Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза
им нарушается и производительность колонны падает. Например, по
лабораторным данным при объемной скорости 30 000 час"1, давлении 300 ат,
температуре 500° и при чистой азотоводородной смеси содержание аммиака в
газе после катализатора равнялось 18,6%. При тех же условиях, но при
содержании в смеси 10% метана содержание аммиака снизилось до 14,8%.
Примерно так же влияет и примесь аргона.
Инертные примеси частично растворяются в аммиаке; однако этого в
большинстве случаев недостаточно и необходимо также выпускать часть
циркулирующей смеси из цикла. При установившемся процессе количество
инертных примесей, которое выводится из цикла, равняется количеству
инертных газов, поступающему в цикл со свежим газом. Количество
азотоводородной смеси, которое должно быть выведено из цикла при
производстве 1 т аммиака (без учета растворения инертных газов в жидком
аммиаке), составляет:
Для удаления инертных газов иногда прибегают также к промыванию газа
растворителями.
Смена катализатора
Катализатор в результате реакции не изменяется химически, но
практически он “стареет” в процессе работы, активность его понижается и в
конце концов приходится его заменять. В большинстве технических процессов
на весовую единицу катализатора за срок его службы получаются тысячи
весовых единиц продукта.
Явление “старения” может быть объяснено действием ядов и изменением
поверхности катализатора. Так, например, восстановленное металлическое
железо является активным катализатором для реакции синтеза аммиака. Однако
по прошествии незначительного срока работы при 400 — 500° его активность
быстро падает. Это явление можно поставить в связь с изменениями,
наблюдаемыми рентгенографическими методами и показывающими, что в процессе
работы произошли оплавление поверхности и рост крупных кристаллов.
“Старение” катализатора неизбежно, но длительность службы его е большой
степени зависит от режима эксплуатации. Так, для катализатора с развитой
поверхностью очень вреден нагрев его выше определенной температуры,
приводящий обыкновенно к значительному понижению активности.
При хорошей очистке азотоводородной смеси и при соблюдении
технологического режима смена катализатора производится в зависимости от
системы синтеза через один-два года.
Материальный баланс
Исходные данные для расчёта представлены в таблице.
|Параметр |Значение |
|Производительность |250 т в сутки |
|Объемная скорость смеси в |25 000 нм3/м3*час |
|колонне | |
|Давление в синтез колонне |300 атм |
|Температура синтеза |500 С0 |
|Обьем катализатора в колонне |4,8 м3 |
|Содержания аммиака в газе на |16 % |
|выходе из колоны синтеза | |
|Содержания газов метана и аргона|0,2% |
|в свежем газе | |
|Содержания газов метана и аргона|2,5% |
|в циркуляционном газе при выходе| |
|с клоны синтеза | |
|Температура первичной |28 С0 |
|конденсации | |
|Температура вторичной |0 С0 |
|конденсации | |
1.Производительность агрегата в час
250000/24=10416 кг/час
Дальнейший расчет производим на часовую производительность
2.Полезная производительность 1м3 катализатора в час
10416/4,8=21,7 кг/час на 1м3 катализатора
3.При объемной скорости на входе 25000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора объемная
скорость на выходе составит около 22000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора . При
500 С0 и 300 ат содержание аммиака в газе в лабораторных условиях 22 %
4.Содержание аммиака в газе ,поступающем в колонну синтеза , определяется
условиями вторичной конденсации 0 С0 и давлении 280 ат концентрация
аммиака определяется по формуле Ларсона и Блека:
lg4 CNH3=4,1856+5,987879/(P)1/2-1099.544/T=
=4,1856+5,987879/(2802-1099.544/273,15=0.5
4 CNH3=3.16%
5. Эффективное давление в колонне находим по уравнению
Pэф = 300 * (1 – 0,025) * (1 – 0,0316) = 283 ат
6. При 300 ат. и 5000С равновесная концентрация аммиака 26,44%, а при 283
ат она равна 25%.
7. Поправочный коэффициент на снижение эффективного давления. – 25/26,44 =
0,946
8. Концентрация аммиака на выходе из колонны с учётом поправочного
коэффициента
CNH3=0,946 * 22 = 20,8%
9. Производительность 1 м3 катализатора. На каждый кубический метр
катализатора поступает W нм3/ч газовой смеси.
Формула для определения количества образовавшегося в колонне аммиака имеет
вид –
(6 СNH3-4СNH3-)*0.7710/100+1.03*6 СNH3кг NH3 на 1 нм3 поступающей газовой
смеси.
Отсюда рпи поступлении 4 W нм3/ч газовой смеси производительность
катализатора (в расчете на 1 м3) составит
(20,8—3,16)*25000*0,7710/100+1,03*20,8=2808 кг/ч
10.Для получения 10416 кг аммиака в колонну должно поступать газовой смеси
4v =10416(100+1,03*20,8)/(20,8-3,16)*0,7710=92736,3
нм3
11.Состав поступающей газовой смеси..По условию ,в газовой
смеси,поступающей в колонну синтеза ,содержится 2,5 % аргона и метана.
