Решение задачи 7.24 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

Решение задачи 7.24 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова

7.24. Определить требуемую поверхность и расход воды в де­флегматоре ректификационной колонны для разделения бензоль-но-толуольной смеси при следующих условиях; количество верх­него продукта 6СО кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45°С; коэффициент тепло­передачи 700 Вт/(м²-К). Считать верхний продукт за чистый бен­зол. Давление в колонне атмосферное.

Купить эту задачу за 300 рублей онлайн

Прошу обратить внимание, что при покупке решений задач по ПАХТ на сайте 

Вам в почту приходит не сам файл решения, а ссылка на файл решения, который нужно скачать по этой ссылке СНАЧАЛА НА ЖЕСТКИЙ ДИСК своего компьютера.

Открывать и просматривать решения задач нужно с жесткого диска своего компьютера.

Файл решения приходит к Вам в трёх вариантах:

1 - ссылка - это формат ПДФ.

2 - ссылка - это архив, который нужно распаковать и уже там будет решение в ворде.

3 - ссылка - это архив, который нужно распаковать и уже там будет решение в ПДФ.

Если у Вас нет опыта оплаты и получения заказа через платежную систему «Робокасса», то Вы можете посмотреть видеролик на этой странице, где эта процедура подробно рассмотрена.

Если у Вас возникли вопросы и что-то не получается

Вы всегда можете задать вопрос через форму обратной связи задать вопрос

Целью дипломного проекта является определение эффективности реконструкции отделения синтеза аммиака на ОАО «Азот».
Реконструкция состоит в замене существующей 4-ех полочной насадки аксиального типа колонны синтеза на более эффективную 3-ех полочную насадку аксиально-радиального типа с промежуточным теплообменником между первой и второй верхними полками.
За счет радиального хода газовой смеси через катализатор удается значительно снизить сопротивление катализатора, что позволяет применять более мелкозернистый катализатор с размером гранул 1,5-3 мм. Благодаря этому увеличивается поверхность контакта фаз, а следовательно и степень превращения азотоводородной смеси в аммиак. Значит, снижается объем циркуляционного газа. Из этого следует, что снижается необходимая работа на компремирование природного газа и расход природного газа на получение пара, необходимого для подогрева турбин компрессора.
В дипломном проекте выполнен термодинамический и кинетический анализы, которые позволили определить оптимальные параметры процесса, при которых возможен максимальный выход продукта с минимальными затратами сырья и энергии.
Также в дипломном проекте выполнены расчеты материального и теплового балансов по колонне синтеза на часовую производительность.
Отделение синтеза аммиака автоматизировано. В дипломном проекте описана технологическая схема с элементами автоматического регулирования.
В разделе «Охрана окружающей среды» представлены характеристика отходов в производстве аммиака и методы их утилизации.
В разделе «Охрана труда» описаны мероприятия по технике безопасности, дана характеристика вредных веществ, применяемых в производстве аммиака и выполнен расчет молниезащиты.
В строительной части дана характеристика района строительства производства аммиака, выполнена компоновка оборудования и описание генплана.
Экономические расчеты подтверждают целесообразность реконструкции, так как снижается расходный коэффициент по сырью, снижается себестоимость продукции.
Решение задачи 7.24 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова
Определить требуемую поверхность и расход воды в де¬флегматоре ректификационной колонны для разделения бензоль-но-толуольной смеси при следующих условиях; количество верх¬него продукта 6СО кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45°С; коэффициент тепло¬передачи 700 Вт/(м2-К). Считать верхний продукт за чистый бен¬зол. Давление в колонне атмосферное.

1. Введение.
Одной из важнейших отраслей химической промышленности является производство связанного азота. К основным продуктам азотной промышленности относятся аммиак и азотная кислота, имеющая весьма широкое и разнообразное применение.
Аммиак выпускается как в виде жидкого 100%-ого NH3, так и
в виде аммиачной воды (водные растворы аммиака). Оба эти
продукта применяются в промышленности, а также сельском
хозяйстве (в качестве жидких азотных удобрений). При
взаимодействии аммиака с двуокисью углерода получается
карбамид (мочевина), являющийся высококонцентрированным
удобрением и употребляемый также в качестве эффективной
добавки к кормам жвачных животных. Значительное количество
карбамида используется в производстве полимеров для
пластических масс, синтетических клеев и др. Азотная кислота тоже
находит весьма широкое применение. Для производства азотных
удобрений, являющихся солями азотной кислоты (аммиачная,
кальциевая, калиевая, натриевая селитры) применяется
преимущественно разбавленная азотная кислота. При получении
нитратов ее нейтрализуют аммиаком или другими щелочами (сода,
известь, NaOH и др.). Для нитрования различных органических
веществ применяется главным образом концентрированная HNO3 с
добавкой небольшого количества серной кислоты. При нитровании
бензола, антрацена, нафталина получают соответственно
нитробензол, нитроантрацен, нитронафталин, являющиеся
полупродуктами в синтезах красителей и других важных веществ в
результате нитрования толуола, уротропина и др. органических
продуктов получают взрывчатые вещества, находящие применение в
оборонной промышленности и в горной технике. Окислы азота и

