Расчеты материальных и тепловых балансов в технологии минеральных удобрений. Учебное пособие

карбамата аммония расходуется 432,77 кг аммиака. Количество не прореагировавшего аммиака:

mост(NH3) = 973,7 – 432,77 = 541,12 кг.

Выделившаяся вода взаимодействует с избыточным аммиаком:

NН3 + Н2О → NН4ОН + 10,626 кДж.

Используя эту реакцию, можно рассчитать, что из 160,38 кг воды будет получено 311,85 кг NН4ОН. На образование 311,85 кг NН4ОН затрачивается 151,47 кг аммиака.

Остаётся избыточного аммиака в газовой фазе:

mгаз.фаза(NH3) = 541,12 – 151,47 = 389,73 кг.

Итоги материального баланса синтеза мочевины (на 500 кг готового продукта) представлены в табл. 2.

11

1.2. Тепловой баланс синтеза карбамида

Пример 2. Составить расчет теплового баланса колонны синтеза мочевины. Исходные данные:

–температура реагентов, поступающих в колонну синтеза: жидкого аммиака 100 °С, СО2 30 °С; температура в колонне 200 °С;

–критическая температура аммиака 132,9 °С;

– энтальпия жидкого аммиака iNH3 =939,9 кДж / кг при

132,9 °С; iNH3 =549,2 кДж / кгпри 100 °С;

– зависимость теплового эффекта реакции конверсии карбамата аммония от избытка аммиака при 155–210 °С представлена в табл. 3.

Таблица 3

–теплоёмкости веществ, принимающих участие в процессе,

кДж/(кг ∙ К): СО2 – 1,026; карбамата аммония – 1,951; раствора

NН4ОН – 4,187; (NH2)2CO – 1,344; Н2О – 4,187; N2 – 0,921.

–теплоёмкость газообразного аммиака при tср = 166,45 °С и давлении 20,2 МПа – 2,47 кДж/(кг К);

–избыток аммиака составляет 125 % от стехиометрического количества;

– степень превращения карбамата аммония в мочевину 70 %;

–потери мочевины при дистилляции и упаривании 6,5 %;

–расчёт составить на 500 кг мочевины в виде готового продукта (сухого).

Решение

Вначале необходимо составить материальный баланс синтеза мочевины (см. пример 1), поэтому для составления теплового баланса будем использовать результаты, приведенные в табл. 2.

12

Приход теплоты

Определим количество теплоты, поступающей в колонну синтеза с углекислым газом и аммиаком. По уравнению (1) найдем количество теплоты, поступающее в колонну синтеза с углекислым газом:

Q(СО2) = CCO2 mCO2 (TCO2 −T0 ) = 1,026 560,06 ∙ 30 = 17 239 кДж.

По уравнению (2) определим количество теплоты, поступающее в колонну синтеза с аммиаком:

Q(NН3(ж)) = iNH3 mNH3 = 549,2 973,74 = 534 778 кДж.

В колонне синтеза образуется карбамат аммония (реакция (8), масса которого 992,83 кг (см. пример 1). Теплоту образования карбамата аммония можно рассчитать так:

где 159,35 – тепловой эффект реакции образования 1 моля твёрдого карбамата аммония из газообразного аммиака и диоксида углерода, кДж/моль (реакция (8); 77,456 – теплота плавления 1 моля карбамата аммония, кДж/моль, 78 – молярная масса карбамата аммония, г/моль.

В колонне синтеза образуется также гидроксид аммония, масса которого 311,85 кг. По уравнению (3) найдем количество теплоты, выделяющейся при этом:

311,85

Qобр (NН4ОН) = 35 10 626 = 94 678 кДж.

Здесь 10 626 – тепловой эффект реакции образования 1 моля NН4ОН из аммиака и воды, Дж/моль; 35 – молярная масса

NH4OH, г/моль.

13

Суммарный приход теплоты:

Qприх = Q(СО2) + Q(NН3(ж)) + Qобр(NH2COONH4) + Qобр(NH4OH) = = 17 239 + 534 778 + 1 042 395 + 94 678 = 1 689 090 кДж.

