Исходные данные:

Все газы считать идеальными

СОСТАВ ИСХОДНОЙ СМЕСИ (МОЛЬНЫЕ ДОЛИ):

аммиак 0,22 азот 0,01, водород 0,01, остальное – метан,

РАСХОД ИСХОДНОЙ СМЕСИ 25000 м3/ч

Давление 1-5 атм

Температура на входе в реактор 700-800 С

Температурный режим – адиабатический, изотермический, политермический

Кинетическое уравнение:

(моль NH₃/м³*с)

Зависимость константы скорости прямой реакции от температуры:

Температурная зависимость константы равновесия

Цель – производительность по водороду 5600 м3/ч

Содержание

Введение 3

1. Аналитический обзор 4

1.1 Теоретические основы процесса разложения аммиака 4

1.2 Аммиак, получение и свойства 7

1.3 Скорость разложения аммиака на катализаторах 9

1.4 Технологическая схема разложения аммиака 10

1.5 Классификация идеализированных реакторов 12

2. Основная часть 15

Выводы 23

Список литературы 24

Введение

Аммиак имеет исключительно большое значение для всего народного хозяйства, поскольку он является составной частью всех белковых соединений и находят широкое применение во всех областях деятельности человека.

Аммиак является перспективным материалом для аккумулирования, хранения и транспортировки энергии водорода потребителям. В жидком аммиаке содержится в 1,7 раз больше водорода, чем в жидком водороде. Транспорт энергии водорода в аммиачном виде в 20 раз дешевле транспортировки сжатого эквивалентного количества водорода. Для генерации водорода из аммиака необходимы высокоэффективные катализаторы.

Для получения водорода в данный момент существует множество различных путей. Среди источников получения водорода можно выделить природное топливо: метан, уголь, древесина, нефтепродукты, техногенные горючие газы. 

В установках для получения водорода диссоциацией аммиака применяют катализаторы на основе окислов железа, и процесс проводят при температуре 600—700 °С. В результате диссоциации получается газовая смесь с объемным содержанием 75 % Н₂ и 25 % N₂ при атмосферном давлении. Энергозатраты на реакцию составляют 25—27 % от низшей теплоты сгорания получаемого водорода.

В процессе выполнения работы были поставлены следующие цели:

1) изучить технологические основы процесса разложения аммиака;

2) рассмотреть модели идеализированных реакторов;

3) рассчитать объём реактора, обеспечивающий заданную производительность по водороду, произвести выбор модели реактора.

1. Аналитический обзор

   1. Теоретические основы процесса разложения аммиака

Разложение аммиака на его элементы при нагревании в контакте с другими материалами было замечено еще в XIX столетии, причем наблюдалось также влияние железа на реакцию. В 1884 г. Рамзай и Юнг опубликовали свою работу относительно скорости разложения аммиака при различных условиях и снова отметили каталитическое действие железа на реакцию. Помимо всего прочего Рамзай и Юнг установили, что даже если пропускать аммиак медленно через железную трубу, доведенную до красного каления, все же следы аммиака остаются не разложившимися; в конце своей работы они сделали следующее многозначительное замечание: На основании этого результата, а также и на основании наблюдения Девиля ( Deville), что разложение аммиака никогда не бывает полным при пропускании искры, становится очевидным, что должно иметь место обратное соединение азота и водорода, хотя бы в самых незначительных размерах. Принимая во внимание это утверждение, является весьма любопытным тот факт, что целый ряд более поздних исследователей цитирует Рам-зая и Юнга в доказательство того, что реакция разложения аммиака необратима [1].

При полном разложении аммиака образуются водород и азот. Однако было точно установлено, что эти вещества не получаются на первой стадии процесса разложения. Экспериментально была показана возможность побочных реакций с образованием промежуточных продуктов, одним из которых является гидразин. По мнению Рашига, первая стадия разложения аммиака протекает с образованием радикала NН. Можно предположить, что этот радикал способен далее вступать в реакцию конденсации с аммиаком, в соответствии со следующим уравнением [2]:

N₃ — NH+2[Н],

NН+NН₃→ [НNNН₃] → N₂Н₄.

Cчитают, что одним из промежуточных продуктов разложения аммиака является радикал NН₂ и что он может соединяться со вторым таким же радикалом, образуя гидразин.

NH₃ → NH₂ + [Н]; Н₂N+NH₂ → N₂Н₄.

Существенным является то обстоятельство, что экспериментальные методы и условия, используемые при разложении аммиака, приводят к еще более быстрому разложению гидразина. Для того чтобы экспериментально продемонстрировать образование гидразина как промежуточного или побочного продукта, необходимо немедленно удалить гидразин из сферы реакции или быстро охладить это соединение, чтобы повысить его устойчивость. Разложение аммиака было осуществлено путем пиролиза, фотохимически в результате фотосенсибилизации, действием электрического разряда на газообразный аммиак и при бомбардировке электронами [2].

Разложение аммиака начинается при 270°С, а при температуре свыше 900°С аммиак практически разлагается полностью. Реакция диссоциации протекает с поглощением теплоты и идет по уравнению [3]:

2NH₃ ↔ N₂ + ЗН₂ - 92 кДж.

Для данной реакции равновесная концентрация аммиака составляет:

Полнота реакции диссоциации аммиака зависит от температуры, давления и типа катализатора.

Разложение аммиака усиливается с повышением температуры в присутствии веществ, каталитически ускоряющих диссоциацию аммиака. Это наблюдается при прохождении газа ерез трубопроводы и аппараты, стенки которых имеют высокую температуру, а также при прохождении газа вдоль стенок контактного аппарата [4].

Степень разложения аммиака при различном воемени контактирования на платиновых сетках приведена на рис.1:

Рис.1. Степень разложения аммиака на платиновой сетке при различном времени контактирования [4].

Влияние давления при различных температурах на равновесное содержание аммиака приведено на рис. 2.

Рис.2. Равновесные концентрации аммиака в зависимости от давления при различных температурах

Для проведения процесса диссоциации аммиака с большой степенью разложения при значительных расходах до 0,6 м³∙с^-1 наиболее пригодны железные промотированные катализаторы синтеза аммиака, показывающие высокую активность при 400-600 °С. Из них наиболее активны и термостойки катализаторы марок ТК и СА; разложение аммиака на них идет с заметной скоростью уже при 400°С. Следует отметить, однако, что ни один из промышленных катализаторов, применяемых в процессе синтеза аммиака, не является оптимальным для процесса диссоциации [3].