концентрированная кислота применяются также в качестве компонента ракетного топлива. Азотные удобрения имеют очень важное значение в сельском хозяйстве. Все растения извлекают из почвы соединения азота, относящиеся к основным питательным веществам для растений. Количество азота, уносимого из почвы некоторыми растениями, приведено ниже:

Решение задачи 7.24 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова
Определить требуемую поверхность и расход воды в де¬флегматоре ректификационной колонны для разделения бензоль-но-толуольной смеси при следующих условиях; количество верх¬него продукта 6СО кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45°С; коэффициент тепло¬передачи 700 Вт/(м2-К). Считать верхний продукт за чистый бен¬зол. Давление в колонне атмосферное.


2. Анализ технологий, известных в промышленности, в научно-технической и патентной литературе.
Аммиак был известен древним алхимикам с времен Гебера. (VIII век н.э.), однако широкого применения не находил. Только в первой половине девятнадцатого века начинают использовать аммиак, получаемый в качестве побочного продукта на газовых заводах, а во второй половине 19 века - в некоторых коксо-химических производствах.
Сразу же после установления К.Бертолле состава аммиака (1784 год) были сделаны первые попытки синтеза его из элементов. Однако только в 1901 году Ле Шателье впервые применил высокое давление, повышенную температуру и катализатор. В.Н.Ипатьев в 1904 году предложил аппарат для проведения каталитических реакций под высоким давлением -прототип колонны синтеза. В сентябре 1913 г. благодаря работам Ф.Габера, К.Боша и др. в Германии был пущен первый завод синтетического аммиака. Производство его в Германии в период первой мировой войны было значительно расширено. В 20-е годы оно начинает быстро развиваться и в других странах.
В нашей стране в 1918-1919 годах академик В.Н.Ипатьев с сотрудниками провел эксперименты по получению синтетического аммиака в аппарате отечественной конструкции на различных катализаторах. В феврале 1919 года на смешанном молибдено-вольфрамовом катализаторе с примесью оксида аллюминия под давлением 7,5 МПа ими был достигнут выход аммиака 6,55%.

В конце 1925 г. на Чернореченском химическом заводе им. М И.Калинина с помощью итальянской фирмы Казале было начато строительство первого завода синтетического аммиака. 9 февраля 1928 г. впервые был получен в промышленном масштабе отечественный синтетический аммиак. Первая очередь установки синтеза аммиака состояла из трех колонн внутренним диаметром 400 мм., работающих под давлением 74 МПа; Производительность каждого агрегата - 8тонн жидкого аммиака в сутки. Для получения водорода был применен железо-паровой способ. Этот способ разработан Лавуазье в 1783 г. Данный метод основан на попеременном окислении закиси железа FeO парами воды до закиси-окиси железа Fe3O4 и восстановлении последней водяным газом снова до FeO. Кроме того, что данный метод является громоздким, он был также малопроизводительным и связан с огромными затратами тепла. Азот получали разделением воздуха.
В 1895 г., основываясь на эффекте Джоуля-Томсона охлаждение реальных газов при адиабатическом (изоэнтальпном) расширении, Линде разработал исключительно простой метод сжижения газов. В 1902 г. Ж.Клод предложил метод производства жидких газов, в том числе жидкого воздуха, путем изоэнтропного расширения сжатых газов (расширение с отдачей внешней работы). Этому открытию предшествовали кропотливые исследования Кальете, Пикте, Витковского и многих других ученых. В след за тем Линде создал конструкцию ректификационной колонны двойного действия, позволяющую достигать почти 100 процентного выходы чистых азота и кислорода. Если до этого времени азот получали из воздуха дорогостоящим способом, связывая кислород медью при высоких

температурах, то по завершении замечательных работ Линде и Клода стало возможным промышленное получение дешевых азота и кислорода.
В 1932 году вступил в строй Березниковский завод
синтетического аммиака мощностью по аммиаку 30 000 тонн в
год, а в 1933 году - Новомосковский азотно-туковый завод. Они
были оборудованы колоннами синтеза внутренним диаметром
корпуса 700 мм., работающими под давлением 30 МПа, их
проектная производительность составляла 25 тонн в сутки. Для
производства азото-водородной смеси был принят широко
распространенный в то время в азотной промышленности метод
каталитической конверсии полуводяного газа с водяным паром;
предусматривалась очистка газ от диоксида углерода - отмывка
водой в скрубберах под давлением 1,6 МПа и от оксида углерода
- абсорбцией водными растворами комплексных
медноаммиачных солей под давлением 12 МПа. В 1933 году и
1938 году были введены в строй Горловский,
Днепродзержинский и Кемеровский заводы, где разделение
коксового газа проводили методом глубокого охлаждения (до
200 °С), а в 1940 г. - Чирчикский электро-химический комбинат,
где водород получали при электролизе воды.
Таким образом, накануне второй мировой войны Россия имела семь азотных заводов суммарной мощность 400 000 тонн синтетического аммиака в год. В 1940 году выработка аммиака на этих заводах составила 338 000 тонн, что позволило нашей стране занять третье место в мире поле Германии и Японии. Азотная промышленность сыграла значительную роль в годы Великой Отечественной войны, так как многие взрывчатые вещества являются продуктами нитрования различных

химических веществ азотной кислотой, получаемой из синтетического аммиака.
Еще в довоенный период В.А.Каржавиным и другими были проведены исследования по конверсии метана природных газов. Начиная с 50-х годов основным сырьем для производства аммиака стали углеводородные газы (природный, попутный, коксовый и нефтяные), конверсией которых теперь получают огромные количества дешевого водорода. Для производства водорода использовали также мазуты и нефтяные дистилляты. В 1956 г. был пущен первый на базе конверсии метана коксового газа Руставский азотно-туковый завод, а с 1958 г. начат перевод все азотной промышленности страны на природный газ.
Таким образом, азотная промышленность базируется на переработке главным образом углеводородного сырья, что иллюстрируется, например, данными таблицы 2.1.
Использование природного и попутного газа, а также продуктов переработки нефти позволило отказаться от менее эффективных видов сырья - кокса и каменного угля.
Колонны синтеза аммиака являются наиболее сложным оборудованием аммиачных систем. Конструкция колонны и материалы, из которых она изготовлена, должны обладать высокой прочностью, обеспечивать длительную безопасную работу при высоких давлениях и температурах и предотвращать обезуглероживающее действие водорода на стальной корпус. Важным требованием к конструкции колонны является ее высокая производительность, в связи с этим в колонну стремятся загрузить максимальное количество катализатора.
В современных установках синтеза аммиака большой производительности целесообразно удлинять высоту колонн, а внутренний их диаметр сохранять в пределах 1 - 2,13 метров. Увеличение диаметра колонны при высоких давлениях связанно с утолщением стенок ее корпуса.
Решение задачи 7.24 по ПАХТ из задачника Павлова Романкова Носкова
Определить требуемую поверхность и расход воды в де¬флегматоре ректификационной колонны для разделения бензоль-но-толуольной смеси при следующих условиях; количество верх¬него продукта 6СО кг/ч; число флегмы 3,75; начальная и конечная температуры охлаждающей воды 20 и 45°С; коэффициент тепло¬передачи 700 Вт/(м2-К). Считать верхний продукт за чистый бен¬зол. Давление в колонне атмосферное.

Для обеспечения оптимального температурного режима зоны катализа в катализаторной коробке размещают прямоточные или двойные противоточные теплообменные трубки или комбинированные насадки из трубок обоих типов. Путем отвода реакционного тепла через стенки трубок в катализаторной коробке можно поддерживать оптимальный температурный режим. В нижней части колонны устанавливают теплообменник (или применяют выносной теплообменник), в котором поступающие в колонну газы подогреваются газом, выходящим из зоны катализатора. В современных колоннах толстостенные элементы (корпус и крышки), работающие под высоким давлением, не подвергаются действию высокой температуры,

благодаря тому, что поток поступающего холодного газа направляется вдоль внутренних стенок колонны (холодный байпас).
Ниже приведено описание конструкций колонн синтеза аммиака, применяемых за рубежом и в нашей стране.
Колонна ГИАП-ДАТЗ. Выполнена из цилиндрической поковки (хромникелевая сталь) высота колонны 14 метров, внутренний диаметр 0,85 метров, толщина стенок 100 мм.
Конструктивной особенность насадки данной колонны является наличие в зоне катализа двух теплообменников; Один из них состоит из простых одинарных противоточных трубок, другой - из трубок Фильда. Катализаторная коробка расположена в верхней части колонны и представляет собой цилиндр ( высота 8,37 метров, диаметр 0,68 метров), в котором размещены трубные решетки. Через них проходит 208 противоточных трубки. На внешней поверхности катализаторной коробки расположен электроподогреватель. Предварительный теплообменник состоит из стального корпуса с двумя трубными решетками, в которые встроены 982 вертикальные трубки ( длиной 2,51 метров)
Благодаря применению двух холодных байпасов в данной колонне обеспечивается равномерный нагрев катализатора, что позволяет считать описанную насадку хорошей. Она лишена недостатков насадок колонн с одинарными противоточными теплоотводящими трубками, где катализатор перегревается в верхней зоне катализаторной коробки и переохлаждается в ее нижней зоне, в особенности при работе на малых объемных скоростях.

