ВВЕДЕНИЕ 29 страница

354032 + 0,180×V_б = 247230 + 0,699×V_б

Решая полученное уравнение, имеем

нм³/ч.

Тепловой баланс аммиачного холодильника

Температура газовой смеси на входе 40 °С

Температура конденсации 0 °С

Температура жидкого аммиака –33 °С

Тепловой баланс аммиачного холодильника имеет вид

Q₁ + Q_к = Q₂ + Q₃ +Q_т/о

где Q₁ – теплота вносимая с газовой смесью при температуре 40 °С;

Q_к – теплота конденсации аммиака из АВС при температуре 0 °С;

Q₂ – теплота уходящая с газовой смесью при температуре 0 °С;

Q₃ – теплота уходящая с конденсатом при температуре 0 °С;

Q_т/о – теплота, которую необходимо отвести в конденсаторе.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси при средней температуре 40°С, или 313 К:

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тогда

Q₁ = (59040×1,59 + 331069×1,31 + 108612×1,35 + 49816×1,58)×40/100 = 29475 МДж/ч.

Удельная теплота конденсации аммиака из газовой смеси 1266 кДж/кг [1]. Тогда тепло, выделившееся при конденсации, составит:

Q_к = (44901 – 6062)×1266/1000 = 49170 МДж/ч.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси при средней температуре 0°С, или 273 К:

метан ,

азот ,

водород ,

аммиак .

Тогда (состав газовой смеси берем из табл. 4.8)

Q₂ = (7970×1,50 + 330603×1,28 + 108420×1,30 + 49715×1,47)×0 = 0 МДж/ч.

Тепло, уходящее с жидким аммиаком (энтальпия жидкого аммиака составляет 395 кДж/кг)

Q₃ = (44901 – 6062)×395/1000 = 15341 МДж/ч.

Теплота, которую необходимо отвести составит:

Q_т/о = 29475 + 49170 – 0 – 15341 = 63304 МДж/ч.

Удельная теплота испарения аммиака 1371 кДж/кг. Тогда расход аммиака на охлаждение составит

М_ам = 63304/1,371 = 46174 кг/ч.

4.5. Выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования

4.5.1. Расчет 1-ого слоя катализатора

Расчет объема катализатора

Кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака

или

где k₀ – предэкпонента константы скорости;

Е – энергия активации;

Р – общее давление.

Рассчитаем средние концентрации компонентов в слое

об.%;

об.%;

об.%.

Средняя температура в слое

°С.

Средние парциальные давления:

МПа;

МПа;

МПа.

Тогда

МПа^-1

Константа равновесия при средней температуре

Откуда

К_р = 0,026 атм^–1

Предэкспонециальный множитель составляет 1,5×10³ ; энергия активации 80 кДж/моль. Тогда скорость реакции

Нагрузка на катализатор

кмоль/с

Тогда объем катализатора

м³.

Принимаем объем катализатора 4,7 м³.

Энергозатраты на компримирование газа рассчитываем по следующему уравнению

,

где k – показатель адиабаты (в нашем случае 1,4)

Р₂ – конечное давление;

Р₁ – начальное давление;

V – объемный расход газовой смеси;

v_m – мольный объем газа.

По данным [13] значение P₁ составляет 25,8 ат, значение Р₂ = 323 ат, температура на всасе компрессора 43 °С.

Объемный расход газовой смеси (табл. 4.3)

V = 513608/3600 = 142,7 нм³/с.

Мольный объем газовой смеси v_m = 22,4 нм³/кмоль.

Тогда энергозатраты на компримирование составят

кВт.

Производительность по аммиаку составляет

т/с.

Тогда удельная работа на компримирование АВС составит

6199/0,0157 = 394828 кДж/т аммиака.

Выбираем более активный катализатор со следующими характеристиками:

– предэкспонециальный множитель k₀ = 5,5×10⁴ ;

– энергия активации Е = 80 кДж/моль

При том же объеме катализатора и условии сохранения его производительности скорость реакции w должна остаться постоянной. Тогда для скорости реакции синтеза аммиака можно записать следующее уравнение:

Отсюда

Р^1,5 = 57,06

Р = 28,4 МПа, или 28,4×10,13 = 288 атм.

