4.2 Выбор оптимальных условий процесса

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и состава реакционной смеси. Оптимальными считаются такие значения параметров, при которых скорость процесса максимальна.

4.2.1 Давление и температура

Из уравнения Темкина-Пыжева видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна P1,5, а скорость обратной реакции пропорциональна P0,5. Отсюда очевидно, что с ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем рост давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам. При понижении давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии, но при этом увеличиваются размеры аппаратов, возрастают энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака, повышаются требования к чистоте синтез-газа.

Для определения оптимального давления синтеза была использована комплексная математическая модель агрегата синтеза аммиака. В качестве критерия оптимизации в ней приняты приведенные затраты (руб./т):

З = С + Е*К/П,

где С – себестоимость аммиака (руб./т), Е – нормативный коэффициент эффективности (год-1), К – капитальные затраты (руб.), П – производительность агрегата по аммиаку (т/год).

Опытные данные показали, что приведенные удельные и капитальные затраты с повышением давления уменьшаются. На основании проведенного анализа определено, что для современных схем наиболее эффективным является давление приблизительно 30 МПа (системы среднего давления). (стр. 391 [2])

Поскольку присутствие инертных примесей равносильно снижению общего давления, то с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси скорость реакции синтеза уменьшается.

Оптимальная температура синтеза Топт рассчитывается:

Из уравнения следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает.

4.2.2 Состав азотоводородной смеси

Состав АВС выбирается, возможно, более близким к стехиометрическому, что обеспечивает максимальную степень превращения компонентов в аммиак. Так как степень превращения не превышает 0,14 – 0,20 дол. един. (стр. 201 [1]), то процесс синтеза аммиака строится по циркуляционной схеме с отделением образующегося аммиака от непрореагировавшей АВС и возращением оставшейся части ее в реактор. Так как синтез аммиака идет с сокращением объема, то в циркулирующей АВС накапливаются инертные примеси (аргон, метан), что приводит к снижению выхода аммиака вследствие уменьшения концентраций азота и водорода в ней. Для устранения этого часть циркулирующей АВС периодически выводится из цикла в виде продувочного газа (отдувка). Для выделения образовавшегося аммиака из АВС ее охлаждают до температуры сжижения аммиака. При этом часть аммиака остается в АВС. Концентрация его зависит от температуры и изменяется от 0,015 об. доли при -20 0С до 0,073 об. дол. при +20 0С при давлении около 30 МПа. При использовании водяного и аммиачного охлаждения это обеспечивает остаточное содержание аммиака в циркулирующей АВС 0,03 - 0,05 об. дол. (стр. 202 [1])