Установка ключа на Kaspersky CRYSTAL (PURE) 2010 с помощью кода активации, в виде картинок с описанием 2 страница

Как правило, газ в аппаратах направляют сверху вниз, чтобы поток газа прижимал слой катализатора. При противоположном направлении потока необходимы специальные меры по фиксации слоя [7].

Рис. 1.4. Колонны синтеза аммиака большой производительности: а - вертикальная; б - горизонтальная. 1 - патрубок; 2 - днище; 3 - корпус; 4, 9 - слой катализатора; 5, 8 - байпас; 6 - катализаторная коробка; 7 - теплообменник; 10 - кольцевой коллектор; 11 - конус; 12 - распределительная труба; 13 - центральная труба.

Другая конструкция колонны синтеза аммиака изображена на рис. 1.4, а [7]. Колонна представляет собой многослойный аппарат с промежуточным введением холодного газа (байпаса). Азотоводородная смесь подается по штуцеру 1 и проходит через зазор между корпусом 3 и катализаторной коробкой 6. Затем газ проходит через межтрубное пространство теплообменника 7, где подогревается до требуемой температуры за счет тепла отходящих газов. После прохождения слоя катализатора газ охлаждается подачей байпаса 5. Когда газ пройдет все слои катализатора, он по центральной трубе 13 подается в трубное пространство теплообменника 7 и выводится из колонны.

Работа колонны синтеза аммиака, представленной на рис. 1.4, б [7], не имеет принципиальных отличий от предыдущей. Отличия заключаются в ходе газа через слой катализатора. В данном случае газ движется через катализатор в радиальном направлении.

Адиабатическим реактором является также радиальная колонна синтеза аммиака (рис. 1.5) [7]. Азото-водородная смесь подается через штуцер 12 и проходит в зазоре между катализаторной коробкой 5 и корпусом 3. Такой ход газа снижает температуру корпуса колонны, что позволяет снизить толщину обечайки. Далее газ проходит межтрубное пространство встроенного теплообменника 4, где подогревается за счет тепла отходящего горячего газа. Подогретый газ через центральную трубу 6 подается на слои катализатора, которые уложены в перфорированные обечайки 7 и 8. Затем через зазор между обечайкой катализаторой коробки 5 и перфорированными обечайками 7 и 8 прореагировавшая газовая смесь поступает в трубы теплообменника 4 и через штуцер 15 отводится из колонны. Для регулирования температуры по штуцерам 1 и 11 подается холодный байпас.

Рис. 1.5. Радиальная колонна синтеза аммиака. 1, 11 - байпас; 2 - опорная труба; 3 - корпус; 4 - теплообменник; 5 - обечайка катализаторной коробки; 6 - центральная труба; 7, 8 - перфорированная обечайка; 9 - перегородка; 10, 14 - слой катализатора; 12, 15 - штуцер.

Почти все аммиачные агрегаты, работающие по технологии фирмы Торsое, используют так называемый цикл синтеза S-200 (рис. 1.6) с хорошо известной насадкой с “непрямым” охлаждением между полками.

Рис. 1.6. Колонна синтеза S-200.

Еще большей степени конверсии по сравнению с циклом синтеза S-200, можно добиться, добавив третью катализаторную полку, то есть с насадкой S-300. В некоторых случаях используется конфигурация 8-250, работа которой обеспечивается двумя колоннами - двух-полочной (S-200) и следующей за ней однополочной (S-50). Цикл синтеза S-250 до некоторой степени энергетически более эффекти­вен, чем S-200, и имеет определенные преимущества по сравнению с S-300.

Кроме колонны, цикл синтеза включает в себя:

- пусковой подогреватель;

- осуществление рекуперации тепла путем производства и (или) перегрева (особенно в случае с колонной S-250) пара высокого давления и подогрева питательной воды для котла;

- приточно-отточный теплообменник (горячий теплообменник) для подогрева сырья;

водяной холодильник, где конденсируется часть продукционного аммиака;

- холодильники, работающие в двух температурных режимах для дальнейшей конденсации товарного аммиака;

- теплообменники “газ/газ” (холодные теплообменники) на входе в каждый холодильник для использования тепла, забираемого при охлаждении;

- сепаратор продукционного аммиака.