Колонны конструкции Г.Б.Симонова, И.П.Сидорова и других, рассчитанная на одновременное получение пара в выносном котле-утилизаторе.
Колонна состоит из цилиндрического кованого корпуса (высота - 14 метров, внутренний диаметр - 0,85 метров); в нем расположены катализаторная коробка и два теплообменника -верхний и нижний.
Верхний теплообменник выполнен в виде стального корпуса с двумя трубными решетками, в которые встроены 1038 вертикальных трубок длиной 1,3 метров. Нижний теплообменник состоит из стального корпуса с двумя трубными решетками; в них встроены 1032 трубки со стержнями, улучшающими теплообмен.
В катализаторной коробке находятся 88 теплообменных трубок для отвода тепла реакции из зоны катализа и 26 трубок холодного байпаса. В центре катализаторной коробки расположены труба с электроподогревателем. Межтрубное пространство над решеткой коробки заполнены катализатором (количество катализатора 1,4 м3., высота слоя - 6 метров).
Колонна соединена с выносным паровым котлом (разработанным С.С.Лачиновым, Б.Г. Овчаренко) двойной соосной трубой ( высота котла 2,62 м. , внутренний диаметр 1,2 м.). Внутри котла расположены в четыре ряда восемь змеевиков из стали; поверхность теплообмена змеевиков 24 м2. В паровом котле температура газа понижается с 380 до 260°С; по наружному кольцевому пространству двойной трубы газ возвращается в межтрубное пространство нижнего предварительного теплообменника и затем уходит из колонны в конденсатор.