Тогда энергозатраты на компримирование вэтом случае составят составят

кВт.

Тогда удельная работа на компримирование АВС составит

5810/0,0157 = 370076 кДж/т аммиака.

Таким образом использование более активного катализатора позволяет снизить давление синтеза с 323 до 288 ат, что дает экономию в работе на сжатие синтез-газа

394828 – 370076 = 24752 кДж/т аммиака.

Расчет сопротивления слоя катализатора

Перепад давления в слой катализатора рассчитываем по формуле [17]:

,

где d_э – эквивалентный диаметр частиц;

G_г – массовая скорость газа (кг/м²с);

m_г – вязкость газа.

Массовый расход АВС (табл. 4.3) 230903 кг/ч, или

230903/3600 = 64,14 кг/с.

Внутренний диаметр катализаторной коробки 2210 мм. Тогда площадь сечения составит

м²

Массовая скорость составит

G_г = 64,14/3,83 = 16,73 кг/м²с.

Диаметр зерна катализатора (табл. 4.2) принимаем равным 10 мм.

Высота слоя катализатора составит

м.

Плотность газовой смеси при условиях синтеза (Р = 32,3 МПа, t = 440 °С, или 713К) рассчитываем, исходя из свойства аддитивности.

Плотность аммиака кг/м³.

Плотность водорода кг/м³,

Плотность азота кг/м³,

Плотность агрона кг/м³,

Плотность метана кг/м³.

Тогда плотность газовой смеси составит

r_г = 92,85×0,0154 + 11,23×0,6991 + 152,73×0,2095 + 217,77×0,039 + 87,40×0,0969 = 58,24 кг/м³.

Вязкость газовой смеси при данных условиях составляет 2140×10^–8 Па×с [1]. Тогда перепад давления в слое катализатора

Па.

Затраты энергии на преодоление слоя катализатора составят

кВт,

или удельный расход

18/0,0157 = 1147 кДж/т аммиака

Снижение давления в колонне синтеза приведет к изменению сопротивления слоя катализатора за счет изменения плотности газов и вязкости АВС.

Плотность газовой смеси при условиях синтеза (Р = 28,8 МПа, t = 440 °С, или 713К) рассчитываем, исходя из свойства аддитивности.

Плотность аммиака кг/м³.

Плотность водорода кг/м³,

Плотность азота кг/м³,

Плотность агрона кг/м³,

Плотность метана кг/м³.

Тогда плотность газовой смеси составит

r_г = 82,78×0,0154 + 10,01×0,6991 + 136,18×0,2095 + 194,17×0,039 + 77,93×0,0969 =44,38 кг/м³.

Вязкость газовой смеси при данных условиях составляет 2105×10^–8 Па×с [1]. Тогда перепад давления в слое катализатора

Па.

Таким образом, снижение давления приводит к росту сопротивления слоя катализатора, которое происходит из-за снижения плотности газовой смеси, а значит увеличению объемного расхода при условиях синтеза.

Затраты энергии на преодоление слоя катализатора составят

кВт,

или удельный расход

28/0,0157 = 1783 кДж/т аммиака

Расчет аммиачного конденсатора

Поверхность теплообмена аммиачного конденсатора можно рассчитать, исходя из уравнения теплопередачи

,

где К – коэффициент теплопередачи;

F – поверхность теплообмена;

Dt – разность температур между теплоносителями.

Из теплового баланса теплота, которую необходимо отвести составляет 78645 МДж/ч.

Разность температур составляет

°С.

Коэффициент теплоотдачи от газовой смеси согласно литературным данным [18] принимаем равным a₁ = 9000 . Коэффициент теплоотдачи от испаряющегося аммиака согласно литературным данным [18] принимаем равным a₂ = 12000 . Теплопроводность стальной стенки l = 17,5 [18]. Трубки испарителя имеют размеры 22´3,5 мм.

Тогда коэффициент теплопередачи составит

Тогда необходимая поверхность теплопередачи составит

м².