Допустим ,что
4 САr= 1.05 и 4 CCH4=1,45
Концентрация аммиака 3,16% .Тогда сумма водорода и азота будет
100-(1,05+1,45+3,16)=94,3%
Допускаем,что на входе в колонну соотношения водорода и азота соответствует
стехиометрическому, а с учетом нескольких больших потерь водорода по
сравнению с азотом -3,007:1.Таким образом; концентрация азота
4СN2= 94.3/3.007+1=23.7
Водорода
4СH2= 94,3-23,7=70,6
В поступающем газе содержится :
Аммиака 4 vNH3=4v*4 vNH3=92736,3*0,0316=2930,5 нм3,или 2256,5кг
Водорода 4 vH2=92736,3*0,706 =65472 нм3,или 5827 кг
Азота 4 vN2=92736,3*0,237=21978,4 нм3,или27473 кг
Аргона 4 vАr 92736,3*0,0105=973 нм3или 1733 кг
Метана 4 vСH4=92736,3*0,0145=1344,6 нм3,или 964 кг
Общая масса газов -38254 кг
12.Состав газовой смеси после колонны синтеза. По условию ,в колонне
синтеза образуется 10416 кг ,или 13527 нм3,тогда по реакции
x y 10416
N2 +3 H2 – 2NH3
28 32 2*17
X=28*10416/2*17=8577.9(кг)- количества азота или 6862 нм3 азота
У=10416*3*2/2*17=1839,1 (кг)- количества водорода или 20653 нм3водорода
В газовой смеси на выходе из колонны содержится
Аммиака------------2256,5+10416=12672,5 кг или 2930,5+13527=16457,5 нм3
Водорода------------5827-1838,1=3988,9 кг или 65472-20653=44919 нм3
Азота-----------------27473-8577,9=18895,1 кг или 21978,4-
6862=15116,4 нм3
Аргона -------------- 1733 кг или
973 нм3
Метана-------------- 964 кг или
1344,6 нм3
Общий объем газовой смеси—78710,5 нм3
13.Количество аммиака ,конденсирующегося в водяном холодильнике, и
количество растворенных в нем газов .В газовой смеси , при температуре 28
и давлении с учетом потерь 290 атм ,должно содержатся 7,66 NH3
Объем газов ,кроме NH3, 78710,5-16457,5=62253 нм3
Объем газообразного NY3 62253*7,66/100-7,66=476858/92,34=5164,15 нм3
Конденсируется 16457,5-5164,15=11293,35 нм3,или 8696 кг NH3
Общий объем несконденсировавшихся газов : 62253+5164,15=67417,15 нм3
Парциальные давления газов( в ат)
H2----------290*44819/67417,15=192,8
N2-----------290*15116,4/67417,15=65
Ar-----------290*973/67417,15=4,19
СH4---------290*1344,6/67417,15=5,79
При 280 С и найденных парциальных давления в 1000 кг жидкого NH3
растворяется 19,57 нм3 водорода, 6,35 нм3 азота ,0,65 нм3 аргона 1,72 нм3
метана.
Тогда в 8696 кг NH3, растворяется ;
Водорода ------8696*19,57/1000=170 нм3
Аргона-----8696*0,65/1000=5,65 нм3
Азота----------8696*6,35/1000=55,2 нм3
Метана------8696*1,72/100=15 нм3
Остается в газообразном виде ;
H2----------44819-170=44649 нм3
N2-----------15116,4-55,2=15061,2 нм3
Ar-----------973-5,65=967,36 нм3
СH4---------1344,6-15=1329,6 нм3
Общий объем газов -62007,15 нм3
Объем NH3 ,присутствующий в газообразном виде 62007,15*7,66/100-
7,66=5144 нм3 или 3961 кг
Конденсируется 16457,5-5144=11313,5 нм3 или 7603,5 NH3
Общий объем газов : 62007,15 +5144=67151,15 нм3
Парциальные давления газов (в ат):
H2----------290*44649/67151.15=192.9
N2-----------290*15061,2/67151,15=65
Ar-----------290*967,35/67151,15=4,17
СH4---------290*1329,6/67151,15=5,74
Таким образом, после водяного холодильника паро-жидкостная смесь имеет
следующий состав
|Компонент | жидкость | | газ | |
| | | нм |кг |нм |% по объему |
| |кг | | | | |
|Аммиак |7635 |11313,5 |3961 |5144 |7,66 |
|Водород |15,13 |170 |3974 |44649 |66,5 |
|Азот |69 |55,2 |18826,5 |150261,2 |22,4 |
|Аргон |9 |5,05 |1722 |967,35 |1,4 |
|Метан |11 |15 |953 |1329,6 |2,04 |
|Всего |8815,13 |11558,75 |29439,5 |67151,6 |100 |
14 Количество газов,растворенных в жидком аммиаке ,вторичной конденсации
.Принимаем ,что из 10416 -7635=1705 кг NH3,ко
| | скачать работу |
Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза |