Производство аммиака

 

Подставляют значения парциальных давлений компонентов в уравнение изотермы реакции и решают его относительно X

.

По условию конверсия составляет 0,8 равновесного значения. Следовательно, фактическое значение

.

Состав реакционной смеси после реактора приведен в таблице 34.

Таблица 34 Состав реакционной смеси после реактора

Компонент	Реакционная смесь
	кмоль	кг	мас. д.
	3,339-30,699=1,242	1,242=2,48	2,48/37,398=0,0663
	1,058-0,699=0,36	0,3628=10,08	10,08/37,398=0,2695
	0,067	0,06716=1,072	1,072/37,398=0,0287
	20,699=1,398	1,39817=23,766	23,766/37,398=0,6355
Итого	3,067	37,398	1,0

 

Находят величины потоков газа и товарного аммиака , выходящих из сепаратора. Газовый поток можно рассчитать исходя из 4 % содержания в нем несконденсировавшегося аммиака. Тогда на долю остальных компонентов (, и) приходится 96 %

=(1,24+0,36+0,067)/0,96=1,7364 кмоль,

в том числе несконденсировавшегося аммиака

1,7364 (1,24 + 0,36 + 0,067) = 0,0694 кмоль.

Поток товарного аммиака

=1,398−0,0694=1,3286 кмоль.

Газовый поток , выходящий из сепаратора, делится на два потока: рецикла и газов продувки . Количество газов продувки за один проход через реактор определяют исходя из предельно допустимого по условиям синтеза содержания метана в газовом рецикле (5 %). При этом предполагается, что весь метан (0,067 кмоль), вошедший в реактор со свежей порцией сырья, полностью выдувается (0,067 кмоль составляет в абгазе 5 %, весь абгаз принят за 100 %)

 кмоль.

Для того чтобы рассчитать массу газов продувки, необходимо знать состав газового потока, выходящего из сепаратора, который будет идентичен составу газов продувки и рецикла. Молярный состав газового потока приведен в таблице 35.

Таблица 35 – Молярный состав газового потока

Компонент	Кмоль	Масса, кг	Мол. д.
	1,24	1,242=2,48	1,24/1,7364=0,7141
	0,36	0,3628=10,08	0,36/1,7364=0,2073
	0,067	0,06716=1,072	0,067/1,7364=0,0386
	0,0694	0,069417=1,18	0,0694/1,7364=0,04
Итого	1,7364	14,81	1

 

Определяют массу газов продувки. Результаты приведены в таблице 36.

Таблица 36 – Масса газов продувки

Компонент	Мол. д.	Кмоль	Масса, кг
Водород	0,7141	0,71411,34=0,9569	0,95692=1,9138
Азот	0,2073	0,20731,34=0,2778	0,27782=0,5556
Метан	0,0386	0,03861,34=0,0517	0,051716=0,8272
Аммиак	0,04	0,041,34=0,0536	0,053617=0,9112
Итого	1,0	1,34	4,2078

 

Рассчитывают массу газового рецикла, для чего из газов сепаратора вычитают газы продувки (по каждому компоненту)

 

.

 

Результаты представлены в таблице 37.

Таблица 37 – Масса газового рецикла

Наименование компонента	Масса, кг
Водород	2,48-1,9138=0,5662
Азот	10,08-0,5556=9,5244
Метан	1,072-0,8272=0,2448
Аммиак	1,18-0,9112=0,2688
Итого	10,6042

 

Определяют массу твердого аммиака, получаемого при работе установки по прямой схеме (за один проход свежей порции сырья через реактор)

 кг.

Для расчета величины потоков сырья, рецикла, газов продувки и отводимого с установки продукта — товарного аммиака находят коэффициент рециркуляции . С этой целью определяют массовую долю рецикла в загрузке реактора (таблице 38).

Таблица 38 – Массовая доля рецикла в загрузке реактора

Наименование потока	Масса, кг	Мас. д.
Товарный аммиак	22,5862	22,5862/29,4266=0,7675
Газы продувки	4,2078	4,2078/29,4266=0,143
Газовый рецикл	10,6042	10,6042/29,4266=0,3604
Итого	37,3982	1,000

 

Рассчитывают коэффициент рециркуляции

.

Полная загрузка реактора при работе установки по циркуляционной схеме составит

.

Определяют массовое количество газового рецикла

.

Находят массовое количество газов продувки при работе установки с рециркуляцией непревращенного сырья

.