4.6. Аналитический контроль

Таблица 4.11

Наименование стадий процесса, места измерения параметров или отбора проб.	Наименование и позиция контролируемого параметра.	Способ контроля и управления, частота контроля.	Нормы и технические показатели, в т.ч. установки ПАЗ.	Критические значения параметров (в соотв. с ОПВБ-88).	Методики и средства контроля	Кто контролирует
78. Аммиачный холодильник 117-С.
78.1. Вход синтез-газа	Температура	Показания по месту.	Не более 40 °С.		Термометр биметаллический NKS Шкала 0¸100 °С	Оператор
78.2. Выход синтез-газа.	Температура TI-6-16.	Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 3 раза в смену.	0 ¸ минус 4 °С. Dн.п.± 3 °С.		ТЭП тип "BOSS" Градуировка СС Класс точности 0,75. Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала минус 50 ¸ плюс 250 °С	Оператор

Продолжение табл. 4.11

79. Вторичный сепаратор аммиака 106-F.	Уровень LIC-34. LIA-33.     Понижение уровня LIA-33L.   Повышение уровня LIA-33Н.     Температура TI-6-6.	Показания и регулирование по месту. Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ     Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.	235 ¸ 770 мм Dн.п.± 10 мм. 235 ¸ 770 мм Dн.п.± 18 мм.   235 мм Dн.п.± 6 мм.     770 мм Dн.п.± 6 мм.     20 ¸ 31 °С. Dн.п.± 3 °С.		Уровнемер буйковый 12812 ("Niigata Masoneilan") с встроенным регулятором. Шкала 0¸1000 мм Клапан регулирующий тип VАН Ду-25; Рраб..=332,6 кгс/см2; "ВО". Уровнемер буйковый HFS 313 ("Tokio Keiso") Шкала 0¸1000 мм Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") ТЭП тип СС-1.6Е Градуировка СС Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала минус 50 ¸ плюс 250 °С	Оператор Оператор   Оператор     Оператор   Оператор

Продолжение табл. 4.11

80. Теплообменник 179-С. 80.1. Выход газа, идущего в колонну синтеза.	Объемная доля метана СН4 СН4R-13.   Объемная доля водорода Н2 Н2R-12.	Показания и регистрация в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.     Показания и регистрация в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.	9 ¸ 11 %. Dн.п.± 0,17 %.   Не менее 61 % Dн.п.± 1 %.		Газоанализатор автоматический EIA-2A ("Horiba") Шкала 0¸15 % Класс точности 1,0. Регистратор NBX-30 ("Y-H") Шкала 0¸15 % Класс точности 0,5. Dи.к.=± 0,17 %.   Газоанализатор автоматический ТСA-2A ("Horiba") Предел измерений 50¸100 % Класс точности 1,0. Регистратор NBX-30 ("Y-H") Шкала 50¸100 % Класс точности 0,5. Dи.к.=± 1 %.	Оператор     Оператор
Температура TI-6-8 А ¸ М.   Давление PG-69.   PI-90.   PR-90.	Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.     Показания по месту.     Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.   Показания и регистрация в ЦПУ.	Не более 200 °С. Dн.п.± 6 °С.   Не более 31,4 МПа (320 кгс/см2) Dн.п.± 10 кгс/см2.     Не более 31,4 МПа (320 кгс/см2) Dн.п.± 16 кгс/см2.     Не более 31,4 МПа (320 кгс/см2) Dн.п.± 3,5 кгс/см2.		ТЭП тип Т-96-5 Градуировка СА Класс точности 0,75. Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала 0 ¸ 600 °С Класс точности 0,5. Dи.к.=± 5,6 °С.   Манометр NKS Шкала 0 ¸ 49 МПа (0 ¸ 500 кгс/см2) Класс точности 1,5. Dизм.=± 7,5 кгс/см2.   Датчик давления NKI-11 ("Y-H") Предел измерения 0 ¸ 49 МПа (0 ¸ 500 кгс/см2) Класс точности 0,5. Показывающий прибор ТМЕ-120 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 49 МПа (0 ¸ 500 кгс/см2) Класс точности 1,5. Dи.к.=± 7,9 кгс/см2.   Датчик давления NKI-11 ("Y-H") Предел измерения 0 ¸ 49 МПа (0 ¸ 500 кгс/см2) Класс точности 0,5. Регистратор NBX-30 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 49 МПа	Оператор     Оператор   Оператор   Оператор