11
На 1 тонну аммиака в котле образуется 0,7 тонн пара давлением 12 атм.
Благодаря сравнительно невысокой температуре наружной трубы, соединяющей котел с колонной синтеза, обеспечивается большая безопасность работы агрегата, чем в случае соединения парового котла с колонной отдельными трубами.
Колонна фирмы «Келлог» имеет высоту 16 метров, внутренний диаметр 1,2 м. Катализатор (объем 5 м3.) расположен на десяти полках колонна работает под давлением 350 атм. Как любой полочной колонне, ей присущи все недостатки колонны такого типа. Производительность 1 м3. катализатора 30 т/сут. аммиака.
Колонна фирмы «Клод» небольших размеров (высота -7м, диаметр - 1,2 метров) работает под давлением 1000 атм. Концентрация аммиака в газе на выходе из колонны составляет 22-24%, производительность колонны всего 120-150 т/сут. аммиака. Синтез осуществляется при значительном количестве инертных примесей в газе. В колонну загружено 0,5 м3 катализатора.
Колонна фирмы «Найтрожен» высотой 13,5 м., диаметром 1,65 м. Объем катализатора в колонне 5 м3, давление 330 атм. Это -обычная колонна с противоточными трубками и нижним теплообменником. Она работает при малой объемной скорости и относительно небольшом съеме аммиака - 30 т/сут. с 1 м3 катализатора.
В полочных насадках катализаторная масса разделяется по высоте колонны на несколько слоев (полок), через которые последовательно проходит газ. Основной газ, поступающий на катализатор первой полки, нагревается до температуры начала
реакции в предварительном теплообменнике. Между полками подается холодный газ (через байпасы), что позволяет осуществлять многовариантные регулирование режима в зоне катализа.
Катализаторная коробка представляет собой цилиндр высотой 8,65 м. С центральной трубой, в которой размещен электроподогреватель. Под каждой полкой коробки имеется устройство для смешения основного потока газа с холодным байпасным газом. Количество катализатора увеличивается от верхней к нижней полки для исключения перегрева катализатора.
Некоторое снижение производительности полочной колонны обусловлено пикообразным характером изменения температуры на каждой полке, и тем, что не все количество газа проходит через слой катализатора. Кроме того, добавление холодного байпасного газа на каждую полку колонны, приводит к несколько большему отравлению всех слоев катализатора.
В полочной колонне усовершенствованной конструкции между первой и второй полками с катализатором размещен дополнительный теплообменник, работающий с большим перепадом температур. По этому в колонне обеспечивается более высокая температура газа на входе в зону катализа, что позволяет уменьшить поверхность нижнего теплообменника.
По характеру движения газа в слое катализатора относительно центральной оси колонны полочные насадки разделяются на аксиальные (с продольным течением газа по высоте колонны) и радиальные (с поперечным течение газа).
Четырехполочная колонна с предварительным
теплообменником нашла распространение в агрегатах
мощностью 1360 т/сут. Основной поток газа поступает в колонну
снизу, проходит по кольцевой щели между корпусом колонны и
кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство
теплообменника. Здесь синтез-газ нагревается теплом
конвертированного газа, выходящего из катализаторной коробки
до 410-440°С им затем последовательно проходи четыре полки
катализатора, между которыми подается холодный байпасный
газ. Пройдя четвертый слой катализатора, азотоводородная смесь
при 500-515 °С поднимается по центральной трубе, проходит по
трубками теплообменника, охлаждаясь при этом до 320-350°С, и
выходит из колонны. При пуске колонны катализатор
разогревают при помощи выносного газового подогревателя.
Техническая характеристика четырехполочной колонны синтеза
аммиака агрегата мощностью 1360т/сут приведена ниже:
Полочные насадки получили наибольшее распространение в
крупнотоннажных агрегатах из-за простоты конструктивного
оформления и высокой надежности. Основным недостатком
колонн с полочной насадкой является разбавление
прореагировавшего газа холодным байпасным газом с низким(3-
4%) содержанием аммиака, что снижает эффективность работы
насадки. В связи с этим степень превращения азото-водородной
смеси в аммиак в таких колоннах невысока (д % NHs^lO-
12%).Кроме того, аксиальные полочные насадки обладают
сравнительно высоким гидравлическим сопротивлением. Вследствие этого применяют крупнозернистый катализатор, что, в свою очередь снижает производительность колонн синтеза.
В колоннах радиальное движение газа применяется для обеспечения более высокой производительности систем синтеза аммиака. В мире работает около 100 таких реакторов, мощность от 100 до 1500 т/сут. Радиальный ход газа обеспечивает пониженное гидравлическое сопротивление слоя катализатора, что позволяет использовать более эффективный мелкозернистый катализатор.
Основной поток газа, входя в колонну, движется по концентрической щели между насадкой и корпусом, охлаждая последний. Далее газ проходит межтрубное пространство теплообменника, затем центральную трубу и поступает в верхний слой катализатора. По выходе из верхнего слоя катализатора температура газа снижается в следствие его смешения с холодным газом. Далее газ проходит нижний слой катализатора в направлении от периферии к центру и поступает в трубки теплообменника, где отдает свое тепло газу, движущемуся в межтрубном пространстве.
Равномерное распределение газа по высоте катализаторного
слоя обеспечивают следующими мерами: установкой
распределительной решетки с более высоким сопротивлением,
чем сопротивление слоя или решетки с переменным по высоте
сопротивлением; изменением поперечного сечения щелей,
подводящих и отводящих газ; изменением фракционного состава
зерен катализатора по высоте слоя.
В колоннах синтеза с радиальным ходом газа трудно осуществить отвод тепла из зоны катализа, поэтому в промышленности получили распространение полочные
