Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Материальные и тепловые балансы в технологии аммиака и азотной кислоты. Учебное пособие
.pdf
Подставляя в уравнение (2.14) значения V из (2.20) и b из (2.18),
3
(1,007 6,32)
0,87;
(8,92 1,01 ) (3,91 1,006 7,87)
7,19 кмоль или 161, 06 м , н.у.
cc
cc
с
находим:
a = 2,48 – 2,528 ∙ y + 0,997 ∙ c. (2.21)
Подставляя в уравнение (2.15) значение V из уравнения (2.20),
получаем:
d = 1,006 ∙ с + 0,0048 ∙ y – 7,89. (2.22)
Подставляя значения a, b, d из уравнения (2.21), (2.18) и (2.22) в
уравнение (2.16), находим:
y = 3,48 – 0,004 ∙ с. (2.23)
Подставляя в уравнение (2.18), (2.21) и (2.22) значение y
из (2.23), находим:
a = 1,007 ∙ c – 6,32;
b = 8,92 – 1,01 ∙ c;
d = 1,006 ∙ с – 7,87.
Подставляя найденные значения a, b, d в уравнение (2.19) и решая его относительно c, получаем:
Зная с, находим a = 0,92 кмоль (20,60 м3, н.у.); b = 1,66 кмоль
(37,14 м3, н.у.); d = - 0,66 кмоль (- 14,78 м3, н.у.); y = 3,45 кмоль
(77,28 м3, н.у.), из них 61,05 м3 N2 и 16,23 м3 О2. V = 247,88 м3.
Отрицательное значение d показывает, что за счет сгорания водорода образовалось большее количество водяного пара, чем вступило в реакции (2.1) и (2.3). Общее содержание водяного пара в
конвертированном газе будет 87,5 +14,78 = 102,28 м3, По условию содержание метана в сухом конвертированном газе
0,3 %, что составит 0,003 ∙ V = 0,003 ∙ 247,88 = 0,84 м3.
Состав сухого конвертированного газа приведен в
табл. 2.9.
21
Таблица 2.9
Компонент
м
3
%, об.
кг
СН
4
0,84
0,30
0,60
Н2
161,06
57,21
14,38
СО
37,14
13,19
46,42
СО
2
20,60
7,30
40,46
N2
0,84 + 61,05 = 61,89
22,00
77,36
Всего сухого газа
281,53
100,00
179,22
Водяной пар
102,28
-
82,19
Всего
383,81
-
261,41
2
2
CO + H
37,14 + 161,06
= = 3,2.
N 61,89
Приход
Расход
Газ из трубчатой
печи
кг
м
3
Конвертиро-
ванный газ
кг
м
3
СН
4
13,00
18,20
СН
4
0,60
0,84
CO
25,76
20,62
CO
46,42
37,14
CO2
38,70
19,70
CO2
40,46
20,60
H2
12,56
140,64
H2
14,38
161,06
N2
1,05
0,84
N2
77,36
61,89
H2О
70,31
87,50
H2О
82,19
102,28
Воздух
O2
N2
23,19
76,30
16,23
61,05
Воздух
O2
N2
- - -
-
Всего
260,87
364,96
Всего
261,41
383,81
Состав сухого конвертированного газа
Материальный баланс конвертора второй ступени приведен в
табл. 2.10. Для сухого конвертированного газа (табл 2.9, 2.10):
- отношение пар/газ равно: 102,28/281,53 = 0,36.
- отношение
С учетом того, что в реакции (2.3) СО и H2 находятся в мольном
соотношении 1:1 (из 1 моль СО получается 1 моль H
), на конвер-
2
сию СО целесообразно подавать сухой конвертированный газ,
где (СО + Н
)/N2 3, поскольку именно в мольном отношении
2
3 : 1 должны подаваться на синтез аммиака водород и азот.
Таблица 2.10
Материальный баланс конвертора метана второй ступени
22
4 4 2 2 2 2
расх. расх. расх. расх.
2 CH CH СО CO СО CO Н О H O
Q V Q V Q V Q V Q
4 4 2 2 2 2
прих. прих. прих. прих.
