Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
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 + Qxp = Q1 + Qто+ Qп,
где Q0 – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;
Qхр – тепло химической реакции;
Q1 – физическое тепло, уносимое газовой смесью;
Qто – тепло, отводимое в слое катализатора;
Qп – 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
Qп = (91280+153644)×0,005= 1225 МДж/ч.
Отводимое в тепло
Qто = 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 + Qxp = Q1 + Qп,
где Q0 – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;
Qхр – тепло химической реакции;
Q1 – физическое тепло, уносимое газовой смесью;
Qп – 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
Qп = (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 + Qб = Q2
где Qб – тепло, вносимое байпасом;
Q2 – тепло приходящее на 2-ую полку.
Тепло, приходящее с байпасом, можно представить как
.
Qб = (0,6991×1,290 + 0,2095×1,321 + 0,0154×1,743 + 0,0969×1,865)×130/1000×Vб = 0,180×Vб
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×Vб =
= 247230 + 0,699×Vб
Таким образом, получаем уравнение
354032 + 0,180×Vб = 247230 + 0,699×Vб
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 + Qк = Q2 + Q3 +Qт/о
где Q1 – теплота вносимая с газовой смесью при температуре 40 °С;
Qк – 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;
Qт/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:
Qк = (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:
Qт/о = 29475 + 49170 – 0 – 15341 = 63304 МДж/ч.
Удельная теплота испарения аммиака 1371 кДж/кг. Тогда расход аммиака на охлаждение составит
Мам = 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
Кр = 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;
vm – 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 vm = 22,4 нм3/кмоль.
Тогда энергозатраты на компримирование составят
кВт.
Производительность по аммиаку составляет
т/с.
Тогда удельная работа на компримирование АВС составит
Дата публикования: 2014-11-04; Прочитано: 350 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!