радиальные насадки. Обычно применяются двухпол очные
радиальные насадки в сочетании с вводом холодного байпасного
потока между полками. Однако в таких насадках температурный
режим далек от оптимального. Кроме того, введение холодного
потока между полками приводит к разбавлению газа.
Эффективность работы насадки уменьшается также ввиду того,
что через первую полку проходит не весь газ.
Одной из последних конструкций насадки фирмы «Аммониа Казале» (Швейцария) является трехполочная насадка аксиально-радиального типа с промежуточным теплообменником между первой и второй полками и тремя холодными байпасами.
Преимущество насадки данного типа состоит в более эффективной системе межполочного охлаждения, а также в понижении гидравлического сопротивления катализатора (по сравнению с насадкой аксиального типа), что позволяет использовать более мелкозернистый катализатор с размером гранул 1,5 - 3,0 мм. (против 8;12 мм. ранее использованного). Благодаря этому достигается практически 100%-ая степень использования катализатора, что соответственно увеличивает выход аммиака. Радиальное направление основного потока газа обеспечивает низкий перепад давлений.
Таким образом, внедрение данной насадки позволит достигнуть высокой степени превращения азото-водородной смеси в аммиак, что обеспечивает низкую скорость циркуляции газ,'в контуре отделения синтеза. Это позволяет сократить затраты электроэнергии на циркуляцию газа.
3. Технико-экономическое обоснование сырья, энергоресурсов, географической точки строительства, мощности производства.
Одним из решающих факторов технического прогресса в производстве синтетического аммиака является сырьевая и энерготехническая база производства.
Исходные вещества для синтеза аммиака - азот и водород. Сырьем для получения азота является воздух, для получения водорода - различные углеводороды, уголь и вода.
Углеводородное сырье и уголь сконцентрированы в отдельных районах страны и для добычи их требуются значительные капитальные и эксплуатационные затраты.
Для извлечения азота из воздуха и водорода из воды необходимы большие энергетические затраты. Поэтому от вида промышленного сырья и технического уровня производства зависит стоимость конечного продукта - аммиака.
Наиболее экономичное сырье для синтеза аммиака -природный газ, запасы которого в нашей стране составляют 45-48% мировых запасов. Общие запасы газа на Земле оцениваются в 400 трлн.м3. Разрабатываемые (достоверные) запасы природного газа (на 1980 г.) составляют 52,5 трлн.м3, из них26 трлн.м3 приходится на долю Российской Федерации. Наиболее богатые газовые месторождения в России находятся в Тюменской обл. -около 14 трлн.м , а также в восточной Туркмении - 9,5 трлн.м3. Значительные запасы газа в Ставропольском крае, Харьковской и других областях.
За последнее время добыча газа в нашей стране увеличилась почти в 27 раз, при этом производительность труда в газовой
промышленности была в 50 раз выше, чем угольной. В связи с этим основные мощности аммиачного производства России переведены на газовое сырье, доля которого в общем объеме производства составляет более 85%. Это обуславливает технологическую простоту переработки сырья, доступность и сравнительно низкую его стоимость.
Перевод промышленности синтеза аммиака с твердого топлива на газовое позволил снизить себестоимость продукции на 30-35% и резко повысить производительность труда.
Рациональное использование теплоты химических реакций позволяет организовать производство синтетического аммиака по энерготехнологической схеме с минимальным расходом энергии.
Само производство аммиака отличается большей энергоемкостью. Так, для получения 1 т. аммиака необходимо затратить энергию, равную 420*106 кДж. В этом процессе потенциальная энергия топлива и исходного сырья превращается в потенциальную энергию аммиака.
В связи с этим повышение энергетической эффективности производства является одним из главных показателей научно-технического прогресса. Решение этой задачи возможно при создании энергетических систем, сущность которых заключается в использовании теплоты химических реакций на различных стадиях производства и во взаимосвязи между аппаратами и машинами технологических и энергетических систем производства.
Краткая характеристика применяемого сырья, полупродуктов и готовой продукции.
Исходным сырьем для получения аммиака является свежий газ, состоящий из следующих компонентов:
Н2 - 73-74%
N2 - 24-26%
СН4 + Аг - не более 1,3 %. Вспомогательные материалы.
A) Жидкий аммиак со склада для заполнения системы аммиачно-
холодильных установок.
Б), конвертированный газ, используемый в качестве теплоносителя.
B). Парогазовая смесь, используемая в качестве теплоносителя..
Г). Водяной пар, используемый в качестве теплоносителя.
Д). Азот «грязный» для продувок и пожаротушения.
Е). Вода оборотная.
Ж). Сжатый воздух для продувок.
3). Вода для увлажнения воздуха в конденсаторах.
Готовым продуктом отделения синтеза аммиака является синтетический аммиак, который регламентируется ГОСТ 6227-90.
В производстве аммиака наибольшее распространение получили энерготехнологические схемы, в которых теплота реакций используется для получения пара. Такие схемы позволяют осуществить энергетическую автономность агрегата синтеза и обеспечить паром технологические стадии процесса, а также механические приводы большинства машин ( компрессоров, насосов и др.)
Осуществление производства аммиака по энерготехнологической
схеме позволяет резко снизить эксплуатационные затраты и расход
топлива, значительно повысить производительность труда и
снизить себестоимость продукции. В качестве примера можно
указать, что современная аммиачная установка
производительностью 1500 т. NH3 в сутки использует тепловые
отходы, эквивалентные паровым установкам мощностью более
400 т. пара в час. Такая установка требует расхода энергии,