Введение свежей АВС в цикл синтеза осуществляется перед последним холодильником, где большая часть продукционного аммиака уже сконденсирована. Следы диоксида углерода и водяных паров удаляются при конденсации в последнем холодильнике. Риск отравления катализатора синтеза этими продуктами исключается без использования молекулярных сит для осушки свежего газа. С точки зрения энергетики такая система является высокоэффективной. По­пытка получить дополнительную экономию энергии за счет установки молекулярных сит и введения свежего газа после сепаратора не гарантирует 100 % успех и не может оправдать дополнительные инвестиции. Кроме того, это связано с риском попадания пыли от сит в колонну.

Продувочный газ отбирается из цикла синтеза после второго холодного теплообменника как раз перед точкой, где вводится свежая АВС. В этой точке газ содержит максимальное количество инертов. Как правило, продувочные газы направляются в систему регене­рации продувочных газов для выделения из них водорода. Выделенный водород возвращается в процесс и вводится на соответствую­щей стадии в компрессор синтез-газа.

Рис. 1.7. Колонна синтеза S-300.

Конструкция насадки S-200 колонны синтеза без нижнего теплообменника (рис.1.7) обладает следующими характеристиками:

- принцип радиального распределения потока обеспечивает возможность использования катализатора с мелкими частицами при очень низком перепаде давления. В стандартной конструкции общий перепад давления по реактору составляет ме­нее 2 кгс/см² при размере частиц катализатора от 1,5 до 3 мм;

- малый размер частиц катализатора обеспечивает наиболее эффективное использование всего объема катализатора. Диффузионные проскоки ничтожно малы во всех участках катализаторных полок, и дальнейшее уменьшение размеров частиц не привело бы к большему эффекту. Главный результат, достигаемый при использовании катализатора с мелкими частицами в колонне с радиальным распределением потока, заключа­ется в увеличении активности катализатора на 40 % при тех же объемах его загрузки в колонну, по сравнению с тем случаем, когда из-за ограничений, вызванных перепадом давления, приходится использовать катализатор с крупными частицами;

- “непрямое” охлаждение между полками обеспечивает хорошее использование всего объема катализатора и высокую степень конверсии за один проход, так как при этом исключается не­желательное разбавление частично конвертированного газа байпасным охлаждающим газом;

- опыт промышленной эксплуатации свидетельствует о том, что работа колонны с насадкой типа S-200 в высшей степени стабильна, температуры на полках легко поддерживаются на необходимых уровнях и режим работы колонны можно без труда контролировать в заданных параметрах.

Конструкция насадки S-200 колонны синтеза была также усовершенствована разработкой и внедрением новых газораспреде­лительных панелей, которые улучшили распределение потока на полках и снизили стоимость колонны. Новые панели используются как при строительстве новых колонн, так и при реконструкции существующих колонн байпасного типа в колонну с радиальным распределением потока типа S-200, независимо от того, были ли они первоначально построены по проекту Торsое или другой кампании.

2. Выбор и технико-экономическое обоснование проектных решений

Принимаем мощность цеха 1360 т аммиака в сутки.

Соотношение водород:азот в исходной газовой смеси должно составлять 3,05. Концентрация аммиака на выходе из колонны синтеза принимаем 16,0 об.%.

Рабочее давление в колоне синтеза аммиака составляет 323 атм, средняя температура контактирования 500 °С.

Принимаем температуру вторичной конденсации –23 °С, температуру первичной 49 °С.

В проекте предусмотрена реконструкция колонны синтеза, которая заключается в следующем. В базовом варианте катализатор размещался на четырех полках, газ проходил через слой катализатора аксиально. Предлагается изменить конструкцию катализаторных полок таким образом, чтобы азото-водородная смесь проходила через слой катализатора в радиально-аксиальном направлении. При этом число полок катализатора составляет 3.