Рассчитывают выход аммиака при работе установки с рециркуляцией

%.

Тогда количество отводимого товарного аммиака составит

.

Составляют материальный баланс синтеза аммиака на 10 м³ исходной смеси (свежего сырья) при работе установки с рециркуляцией газового потока (таблице 39).

Таблица 39 – Материальный баланс синтеза аммиака на исходной смеси

 

Приход			Расход
компонент	кг/ч	м³/ч	компонент	кг/ч	м³/ч
Исходная смесь газов, в том числе:	37,374   6,678 29,624 1,072	100	Товарный аммиак	29,0208	30,11
Газы рециркуляции, в том числе:	21,0794   3,3769 15,8095 0,3373 1,6231		Газы продувки, в том числе:	8,3534   1,3299 6,2625 0,1369 0,6232	9
Итого	58,4534		Газы рециркуляции, в том числе:	21,0794   3,3769 15,8095 0,3373 1,6231
			Итого	58,4534

 

Для пересчета баланса на заданную производительность установки требуется найти коэффициент пересчета. Для этого находят часовую производительность установки

,

затем коэффициент для пересчета

.

Материальный баланс синтеза аммиака в окончательной форме представлен в таблице 40.

Таблица 40 – Материальный баланс синтеза аммиака в окончательной форме

Приход			Расход
компонент	кг/ч	м³/ч	компонент	кг/ч	м³/ч
Исходная смесь газов, в том числе:	3737,4   667,8 2962,4 107,2	10000	Товарный аммиак	2902,08	3011
Газы рециркуляции, в том числе:	2105,52   337,30 1579,14 33,69 162,12		Газы продувки, в том числе:	835,34   132,99 626,25 13,69 62,32	900
Итого	5842,92		Газы рециркуляции, в том числе:	2105,52   337,30 1579,14 33,69 162,12
			Итого	5842,85

 

Рассчитать технологические показатели процесса производства, т/т

− теоретические расходные коэффициенты:

по водороду

 

азоту           

 

− фактические расходные коэффициенты:

по водороду

;

азоту

.

Выход аммиака по сырью

%.

Теоретический выход определяют исходя из поданного на установку водорода

;

.

          2.4 Расчет теплового баланса колонны синтеза

         Для нахождения теплосодержания газа на входе в катализаторную коробку или, что тоже, на выходе из теплообменника составляют тепловой баланс катализаторной коробки колонны синтеза.

Количество теплоты, выделяемой в результате реакции синтеза аммиака

.

,

где 21,13 − количество аммиака, полученного в колонне синтеза, кмоль.

Теплота, уносимая газом из катализаторной коробки Q, кДж/моль, при температуре 500 °C рассчитывают по уравнению

 

,

 

где − молярное количество газа после колонны синтеза, равное 166,85 моль;

           − средняя удельная теплоемкость газа при температуре 500 °C, кДж/(мольград).

Состав газа и удельные теплоемкости компонентов приведены в таблице 41.

Таблица 41 – Состав газа и удельные теплоемкости компонентов

Наименование компонента	Мол. д.	Удельная теплоемкость, кДж/(мольград)
Аммиак	0,04	43,7
Метан	0,0091	48,2
Водород	0,7132	29,2
Азот	0,2377	29,8

 

.

.

Тепловые потери в верхней части колонны синтеза принимают равными 1 % от теплосодержания газа на выходе из катализаторной коробки

2508735,70,01=25087,3 кДж.

Количество теплоты, вносимое газом, входящим в катализаторную коробку , находим как разность между энтальпией уходящего газа плюс теплопотери и количеством тепла, выделившегося в результате реакции

.

Температура газа, входящего в катализаторную коробку t, °C, рассчитывают по формуле

 

,

 

где − массовое количество азотоводородной смеси на входе в колонну синтеза, равное 197,98 моль;

         − средняя теплоемкость азотоводородной смеси, кДж/(кмольград)

Состав азотоводородной смеси приведен в табл. 42

Наименование компонента	Об. д., %	Кмоль
Водород	71,32	133,84
Азот	23,77	44,61
Аммиак	4,0	4,94
Метан	0,91	4,59
Всего	100

 

Из практики известно, что при температуре катализатора 500 °C ,температура газовой смеси на входе в катализаторную коробку составляет 300- 350 °C . Среднюю теплоемкость газа , рассчитывают для температуры 300 °C .

.

Температура газа на входе в катализаторную коробку или, что тоже, на входе из теплообменника