составляющего в сутки 5,4* 10ю кДж, что эквивалентно 1,5 млн.м3
природного газа.
Термодинамический и кинетический анализы и физико-
химическая оптимизация основного химико-
технологического процесса с применением в качестве
критерия оптимизации требований к современным
технологиям.
4.1. Кинетика процесса синтеза.
Исследования кинетики синтеза аммиака проводят уже более полувека, однако в следствие сложности механизма процесса и природы активных центров продолжаются и в настоящее время.
Наибольшее распространение получило уравнение синтеза аммиака, предложенное Темкиным и Пыжевым. Они исходили из представления о неоднородной поверхности и о том, что лимитирующей стадией является адсорбция азота, причем на поверхности находятся только азот, а лимитирующей стадией разложения аммиака - десорбция азота. При этом количество атомов азота на поверхности катализаторов больше, чем любых адсорбированных азотосодержащих соединений, ни водород, ни аммиак не влияют на скорость адсорбции азота^а энергии активации адсорбции Еа и десорбции Ед линейно уменьшаются с увеличением степени заполнения поверхности.
Термодинамический и кинетический анализы и физико-
химическая оптимизация основного химико-
технологического процесса с применением в качестве
критерия оптимизации требований к современным
технологиям.
4.1. Кинетика процесса синтеза.
Исследования кинетики синтеза аммиака проводят уже более полувека, однако в следствие сложности механизма процесса и природы активных центров продолжаются и в настоящее время.
Наибольшее распространение получило уравнение синтеза аммиака, предложенное Темкиным и Пыжевым. Они исходили из представления о неоднородной поверхности и о том, что лимитирующей стадией является адсорбция азота, причем на поверхности находятся только азот, а лимитирующей стадией разложения аммиака - десорбция азота. При этом количество атомов азота на поверхности катализаторов больше, чем любых адсорбированных азотосодержащих соединений, ни водород, ни аммиак не влияют на скорость адсорбции азота^а энергии активации адсорбции Еа и десорбции Ед линейно уменьшаются с увеличением степени заполнения поверхности.
w = Kl*PN2*(PH23/PNH33)a- K2*( PNH33/ Рн23)'"а (1)
Где - w - общая скорость процесса
К1, К2 - константа скоростей прямой и обратной реакции
РШ РШ PNHB - парциальные давления азота, водорода, аммиака.
Значение a - характеризует степень покрытия поверхности
катализатора азотом в условиях процесса синтеза аммиака. Для
железных катализаторов его принимают обычно равным 0,5.
Уравнение (1) применимо лишь в области не слишком далекой от равновесия.
Кинетика и механизм реакции синтеза аммиака при удалении системы от состояния равновесия были рассмотрены Темкиным, Морозовым и Шапатиной.
W - К^* Ршт' * РшЬт' (2)
Оказалось, что значения т и а в уравнении (2) совпадают, т.е. независимо от того, осуществляется синтез вдали от равновесия или в области, близкой к равновесной, а остается величиной постоянной.
Кинетику синтеза аммиака с учетом обратимого отравления катализатора кислородными ядами можно описать уравнением Темкина-Смирнова:
При Рн2о=0 уравнение переходит в уравнение Темкина-Пыжова. Из уравнения Темкина-Пыжова следует, что максимальная скорость реакции не соответствует эквивалентному составу газовой смеси. В начальной стадии процесса, когда содержание аммиака значительно меньше равновесного и реакция разложения аммиака может не учитываться, максимальная скорость определяется
максимумом произведения PN2 * Рщ1'5- Отсюда следует ,что максимальная скорость в начальной стадии процесса соответствует составу РН2 / PNI - 1,5. Однако разница в выходе составляет лишь 6%. По мере приближения выхода к равновесному оптимальный состав приближается к составу РН2 / РШ = 3 ,так как по закону действующих масс равновесный выход достигает максимума при эквивалентном составе.
Реакция синтеза аммиака является экзотермической реакцией. Для реакции этого типа оптимальной является убывающая последовательность температур. В начале зоны катализа высокая температура обеспечивает наибольшую скорость реакции, а по мере увеличения содержания аммиака в газовой фазе и приближения к состоянию равновесия следует снижать температуру в зоне катализа.
Для обеспечения максимальной производительности в начале зоны катализа теоретически более выгодны относительно высокие температуры (550-650°С), которые практически неприемлемы из-за усиленной рекристаллизации катализатора, что приводит к падению его активности, а также из-за усиленной газовой коррозии конструкционных материалов насадки и термических напряжений, обусловливающих аварийные ситуации и остановку агрегатов.
Оптимальная последовательность температур в промышленном каталитическом реакторе синтеза аммиака в начале зоны катализа ограничивается скоростью теплоотвода, а в конце каталитической зоны большое влияние оказывает аммиак, образующийся в процессе. Основной причиной снижения активности катализатора является уменьшение работающей поверхности катализатора адсорбцированным азотом, находящимся в равновесии с образующимся аммиаком и водородом газовой
фазы. Обратной реакцией при высоком давлении и более низких температурах можно пренебречь в связи с большим удалением от состояния равновесия. Поэтому скорость процесса можно описать следующим кинетическим уравнением:
где О - степень заполнения поверхности азотом, находящимся в адсорбционно-химическом равновесии.
При О» ->• 1 скорость реакции синтеза может быть очень малой и вдали от состояния равновесия в следствие блокировки работающей поверхности катализатора. При определенной концентрации аммиака в газовой фазе даже при довольно высокой температуре (400-500°С) нижние слои зоны катализа практически не принимают участие в синтезе аммиака [1].
4.2. Термодинамический анализ.
Тепловой эффект реакции синтеза аммиака.
При образовании аммиака из азота и водорода происходит выделение тепла.