Подобные изменения в конструкции колонны позволят уменьшить объем катализатора при сохранении производительности за счет того, что при радиальном движении газа в слое катализатора уменьшается его линейная скорость, и, соответственно, увеличивается время контактирования. Следовательно, для сохранения производительности появляется возможность уменьшить объем катализатора.

Другое преимущество радиального движения газа в слое катализатора заключается в следующем. Снижение линейной скорости газа в слое, а также уменьшение объема катализатора приводит к уменьшению гидравлического сопротивления, что несколько снижает нагрузку на компрессор сжатия азото-водородной смеси.

В качестве катализатора предлагается использовать железооксидный катализатор марок СА–Н или СА–С.

3. Стандартизация

В данном проекте использованы следующие нормативные документы:

ГОСТ 6221-90 – Аммиак жидкий технический;

ГОСТ 5542-87 – Газ природный;

ГОСТ 17433-80 – Воздух технический;

ТУ 113-03-394-88 – Катализатор синтеза аммиака;

ГОСТ 9293-74 – Азот чистый низкого давления;

ГОСТ 20995-85 – Питательная химочищенная вода;

ГОСТ 12.2.003-74 – Оборудование производственное. Общие требования безопасности;

ОСТ 26-291-79 – Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования;

ГОСТ 9493-73. – Сосуды и аппараты. Ряд давлений.

ГОСТ 2.788-74–ГОСТ 2.792.-74 – Обозначения условные графические.

4. Технологическая часть

4.1. Теоретические основы процесса

4.1.1. Равновесие реакции синтеза

Синтез аммиака из азота и водорода

1/2N₂ + 3/2Н₂ Û NH₃ + Q

относится к числу равновесных обратимых реакций, протекающих с выделением тепла и уменьшением объема. Согласно принципу Ле-Шателье, равновесие реакции синтеза аммиака смещается вправо с повышением давления и понижением температуры [1-4].

Равновесные концентрации аммиака в смеси азота и водорода стехиометрического состава были определены экспериментально при Р=0,98— 98.1 МПа и t=325 — 500 °С и затем экстраполированы в области более низких и более высоких температур.

По полученным данным с помощью уравнения [1]

, (4.1)

где К_Р — константа равновесия реакции; — парциальные давления аммиака, азота и водорода в равновесной смеси. Значения К_р, вычисленные через парциальные давления газов, зависят не только от температуры, но и от давления вследствие отклонения свойств сжатых газов от свойств идеальных газов.

Для расчета значений К_р при разных температурах и давлениях предложен ряд эмпирических и теоретических уравнений, из которых наиболее простым является эмпирическое уравнение А. Ларсона и Р. Доджа [1-4]:

(4.2)

где Т— температура, К; b — коэффициент, зависящий от давления; I — константа интегрирования.

Зная величину К_р, можно вычислить равновесную концентрацию NН₃ в стехиометрической смеси азота и водорода при любых температурах и давлениях по уравнению, выведенному из (4.1):

(4.3)

При высоких давлениях константу равновесия более правильно выражать через летучести компонентов газовой смеси [1]:

(4.4)

где — летучести аммиака, азота и водорода в равновесной газовой смеси; К_f— константа равновесия реакции.

В этом случае сохраняется независимость константы равновесия от давления. Однако уравнение (4.4) довольно редко используют для расчетов равновесия, так как точное определение парциальных летучестей компонентов газовой смеси является очень сложной задачей. Вместо этого применяют упрощенный метод расчета по правилу Льюиса — Рендалла (4.5), выведенному для идеального газового раствора (азотоводородоаммиачная смесь ведет себя как идеальный раствор реальных газов при давлениях до 60 МПа и температурах выше 350 °С) [1]:

,

,

, (4.5)

где — летучести аммиака, азота и водорода в равновесной газовой смеси; — летучести чистых аммиака, азота и водорода при общем давлении реакционной смеси; — мольные доли аммиака, азота и водорода в смеси.

