Разработка технологии получения аммиака

1. составить материальный баланс производства аммиака;
2. определить массу газов рецикла, газов продувки и полную загрузку реактора;
3. рассчитать фактические и теоретические расходные коэффициенты по сырью, выход аммиака по сырью при работе установки с рециркуляцией.

 

 

 

 

Исходные данные

Производительность установки  по аммиаку, т/год……………….25000

Число рабочих дней в  году……………………………………………340

Состав исходной смеси  реагентов, % об:

      Водород…………………………………………………………….74,6

      Азот…………………………………………………………………24,9

      Метан…………………………………………………………...……0,5

Условия синтеза:

     Температура,  ° С ……………………………………………………527

      Давление, атм.………………………………………………………800

Содержание аммиака  в газах рецикла, % об…………………………….4

Содержание метана в  газах продувки, % об…………………………….5

Степень достижения равновесия ……………………………………0,8 α_р

 

Реакция синтеза  N₂ +3H₂ → 2NH₃.

Краткое описание синтеза

Свежая азотоводородная  смесь и газы рециркуляции поступают  в колонну синтеза. Реакционная  смесь, содержащая продукт реакции  и непревращенный азот и водород, а также метан в качестве примеси  сырья, проходит через холодильник  и сепаратор, в котором она  разделяется на два потока: жидкий аммиак, отводимый в установки в качестве товарного продукта, и непревращенное сырье. Последнее делиться также на два потока: рецикла и газов продувки. Продувку, т.е. сброс части рециркулируемой азотоводородной смеси, осуществляют во избежание накопления в рецикле примесей метана.

 

 

 

 

 

 

Расчет баланса

 

1. Составим схему материальных потоков баланса:

 

 

2. Определим состав реакционной смеси, решив уравнение изотермы реакции синтеза для константы равновесия R

 

К_p = / .

 

 

Найдем значение К_р, температурная зависимость которого описывается уравнением

 

lgК_р = + 2,4943 lg T + 1,8844T 10^-3 - 0,18564T² • 10^-6 - 3,766.

 

Определим значение К_p для температуры синтеза Т= 527 + 273 = 800 К:

 

lgК_р = + 2,4943 lg 800 + 1,8844  80010^-3 - 0,18564 800²  10^-6 -3,766,

откуда К_р= 186,2.

 

4. Найдем равновесный и фактический составы равновесной смеси на основании стехиометрии реакции и значения К_p (таблица 3). Расчет произведем для 100 м³ исходной азотоводородной смеси. Примем, что количество превращенного к моменту равновесия N₂ составит X кмолей.

 

 

 

 

 

Таблица 3 - Равновесный и фактический составы равновесной смеси на основании стехиометрии реакции и значения К_p

 

Компонент	Исходная смесь			Равновесная смесь
	м3	кмоль	кг	кмоль	Рi
Н2	74,6	174,6:22,4 =3,333	3,333-2 = 6,666	3.333 - 3 X	Р
N2,	24,9	24,9:22,4= 1,111	1,111-28 = 31,108	1,111 -X	Р
CH4	0,5	0,5:22,4 = 0,022	0,022- 16 = 0,352	0,022	-
NH3	0	0	0	2Х	Р
Итого		4,466	go = 38,126	4,466 -2X	Р

 

5. Подставим значения парциальных давлений Р_i, компонентов в уравнение изотермы реакции и решим его относительно X:

 

  Х_р= 0,676.

 

По условию  конверсия N₂ составляет 0,8 равновесного значения. Следовательно, фактическое значение Х_ф = 0,8-0,676= 0,541 кмоль.

6. Определим состав реакционной смеси после реактора (таблица 4).

7.Найдем величины потоков газа G_r и товарного аммиака G_NH3 ,выходящих из сепаратора. Газовый поток можно рассчитать исходя из 4%-ного содержания в нем несконденсировавшегося аммиака. Тогда, на долю остальных компонентов (Н₂, СН₄ и N₂) приходится 96 %:

С_r=(1,71+0,57+0,022)/0,96=2,3979кмоль,в том числе несконденсировавшегося аммиака 2,3979-(1,71+0,57+0,022) = 0,0959 кмоль.

Поток товарного  аммиака G_NH3 =1,082-0,0959 = 0,9861 кмоль.

8. Газовый поток G_r, выходящий из сепаратора, делится на два потока: рецикла G_R и газов продувки G_пр. Количество газов продувки за один проход через реактор определяем исходя из предельно допустимого по условиям синтеза содержания метана в газовом рецикле (5 %).

 

При этом предполагается, что весь метан (0,022 кмоль), вошедший в реактор со свежей порцией сырья, полностью выдувается (0,022 кмоль  составляет в абгазе 5 %, весь абгаз  принят за 100 % ) :

G_пр = 0,022/0,05 = 0,44 кмоль.

Таблица 4 - Состав реакционной  смеси после реактора

 

Компонент	Реакционная смесь α N2 =0,8αр,
	кмоль	кг	массовые доли
Н2	3,333-3∙0,541 = 1,71	1,71∙2 = 3,42	3,42/38,126 = 0,0897
N2	1,111 - 0,541 =0,57	0,57∙28=15,96	15,96/38,126 = 0,4186
СH4	0,022	0,022∙ 16 = 0,352	0,352/38,126=0,0093
NH3	2 ∙0,541 =1,082	1,082∙17=18,394	18,394/38,126 = 0,4824
Итого	3,384	38,126	1,0

 

 

9. 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 дан в таблица 5.