Продолжение табл. 4.11

81.3. Стенки корпуса колонны синтеза.     81.4. Выход газа из колонны после теплообменника 122-С.	Температура TG-56.     Температура TI-6-37.   TR-14-11.   Перепад давления PdI-32.	Показания по месту.     Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.     Показания и регистрация в ЦПУ.     Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.	Не более 350 °С. Dн.п. не нормируется   Не более 350 °С. Dн.п.± 6 °С.   Не более 350 °С. Dн.п.± 6 °С.     Не более 1,08 МПа (11 кгс/см2) Dн.п.± 0,25 кгс/см2.		Термометр биметаллический NKS   ТЭП тип Т-96-5 Градуировка СА Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала 0 ¸ 600 °С Dи.к.=± 5,6 °С.   ТЭП тип Т-96-5 Градуировка СА Класс точности 0,75. Потенциометр J-153 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 600 °С   Дифманометр ITD-261 ("Y-H") Перепад 1,47 МПа (15 кгс/см2) Показывающий прибор ТМЕ-120 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 1,47 МПа	Оператор   Оператор     Оператор   Оператор

Продолжение табл. 4.11

81.5. Перепад давления колонны синтеза.	Увеличение перепада давления PdA-32ЕН.	Блокировка гр. "q". Открытие НС-29. Закрытие EmV-13.	1,18 МПа (12 кгс/см2) Dн.п.± 0,08 кгс/см2		(0 ¸ 15 кгс/см2) Класс точности 1,5. Dи.к.=± 0,24 кгс/см2.   Преобразователь-сигнализатор NAX 143 ("Y-H") Класс точности 0,5. Dи.к.=± 0,08 мм.	Оператор
	Температура TG-57.	Показания по месту.	Не более 162 °С. Dн.п. не нормируется		Термометр биметаллический NKS Шкала 0 ¸ 200 °С Класс точности 2,0. Dизм.=± 4 °С.	Оператор
82. Подогреватель питательной воды 123-С. Выход газа.	Температура TG-59.	Показания по месту.	Не более 49 °С. Dн.п. не нормируется		Термометр биметаллический NKS Шкала 0 ¸ 200 °С Класс точности 2,0. Dизм.=± 5 °С.	Оператор

Продолжение табл. 4.11

83. Холодильник циркуляционного газа 180-С. Выход газа.	Температура TI-6-9.	Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.	16 ¸ 23 °С. Dн.п.± 3 °С.		ТЭП тип СС-1.6Е Градуировка СС Класс точности 0,75. Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала минус 50 ¸ плюс 250 °С Класс точности 0,5. Dи.к.=± 2,7 °С.	Оператор
84. Первичный сепаратор аммиака 126-F. 84.1. Вход газа.	Уровень LIC-36.     LI-35.   Понижение уровня LIA-35L.   Повышение уровня LIA-35Н.   LA-31ЕН.	Показания и регулирование по месту.     Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ   Блокировка гр. "q". Остановка компрессора 103-J.	360 ¸ 470 мм Dн.п.± 5 мм.   360 ¸ 470 мм Dн.п.± 9 мм.     355 мм Dн.п.± 6 мм.   480 мм Dн.п.± 6 мм.   660 мм от внутреннего дна Dн.п.± 3 мм.		Уровнемер буйковый 12812 ("Niigata Masoneilan") с встроенным регулятором. Шкала 0 ¸ 500 мм Класс точности 1,0. Dизм.=± 5 мм. Клапан регулирующий тип VАН Ду-40; Рраб..=315,5 кгс/см2; "ВО".   Уровнемер буйковый HFS 313 ("Tokio Keiso") Шкала 0 ¸ 500 мм Класс точности 1,0. Вторичный прибор ТМЕ-120 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 500 мм Класс точности 1,5. Dи.к.=± 9 мм.   Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") Класс точности 0,5. Dи.к.=± 5,2 мм.   Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") Класс точности 0,5. Dи.к.=± 5,2 мм.   Поплавковый сигнализатор уровня А5013 ("Magnetrol") Dизм.=± 3 мм.	Оператор     Оператор   Оператор     Оператор     Оператор