Определение летучести чистых аммиака, азота и водорода не представляет большой сложности. Их значения приведены в ряде работ [12] и др. Подставляя выражения (4.5) в (4.4), находим

(4.6)

Обозначив , получим уравнение, аналогичное (4.3)

(4.7)

пригодное для расчетов равновесного содержания аммиака в стехиометрической смеси азота и водорода при высоких давлениях. Для низких и умеренных давлений оно превращается в (4.З), так как при этом значения парциальных давлений и летучестей совпадают.

При отклонении азотоводородной смеси от стехиометрического состава происходит снижение равновесной концентрации аммиака. При разбавлении азотоводородной смеси инертными газами (метаном и аргоном) равновесная концентрация аммиака также уменьшается. Ее можно рассчитать приближенно по формуле (или номограмме) С. Тоноиоло или более точно по уравнению Гиллеспая – Битти [1]. Если же известны равновесные концентрации аммиака в смеси, не содержащей инертных газов, то их можно вычислить и в присутствии инертов по уравнению [1]

,

где Z_Р и Z_Pi— равновесные мольные доли аммиака соответственно без инертных газов и в их присутствии; N_i— концентрация инертных примесей, мольн. доли.

В общем случае для 1 моля исходной смеси, содержащей , , , и молей соответственно N₂, Н₂, NН₃, СН₄, Аr равновесие можно рассчитать по уравнению, выведенному из (4.1) [1]:

, (4.9)

где Х — равновесное содержание аммиака в смеси, моль; — число молей аммиака, образующегося в результате реакции; — суммарное число молей в равновесной смеси.

Решая квадратное уравнение (4.9), находим X.Содержание компонентов (мольн. доли) в равновесной смеси определяются по уравнениям

,

,

,

,

. (4.10)

4.1.2. Тепловой эффект реакции

Тепловой эффект реакции синтеза аммиака в реальных условиях проведения процесса состоит из двух слагаемых [1]:

Q = Q_p + Q_см (4.11)

где Q_р—тепловой эффект реакции при полном превращении азотоводородной смеси в аммиак; С_cм — теплоты смешения аммиака с азотоводородной смесью. Q_p и Q_см, а следовательно и Q, зависят от температуры и давления. Значения Q_p можно рассчитать по уравнению [1]

(4.12)

где Р — избыточное давление, МПа; — температура, °С.

Теплоты смешения (Q_см) при разных давлениях, температурах и концентрации аммиака в смеси (17,6; 20; 40; 80% МН₃) были определены Я. С. Казарновским и др. Q_см, в отличие от Q_Р, является отрицательной величиной, так как при смешении сжатых азота, водорода и аммиака происходит поглощение тепла. При низких давлениях теплоты смешения пренебрежимо малы, при высоких — они достигают значительных величин и не учитывать их было бы неправильным.

4.1.3. Фазовые равновесия системы газ — жидкость

Фазовое равновесие системы газ — жидкость для трехкомпонентной смеси аммиак—водород—азот (Н₂:N₂ = 3:1) при давлениях до 98,1 МПа было определено экспериментально А. Ларсоном и С. Блеком и впоследствии более точно А. Михельсом и др. [1]. На основе полученных данных были выведены полуэмпирические уравнения, позволяющие рассчитывать реальное содержание аммиака в газовой фазе для смеси азот—водород—аммиак при разных температурах конденсации и давлениях. Более точным является уравнение, выведенное по данным А. Михельса:

, (4.13)

где — содержание аммиака в газовой фазе, мольн. доли; Р— давление, МПа; t— температура, °С.

Это уравнение можно рекомендовать для технологических расчетов. Из анализа этого уравнения следует, что чем выше давление в системе, тем меньше содержание аммиака в газовой фазе при одной и той же температуре-конденсации, т. е. при высоких давлениях значительно проще решаются вопросы выделения аммиака, чем при низких.