Расход теплоты

На рис. 1 показана зависимость, позволяющая определить тепловой эффект реакции конверсии карбамата аммония при избытке аммиака 125 % от стехиометрического количества, построенная на основании данных табл. 3.

Рис. 1. Зависимость теплового эффекта реакции конверсии карбамата аммония от избытка аммиака при 155–210 °С

На образование мочевины тратится:

где 60 – молярная масса мочевины, г/моль; 18,9 – тепловой эффект реакции конверсии карбамата аммония в мочевину при избытке аммиака 125 % от стехиометрического количества, кДж/моль, найденный по графику (рис. 1).

На подогрев жидкого аммиака от 100 °С до критической температуры 132,9 °С (формула (2) расходуется:

На подогрев оксида углерода от 30 до 132,9 °С (формула (1) расходуется:

Qподогр(СО2) = CCO2 mCO2 TCO2 = 1,026 560,06 (132,9 – 30) = = 59 129 кДж.

На подогрев образующегося карбамата аммония от 132,9 до 200 °С расходуется (формула (1):

Qподогр(NH2COONH4)= 1,951 992,83 (200 – 132,9) = 129 973 кДж.

На подогрев избыточного газообразного аммиака от 132,9 до 200 °С расходуется:

Qподогр(NН3 изб) = 389,73 2,47 (200 – 132,9) = 68 335 кДж.

На подогрев NН4ОН от 132,9 до 200 °С расходуется:

Qподогр(NH4OH)= 4,187 311,85 (200 – 132,9) = 87 613 кДж.

По формуле (4) определим теплоту, уходящую с плавом мочевины при 200 °С. Среднюю теплоёмкость СR плава мочевины найдем по формуле (7):

15

Сср = ω((NH2 )2CO) C((NH2 )2CO) + ω(NH3) C(NH3)+ +ω(NH2COONH4 ) C(NH2COONH4) + ω(H2O) C(H2O)+ + ω(N2) C(N2),

где ω – массовые доли компонентов плава (табл. 1); С – теплоёмкости указанных веществ, кДж/(кг К).

Сср = 0,3447 1,344 + 0,3487 2,470 + 0,192 1,951 + + 0,1034 4,187 + 0,0112 0,921 = 2,14 кДж/(кг К).

Количество теплоты, уходящей с плавом (формула (4):

Qплава = Cплава mплава (Tплава −T0 )= 2,14 1551,43 200 = = 664 012 кДж.

Теплопотери в окружающую среду примем равными 7,5 % от общего количества теплоты, приходящей в колонну синтеза, это составит:

Qпотери = 1 689 090 0,075 = 126 682 кДж.

Суммарный расход тепла составляет:

Qрасх = Qобр((NH2)2CO) + Qподогр(NН3) + Qподогр(СО2) +

+ Qподогр(NH2COONH4 ) + Qподогр(NН3 изб) +Qподогр(NH4OH) +

+ Qплава + Qпотери;

Qрасх = 168 449 + 380 440 + 59 129 + 129 973 + 68 335 + 87 613 + + 664 012 + 126 682 = 1 684 633 кДж.

Расхождение между вычисленными значениями прихода и расхода теплоты, равное, 4 456 кДж, составляет 0,26 %.

16

Задания для самостоятельной работы

1.Составить материальный баланс синтеза мочевины (получения плава), который осуществляется в условиях, приведенных в табл. 4.

2.Составить тепловой расчёт колонны синтеза мочевины для условий, приведенных в табл. 4.

Остальные данные, необходимые для расчета, но не представленные в табл. 4, следует взять из примера 1 и примера 2.

17

2. ПРОИЗВОДСТВО АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ

Производственный процесс получения аммиачной селитры (NH4NО3) складывается из стадий нейтрализации слабой азотной кислоты газообразным аммиаком, упарки полученного раствора и гранулирования аммиачной селитры. Стадия нейтрализации основана на реакции (н.у.):

Раствор аммиачной селитры получают в нейтрализаторе, позволяющем использовать тепло реакции для частичного выпаривания раствора. Он называется аппарат ИТН (использование тепла нейтрализации). Нейтрализацию проводят при 115–120 °С и некотором избыточном давлении (15–20 кПа) для того, чтобы образующийся в аппарате соковый пар можно было использовать как греющий агент.