Продолжение табл. 4.11

84.2. Сепаратор 126-F.	Давление PG-71.	Показания по месту.	Не более 30,9 МПа (315 кгс/см2) Dн.п.± 10 кгс/см2.		Манометр NKS Шкала 0 ¸ 49 МПа (0 ¸ 500 кгс/см2) Класс точности 1,5. Dи.к.=± 7,5 кгс/см2.	Оператор
84.3. Выход газа.	Температура TI-6-5.	Показания в ЦПУ.	минус (20 ¸ 23) °С Dн.п.± 3 °С.		ТЭП тип СС-1.6Е Градуировка СС Класс точности 0,75. Указатель температуры по вызову EION 5 ("Н-Е") Шкала минус 50 ¸ плюс 250 °С Класс точности 0,5. Dи.к.=± 2,7 °С.	Оператор

Продолжение табл. 4.11

87. Сборник жидкого аммиака 107-F.	LI-40.   Понижение уровня LIA-40L.   Повышение уровня LIA-40H.   Температура TI-6-14.	Показания в ЦПУ. Запись в рапорт 4 раза в смену.   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ   Сигнализация свето-звуковая в ЦПУ   Показания в ЦПУ.	300 ¸ 550 мм Dн.п.± 13 мм.     300 мм Dн.п.± 11 мм.   550 мм Dн.п.± 11 мм.   Не более 14 °С. Dн.п.± 3 °С.		Dизм.=± 10,5 мм. Клапан регулирующий тип VDC Ду-65; Рраб..=15,8 кгс/см2; "ВО".   Показывающий прибор ТМЕ-120 ("Y-H") Шкала 0 ¸ 700 мм Класс точности 1,5. Dи.к.=± 12,6 мм.   Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") Класс точности 0,5. Dи.к.=± 11 мм.   Преобразователь-сигнализатор NAX 144 ("Y-H") Класс точности 0,5. Dи.к.=± 11 мм.	Оператор   Оператор     Оператор     Оператор     Оператор

Список использованных источников информации

1. Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Синтез аммиака. – М.: Химия, 1986. – 512 с.

2. Технология связанного азота / Под. ред. В.И. Атрощенко – М.: Химия, 1985. – 327 с.

3. Производство аммиака / Под. ред. В.П. Семенова – М.: Химия, 1985. – 368 с.

4. Синтез аммиака / Под ред. Л.Д. Кузнецова – М.: Химия, 1982. – 296 с.

5. Лейтес И.Л., Сосна М.Х., Семенов И.П. Теория и практика химической энерготехнологии. М.: Химия. 1988. 280 с.

6. Андреев Ф.А. и др. Технология связанного азота – М.: Химия, 1966. – 500 с.

7. Тетеревков А.И., Печковский В.В. Оборудование заводов неорганических веществ и основы проектирования. – Мн.: Выш. школа, 1981. – 335 с.

8. Генкин А.Э. Оборудование химических заводов. – М.: Высш школа, 1978. – 272 с.

9. Справочное руководство по катализаторам для производства аммиака и водорода / Пер. с англ. В.П. Семенова – Л.: Химия, 1973. – 248 с.

10. Катализ в азотной промышленности / Власенко В.М., Самченко Н.П., Атрощенко В.И. и др. Под. ред. В.М. Власенко. – Киев: Наук. думка, 1983. – 200 с.

11. Семенова Т.А. и дp. Новое поколение катализаторов в производстве аммиака / Т.А. Семенова, С.Х. Егеубаев, Л.Д. Кузнецов, Ю.В. Фурмер // Журн. Всес. хим. об-ва. – 1991. – Т. 36, № 2 – C. 60-64.