Для пятикомпонентной смеси N₂—Н₂—NН₃—СН₄—Аr содержание аммиака в газовой фазе при различных давлениях и температурах может быть вычислено по правилу аддитивности на основе данных для трех- и двухкомпонентных смесей [1].

(4.14)

где N_ABC, N_Ar, — содержание соответственно азотоводородной смеси, аргона и метана (в пересчете на газовую смесь без аммиака), мольн. доли; , , —содержание NН₃ в газовой фазе соответственно для трехкомпонентной и двухкомпонентных смесей, мольн. доли.

Для двухкомпонентных смесей Аr—NН₃ и СН₄—NН₃ содержание аммиака в газовой фазе и определяются по следующим полуэмпирическим уравнениям:

(4.15)

(4.16)

При помощи уравнений (4.13) — (4.16) вычислены концентрации аммиака в газовой фазе системы газ — жидкость для 5-компонентной смеси при давлениях 19,6; 24,5; 29,4 МПа, температурах конденсации (–20) —(+20) °С, содержание инертных газов до 20 % (при постоянном соотношении Аr:СН₄=1:3,55). Анализ этих данных показывает, что с увеличением содержания инертных газов в смеси концентрация аммиака в газе возрастает [1].

4.1.4. Кинетика синтеза аммиака

Синтез аммиака из азота и водорода протекает с заметной скоростью только в присутствии катализатора. Скорость синтеза аммиака на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина — Пыжева [1-3]

(4.17)

где w — наблюдаемая скорость реакции, равная разности скоростей образования и разложения аммиака; k₁ k₂ — константы скорости образования и раз­ложения аммиака (отношение k₁/k₂=K_Р, где K_Р — константа равновесия); Рн₂, P_N2, р_Nнз — парциальные давления водорода, азота и аммиака; a — постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<a<1.

Значение a характеризует степень покрытия поверхности катализатора азотом в условиях процесса синтеза аммиака. Для промышленных катализаторов в интервале температур 400—550 °С величина a может быть принята равной 0,5. Константу скорости процесса при a=0,5 для проточной системы при изотермических условиях рассчитывают по уравнению [1]

(4.18)

где k –постоянная при данной температуре величина, пропорциональная k₂; Р —давление в реакторе, МПа. Величина W₀ связана с объемной скоростью на входе W ₁ и объемной скоростью на выходе W₂ равенством

W₀ = W₁(1+z₁)= W₂(1+z₂) (4.19)

где г₁ и z₂ – концентрация аммиака на входе и выходе реактора, мольн. доли; L=z_р/(1–z_р)² (z_р— равновесная концентрация аммиака).

Для приближенных расчетов можно пользоваться формулой:

(4.20)

Зависимость kот температуры может быть выражена уравнением Аррениуса.

(4.21)

где k_I и k_II — константы скорости в уравнении Темкина для температур T_I и T_II, К; Е — энергия активации, кЖд/моль; R — газовая постоянная.

Значение энергии активации для промышленных катализаторов в интервале температур 400—500 °С при технологических расчетах принимают равным 167,5 кДж/моль. Значения k для температур 400—550 °С (по значению kдля температуры 400 °С) могут быть рассчитаны на основе коэффициентов g(Т) = ехр[–20000(1/T—1/673)] [1].

Зная значения k для данного катализатора при одних условиях, можно определить содержание аммиака при других заданных условиях (Р, W и T). При этом находят значение k для новых условий, а затем значение z, по точному или приближенному уравнению, графически или интерполяцией.

Bпромышленных условиях, особенно на крупных зернах катализатора, значительное влияние на скорость процесса оказывает диффузионное торможение, которое возрастает с повышением температуры и уменьшением содержания аммиака в газе на входе, увеличением активности катализатора. На рис. 4.1, а-в [1] приведена зависимость степени использования внутренней поверхности зерен катализатора типа СА-1 (h) от концентрации аммиака при различной температуре и давлении Р=29,4 МПа.