Температура реакционной газовой смеси повышается при этом в среднем на 14,5°С при образовании 1% аммиака. Опыт показывает, что тепловой эффект реакции Q зависит не только от химических превращений, протекающих в системе и сопровождающихся изменением ее внутренней энергии, но от температуры, давления и агрегатного состояния веществ.
Зависимость теплового эффекта реакции от температуры в общем виде описывается уравнением Кирхгоффа:
где ЛСР - разность сумм мольных теплоемкостей продуктов реакции
и сумм мольных теплоемкостей газов, вступающих в реакцию.
После соответствующих подстановок значений Ср газов в уравнение (4) и преобразований оно принимает вид, удобный для расчета теплового эффекта реакции синтеза аммиака при любых температурах и давлениях (в кал/моль):
Где Р — общее избыточное давление системы, МПа.;
Т - температура, К.
Это уравнение справедливо только для полного превращений азотоводородной смеси в аммиак по вышеуказанному уравнению, что не соответствует реальным условиям. В промышленных агрегатах конечным состоянием системы является не чистый газообразный аммиак, а азото-водородо-аммиачная смесь с различным содержанием аммиака. Такие смеси при повышенном давлении обладают свойствами типичных растворов, для которых при сжатии необходимо учитывать теплоты смешения компонентов смеси. Следовательно, суммарный тепловой эффект реакции синтеза аммиака в реальных промышленных условиях складывается из суммы тепловых эффектов самой реакции в соответствии с уравнением (5) - Qp и теплоты смешения компонентов - QCM:
Значения суммарного теплового эффекта - Q реакции синтеза аммиака, включающие теплоты смешения при температурах 400-500°С и давлениях 14,7 - 49,0 МПа, вычисленные для азото-водородо-аммиачной смеси, содержащей 20% (об.) аммиака даны в таблице:
Таблица 4.2.
Значения суммарного теплового эффекта реакции синтеза аммиака (Q, на 1 моль NH3) пр различных температурах и давлениях с учетом
теплот смешения QCM. [10].
Давление, МПа
4.3. Оптимальные условия синтеза аммиака. 4.3.1. Давление.
По принципу Ле Шателье повышение давления приводит к увеличению равновесного выхода аммиака и скорости реакции, в результате чего возрастает эффективность работы катализатора. При увеличении давления упрощается схема агрегата, так как облегчается выделение аммиака из циркуляционной смеси посредством его конденсации. Кроме того, при повышении давления сокращается удельный расход азото-водородной смеси (ABC), так как в установках высокого давления допускается большое содержание инертных примесей и меньше газа расходуется на продувку системы.
Предел повышения давления определяется расходом энергии на сжатие газа. Кроме того, при повышенных давлениях усиливается водородная коррозия стенок колонны синтеза, что приводит к сокращению срока службы установок.
4.3.2. Температура.
Равновесный выход аммиака увеличивается при понижении температуры, в то же время для увеличения скорости процесса желательно увеличение температуры.
Оптимальная температура синтеза должна обеспечивать максимальный выход аммиака при достаточно высокой производительности установки.
С ростом температуры выход аммиака за определенный промежуток времени сначала возрастает вследствие более быстрого (по сравнению с обратной реакцией) роста скорости прямого воздействия. Одновременно происходит снижение равновесного выхода аммиака, вследствие чего процесс все более приближается к равновесию. Поскольку вблизи от равновесия разность скоростей прямой и обратной реакций невелика, дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению выхода аммиака.
4.3.3. Объемная скорость.
Под объемной скоростью в данном процессе понимают количество кубометров приведенной к нормальным условиям газовой смеси, проходящей через 1 м3 катализатора в 1 час. Размерность объемной скорости нм3/м3*час = час"1. При увеличении объемной скорости уменьшается время контактирования, вследствие чего снижается содержание аммиака в газе на выходе из зоны взаимодействия. В тоже время при сокращении времени контакта процесс удаляется от равновесия, благодаря чему увеличивается скорость прямой реакции, приводящей к образованию аммиака. По этой причине содержание NH3 в газе на выходе из колонны синтеза снижается непропорционально увеличению объемной скорости.
4.3.4. Состав исходной ABC.
Существующие установки синтеза аммиака работают по замкнутой циркуляционной схеме. Поэтому в исходной газовой смеси должно поддерживаться стехиометрическое соотношение между водородом и азотом: Н2 : N2 = 3. В противном случае, если соотношение больше 3, в циркуляционной смеси накапливается водород, если меньше 3 -то азот.
Присутствующие в исходной газовой смеси катализаторные яды (сероводород, кислородосодержащие соединения) в существенной степени снижают активность катализатора, поэтому ABC должна быть подвергнута предварительно тщательной очистке.
Значительное влияние на скорость синтеза оказывает наличие в газе инертных примесей (СН4, Аг), которые снижая парциальное давление азота и водорода, уменьшают «эффективное» давление процесса. По расчетным данным с увеличением концентрации инертных примесей производительность катализатора снижается.
Содержание NH3 в циркуляционной смеси колеблется от 2,5 до 6% и зависит от технологического режима процесса и способа выделения из газа. Увеличение содержания аммиака в газе на входе в колонну приводит к резкому падению производительности катализатора.
4.3.5. Крупность зерен катализатора.
В условиях гетерогенно-каталитического процесса значительное влияние на скорость взаимодействия оказывает крупность зерен применяемого катализатора.
В промышленных установках с вертикальным направлением газовых потоков принимают катализаторы с размером зерен 5-10 мм. Использование колонн синтеза с радиальным ходом газа снижает гидравлическое сопротивление установок. В этом случае возможно уменьшение зерен катализатора до 2 мм.