Обычно получаемые в аппаратах ИТН растворы аммиачной селитры, содержащие 60–80 % мас. NН4NО3 упаривают до состояния плава. Конечная концентрация плава зависит от способа кристаллизации. При кристаллизации в грануляционных башнях (башнях приллирования) раствор аммиачной селитры упаривают до содержания NН4NО3 98,0 –98,5 % мас., а для получения селитры высокого качества до 99,5–99,8 % мас. NН4NО3.

Плав поступает в грануляторы, расположенные в верхней части грануляционной башни, которые превращают его капли. В нижнюю часть гранбашни подается воздух, охлаждающий падающие сверху капли селитры. Высота полета капель 50-55 м. Во время падения капель при обтекании их потоком воздуха образуются гранулы (приллы) минерального удобрения. Кристаллизация начинается на поверхности капли, постепенно фронт кристаллизации проникает вглубь. Температура гранул на выходе из башни 90–110 °С; горячие гранулы затем охлаждают в аппарате кипящего слоя.

18

2.1. Материальный и тепловой баланс процесса нейтрализации в производстве аммиачной селитры

Пример 3. Составить материальный и тепловой баланс процесса нейтрализации в производстве аммиачной селитры.

Исходные данные:

–азотная кислота: содержание HNO3 50 % мас.; теплоемкость 2,763 кДж/(кг ∙ К); начальная температура 27 °С;

–аммиак: NH3 100 % мас.; теплоемкость 2,186 кДж/(кг ∙ К); начальная температура 50 °С;

–полученный раствор аммиачной селитры: содержание NН4NО3 67 % мас.; теплоемкость 2,303 кДж/(кг ∙ К);

–потери аммиака и азотной кислоты 1 %;

–расчёт провести применительно к 1000 кг NН4NО3 (100 % мас.).

Решение

Материальный баланс

По уравнению реакции (10) находим теоретические массы азотной кислоты (100 % мас.) и аммиака (100 % мас.), которые должны поступать в аппарат для получения 1000 кг (12,5 кмоль) чистой NН4NО3 (100% мас.):

m100 % (HNO3) = 787,5 кг; m(NH3) = 212,5 кг.

Практический расход азотной кислоты с содержанием НNО3 50 % мас. и аммиака с учетом потерь в размере 1 % мас. составит:

mпр50 % (НNО3) = 787,5 кг 1,01 / 0,5 = 1590,8 кг (или 795,4 кг азотной кислоты с содержанием НNО3 100 % мас. и 795,4 кг H2O);

mпр (NH3) = 212,5 кг 1,01 = 214,6 кг.

19

Потери в производстве:

mпотери 100 % (НNО3) = 787,5 1,01 – 787,5 = 795,4 – 787,5 = 7,9 кг; mпотери (NH3) = 214,63 кг - 212,5 кг 1.01 = 2,1 кг.

Общее количество реагентов, поступающих в нейтрализатор:

mпробщ= mпр 50 % (НNО3) + mпр (NH3) = 1590,8 + 214,6 = 1805,4 кг.

Масса раствора NН4NО3 (67 % мас.), который получается в реакторе, равна:

m67 %(NН4NО3) = 1000 / 0,67 = 1492,5 кг.

Масса воды, испаряющейся при нейтрализации, составляет:

m(H2O) = mпробщ – [m(NН4NО3) + mпотери 100 % (НNО3) +

+ mпотери (NH3)] = 1805,4 – (1492,5 + 7,9 + 2,1) = 302,9 кг.

Материальный баланс нейтрализации в производстве аммиачной селитры приведен в табл. 5.

Тепловой баланс. Приход теплоты

По уравнению (1) определим количество теплоты, поступающее в колонну синтеза с азотной кислотой и аммиаком:

20