Рис. 4.1. Зависимость степени использования внутренней поверхности зерна катализатора от концентрации аммиака при различной температуре и давлении 29,4 МПа: а — для зерна 1—3 и 7—10 мм; б —для зерна 3—5 и 10—15 мм; в — для зерна 5—7 мм.

Степень использования поверхности для катализатора крупностью 6—10 мм при содержании в газе 12,7 % (об.) инертных примесей для исходных газовых смесей, в которых аммиак отсутствует, в зависимости от условий процесса, может быть рассчитана по следующему уравнению [1]:

(4.22)

где Т — температура, К; x — степень конверсии азота для исходной газовой смеси стехиометрического состава; b₀–b₆ — коэффициенты.

4.2. Характеристика сырья и готового продукта

4.2.2. Характеристика производимой продукции.

Продуктом производства является синтетический аммиак.

Химическая формула - NH₃.

Основные физико-химические свойства и константы.

Жидкий аммиак – бесцветная прозрачная жидкость, легколетучее вещество. Газообразный аммиак – бесцветный газ. Аммиак в жидком и газообразном состоянии обладает резким запахом.

Относительная молекулярная масса - 17,0304.

Мольный объем аммиака – 22,08 м³/(кг·моль) при 273,14 °К и 760 мм.рт.ст.

Температура кипения жидкого аммиака при атмосферном давлении – минус 33,4 °С.

Температура плавления – минус 77,7 °С.

Критическая температура – 132,4 °С.

Критическое давление – 11,32 МПа (111,66 кгс/см²).

Плотность газообразного аммиака при температуре 0 °С и давлении 0,1 МПа (760 мм.рт.ст.) - 0,771 кг/м³.

Плотность жидкого аммиака при температуре минус 33,35 °С и давлении 0,1 МПа – 681 кг/м³.

Массовая теплоемкость газообразного аммиака при температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа – 1,675×10³ Дж/кг°С.

Удельное объемное электрическое сопротивление (электропроводность) жидкого аммиака – 0,8×10⁵ Ом·м.

Температура самовоспламенения в воздухе 650 °С.

Пределы взрываемости сухой аммиачно-воздушной смеси при 20 °С и давлении 0,1 МПа:

- нижний - объемная доля NH₃ 15,0 %

- верхний - объемная доля NH₃ 28,0 %.

Аммиак хорошо растворяется в воде, образуя гидрат оксида аммония:

NH₃ + H₂O ó NH₄ОН + Q

При температуре 20 °С и давлении 0,1 МПа в 1 объеме воды растворяется 760 объемов аммиака.

При испарении жидкого аммиака в атмосферу, вылитого в поддон, температура его может понизится с минус 33,4 °С до минус 67 °С.

Свойства, характеризующие пожаро-взрывоопасность и токсичность, приводятся в разделе «Основные правила безопасной эксплуатации производства».

Выпускаемый аммиак жидкий технический должен соответствовать ГОСТу 6221-90.

Основные технические показатели ГОСТа 6221-90 сведены в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Наименование показателя	Норма для марок
	А	Ак	Б
1. Массовая доля аммиака	не менее 99,9 %	не менее 99,6 %	не менее 99,6 %
2. Массовая доля азота	-	не менее 82 %	не менее 82 %
3. Массовая доля воды (остаток после испарения)	-	0,2-0,4 %	0,2-0,4 %
4. Массовая доля воды (метод Фишера)	не более 0,1 %	-	-
5. Массовая концентрация масла	не более 2 мг/дм3	не более 2 мг/дм3	не более 8 мг/дм3
6. Массовая концентрация железа	не более 1 мг/дм3	не более 1 мг/дм3	не более 2 мг/дм3
7. Массовая доля общего хлора	-	не более 0,5 мг/кг	-
8. Массовая доля оксида углерода	-	30 10 мг/кг	-

Примечание. Допускается массовая доля воды в жидком аммиаке марки Ак, транспортируемом в цистернах, и марки Б менее 0,2 % и доведение ее до нормы 0,2-0,4 % на припортовых заводах.