 

Таблица 5 - Молярный состав газового потока

 

Компонент	Кмоль	Масса, кг	Моль доли
Н2	1,71	1,71∙2 = 3.42 .	1,71/2,3979 = 0,7132
N2	0,57	0,57∙28=15,96	0,57/2,3979 = 0,23771
CH4,	0,022	0,022∙16 = 0,35	0,022/2,3979 = 0,0091
NH3	0,0959	0,0959∙17=1,63	0,0959/2,3979 = 0,04
Итого	2,3979	21,36	1,0

 

 

 

 

10. Определим массу газов продувки. Результаты приведены в таблице 6.

 

Таблица 6- Массу газов продувки

 

Компонент	Моль доли	Кмоль	Масса, кг
Н2	0,7132	0,7132∙0,44 = 0,3138	0,3138∙2=0,6276
N2	0,2377	0,2377∙0,44 = 0,1046	0,1046∙2 = 2,9288
CH4,	0,0091	0,0091∙0,44 = 0,0040	0,0040∙16 = 0,064
NH3	0,04	0,04 ∙0,44 = 0,0176	0,0176∙17 = 0,2992
Итого	1,0	0,44	3,9196

 

11. Рассчитаем массу газового рецикла, для чего из газов сепаратора вычтем газы продувки (по каждому компоненту): G_r - G_пр. Результаты приведены в таблица 7.

     Таблица 7  - Массу газового рецикла

 

Компонент	Масса, кг
Н2	3,42-0,6276 = 2,7924
N2	15,96-2,9288= 13,0312
CH4,	0,352-0,064 = 0,288
NH3	1,63-0,2922 = 1,3308
Итого	17,4424

 

 

12. Определим массу товарного аммиака, получаемого при работе установки по прямой схеме (за один проход свежей порции сырья через реактор): G_NH3 = 0,9861 х 17= 16,7637 кг.

13. Для расчета величины потоков сырья, рецикла, газов продувки и отводимого с установки продукта - товарного аммиака – найдем коэффициент рециркуляции К_R. С этой целью определим массовую долю рецикла в загрузке реактора (таблица 8).

 

 

 

 

 

Таблица 8 - Массовую долю рецикла в загрузке реактора

 

Наименование потока	Масса, кг	Массовая доля
Товарный аммиак	16,7637	16,7637/38,126 =04,397
Газы продувки	3,9196	3,9196/38,126 = 0,1026
Газовый рецикл	17,4424	17,4424/38,126 =0,4577
Итого	38,126	1,00

 

14. Рассчитаем коэффициент рециркуляции:

K_R=

15. Полная загрузка реактора при работе установки по циркуляционной

схеме составит:

G_п = K_RG₀ = 1,845 ∙ 38,126 = 70,3425 кг.

 

16. Определим количество газового рецикла:

= 70,3425 - 38,126 = 32,2165 кг.

17. Найдем количество газов продувки при работе установки с

рециркуляцией непреврашенного сырья:

=0,1026 ∙1,845∙38,126= 7,2058 кг.

       

  18. Рассчитаем выход аммиака при работе установки с рециркуляцией:

=43,97%. 1,845= 81.1%.

Тогда количество отводимого товарного аммиака составит:

=0,811 ∙ 38,126 = 30,9202 кг.

   19. Составим материальный баланс синтеза аммиака на 100 м³

исходной смеси (свежего сырья) при работе установки с рециркуляцией

газового потока (таблица 9).

 

 

 

 

Таблица 9 - Материальный баланс синтеза аммиака на 100 м³  исходной

                    смеси

Приход				Расход
Компонент	кг/ч	т/сут	т/год	Компонент	кг/ч	т/сут	т/год
1. Исходная смесь, в  т.ч.:	38,126	0,92	312,8	1.  Товарный              аммиак	30,9202	0,74	252,3
водород	6,666	0,16	54,4	2.   Газы продувки, в т.ч.:	7,2058	0,17	58,8
азот	31,108	0,75	255	водород	1,1474	0,03	9,36
метан	0,352	0,008	2,72	азот	5,4026	0,13	44,1
				метан	0,118	0,003	0,96
				аммиак	0,5378	0,013	4,39
Итого:	38,126	0,92	312,8	Итого:	38,126	0,92	311,1

 

  20. Для пересчета баланса на заданную производительность установки

требуется найти  коэффициент пересчета. Для этого  находим

часовую производительность установки: (25000 ∙ 10³)/(340 ∙ 24) =

= 3063,7 кг/ч, затем коэффициент для пересчета: 3063,7/30,9202 =

= 99

Все статьи баланса  табл. 29 умножим на 99 и получим  баланс в

окончательной форме (таблица 10).

Таблица 10- Материальный баланс синтеза аммиака

 

21. Рассчитаем технологические показатели процесса производства, т/т:

     - теоретические расходные коэффициенты:

по водороду - = 6/34 = 0,17,

по азоту - = 28/34 = 0,82;