеза аммиака (табл. 4.3).

Таблица 4.3

Сводный материальный баланс колонны синтеза аммиака

Приход	нм3/ч	кг/ч	Об.%	Расход	нм3/ч	кг/ч	об.%
1. Аммиак 2. Водород 3. Азот 4. Аргон 5. Метан			2,90 62,88 20,62 3,91 9,69	1. Аммиак 2. Водород 3. Азот 4. Аргон 5. Метан			16,00 51,79 16,80 4,41 10,92
Итого				Итого

Расчет аммиачного конденсатора

Согласно расчету по формуле Ларсона и Блека после аммиачного конденсатора в газовой фазе должно содержаться аммиака

Тогда об.%.

Для первоначального определения количества жидкого аммиака, сконденсировавшегося в колонне, допускаем, что в жидком аммиаке газы не растворяются. Учитывая, что объем газов, за исключением аммиака, составляют

нм³/ч,

находим объем образовавшегося газообразного аммиака

нм³/ч.

Конденсируется в жидкость

нм³/ч, или кг/ч.

Объем оставшихся газов

568407 – 7983 = 560424 нм³/ч.

Парциальное давление газов

Водород атм,

Азот атм,

Аргон атм,

Метан атм.

При этих условиях растворимость (в нм³ на 1000 кг жидкого аммиака) [14]

Водорода 11,99,

Азота 4,96,

Аргона 1,27,

Метана 2,60.

В 3882 кг жидкого аммиака растворится

Водорода нм³/ч, или кг/ч,

Азота нм³/ч, или кг/ч,

Аргона нм³/ч, или кг/ч,

Метана нм³/ч, или кг/ч,

Расход газов после сеператора

водород нм³/ч, или кг/ч,

азот нм³/ч, или кг/ч,

аргон нм³/ч, или кг/ч,

метан нм³/ч, или кг/ч.

Общий объем газов после сепаратора без аммиака составит

330603+108420+19788+49715 = 508526 нм³/ч.

Объем аммиака после сепаратора

нм³/ч, или 7970×0,761 = 6062 кг/ч.

Конденсируется аммиака

59040–6062 = 51069 нм³/ч, или 51069×0,761 = 38839 кг/ч.

Объем газа на выходе из сеператора 508526+51069 = 516496 нм³/ч.

Таблица 4.4

Материальный баланс стадии сепарации

Приход	нм3/ч	кг/ч	об.%	Расход	нм3/ч	Кг/ч	об.%
Газ, в т.ч. 1. Аммиак 2. Водород 3. Азот 4. Аргон 5. Метан			10,39 58,24 19,11 3,49 8,76	Газ, в т.ч. 1. Аммиак 2. Водород 3. Азот 4. Аргон 5. Метан			1,54 64,01 20,99 3,83 9,63
				Жидкость, в т.ч. 1. Аммиак 2. Водород 3. Азот 4. Аргон 5. Метан
Итого				Итого

4.4.2. Расчеты тепловых балансов

Таблица 4.9

Температурные ряды и теплоты образования веществ, участвующих в процессе [16]

Соединение	Температурный ряд	Энтальпия, КДж/моль
a	b	c (c’)
СН4	14,32	74,69×10–3	–17,43×10–6	–74,85
N2	27,88	4,27×10–3
H2	27,28	3,26×10–3	0,5×105
NH3	29,8	25,48×10–3	–1,67×105	–46,19

Тепловой баланс колонны синтеза

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака имеет вид

Q₀ + Q_xp = Q₁ + Q_то+ Q_п,

где Q₀ – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;

Q_хр – тепло химической реакции;

Q₁ – физическое тепло, уносимое газовой смесью;

Q_то – тепло, отводимое в слое катализатора;

Q_п – потери тепла в окружающуюсреду.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в колонну при температуре 130 °С, или 403 К

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

МДж/ч.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из колонны при температуре 350 °С, или 623 К

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тогда тепло, с газовой смесью на выходе из колонны синтеза составит

МДж/ч.

Тепло химической реакции

МДж/ч.

Потери тепла принимаем 0,5 % от прихода тепла. Тогда потери тепла составят

Q_п = (91280+153644)×0,005= 1225 МДж/ч.

Отводимое в тепло

Q_то = 91280+153644–242855–1225 = 814 МДж/ч.

Таблица 4.10

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход	МДж/ч	%	Расход	МДж/ч	%
1. Тепло с исходным газом		37,27	1. Тепло с газовой смесью		99,16
2. Тепло химической реакции		62,73	2. Отводимое тепло		0,33
3. Потери тепла		0,50
Итого			Итого

Тепловой баланс 1-ого слоя колонны синтеза аммиака имеет вид

Q₀ + Q_xp = Q₁ + Q_п,

где Q₀ – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;

Q_хр – тепло химической реакции;

Q₁ – физическое тепло, уносимое газовой смесью;

Q_п – потери тепла в окружающуюсреду.

Температура на входе в первый слой катализатора составляет 390°С. Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

МДж/ч.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из 1-ого слоя колонны при температуре 500 °С, или 773 К

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тепло химической реакции

МДж/ч.

Потери тепла принимаем 0,5 % от прихода тепла. Тогда потери тепла составят

Q_п = (91280+151622)×0,005= 1215 МДж/ч.

Тогда тепло с газовой смесью на выходе из 1-ого слоя колонны синтеза составит

МДж/ч.

Таким образом, получаем уравнение:

203625 + 151622 = 760,61×t₁ + 1215.

Решая полученное уравнение, имеем

t₁ = 495 °С,

а физическое тепло, уходящее с 1-ой полки:

Q₁ = 760,61×495 = 354032 МДж/ч.

Для охлаждения газа после 1-ой полки подается байпас с температурой 130 °С. Температура газа на входе во 2-ой слой не должна превышать 460 °С.

Тепловой баланс примет следующий вид

Q₁ + Q_б = Q₂

где Q_б – тепло, вносимое байпасом;

Q₂ – тепло приходящее на 2-ую полку.

Тепло, приходящее с байпасом, можно представить как

.

Q_б = (0,6991×1,290 + 0,2095×1,321 + 0,0154×1,743 + 0,0969×1,865)×130/1000×V_б = 0,180×V_б

Теплоемкости компонентов на входе во 2-ой слой после смешения с байпасом при температуре 460 °С (733 К)

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тогда тепло, вносимое с газом на 2-ую полку (после смешения с байпасом), можно представить как

Q₂ = (224667×1,329 + 73095×1,384 + 76987×2,150 + 49769×2,767)×460/1000 +

+ (0,6991×1,329 + 0,2095×1,384 + 0,0154×2,150 + 0,0969×2,767)×460/1000×V_б =

= 247230 + 0,699×V_б

Таким образом, получаем уравнение