CH CH СО CO СО CO Н О H O
. V Q V Q V Q V Q
Компонент
CO2
CO
Н
2
О
СН
4
Q, кДж /м3
17600
4930
10800
3300
Пример 4. На основе материального баланса (табл. 2.10,
пример 3) составить тепловой баланс конвертора метана второй
ступени. Исходные данные: температура газа после трубчатой
печи 700 оС; температура воздуха, поступающего на окисление,
о
20
С; температура газа на выходе из конвертора 855 оС.
Решение. Приход теплоты. Теплоту парогазовой смеси,
входящей в конвертор при 700 оС, найдем по формуле (1.1), см. с. 6:
Q1 = (200 + 87,5) ∙ 1,57 ∙ 700 = 315 962,5 кДж.
Здесь 1,57 кДж / (м
3∙
К) - средняя теплоемкость газовой смеси
при 700 оС); 179,22 – масса сухого конвертированного газа, кг
(табл. 2.9); 82,19 – масса водяного пара, кг (табл. 2.9).
Теплоту, выделяющуюся при конверсии, определим анало-
гично варианту, рассмотренному в примере 2 (по закону Гесса);
Q
= 0,84 ∙ 3300 + 37,14 ∙ 4930 + 20,60 ∙ 17600 + 102,28 ∙ 10800 –
2
– 18,2 ∙ 3300 – 20,62 ∙ 4930 – 19,7 ∙ 17600 – 87,50 ∙ 10800 =
= 199 619,6 кДж.
Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакций
принимаем следующими (табл. 2.11).
Теплоты образования исходных веществ и продуктов реакций
Таблица 2.11
23
Приход
Расход
кДж
% кДж
%
Теплота
парогазовой
смеси
315 962,5
61,0
Теплота,
уносимая
парогазовой
смесью
515 207,4
99,5
Теплота,
выделяющаяся
при конверсии
199 619,6
38,6
Теплота,
вносимая воздухом
2 003,1
0,4
Теплопотери
2 377,8
0,5
Всего
517 585,2
100,0 517 585,2
100,0
Теплота, вносимая воздухом при температуре 20 оС
(С
= 1,296 кДж / (м
воз.
Q
= (16,23 + 61,05) ∙ 1,296 ∙ 20 = 2 003,1 кДж.
3.
Расход теплоты. Теплота, уносимая парогазовой смесью
из конвертора при 860
3∙
К) - средняя теплоемкость воздуха);
о
С (С
= 1,57 кДж / (м
парогаз.
3∙
К) - средняя
теплоемкость влажного газа):
Q4= 383,81 ∙ 1,57 ∙ 855 = 515 207,4 кДж.
Уравнение теплового баланса:
Q1+ Q
315 962,5 + 199 619,6 + 2 003,1 = 515 207,4 + Q
2.
+ Q
= Q4 + Q
3.
теплопотери
,
теплопотери
,
(табл. 2.12).
24
Q
теплопотери
= 2 377,8 кДж.
Составляем тепловой баланс конвертора второй ступени
Таблица 2.12
Тепловой баланс конвертора второй ступени
Задачи для самостоятельного решения
Данные для расчета
Вариант
1 2 3 4 5
Состав природного газа, % (об.):
СН
4
С2Н6
С3Н8
С4Н10
N2
97,8
0,50
0,20
0,10
1,42
97,8
0,50
0,20
0,10
1,40
98,50
0,25
0,05
0,06
1,14
97,00
0,45
0,60
0,50
1,45
97,50
0,60
0,10
0,30
1,50
Отношение объемов пар/газ в исх. смеси
2,50
2,45
2,50
2,46
2,40
Степень конверсии газа по углероду (XC)
0,67
0,72
0,75
0,77
0,68
Температура парогазовой смеси ,
о
С
на входе в печь
на выходе из печи
525
825
530
835
527
847
532
826
536
835
Темп. дымовых газов на выходе, оС
1060
1070
1065
1075
1060
Теплопотери, % от прихода теплоты
4 6 4 5 7
Объем природного газа (при н.у.), м
3
100
300
400
500
600
Влажность воздуха, м3/м
3
0,016
0,015
0,014
0,013
0,017
Данные для расчета
Вариант
1 2 3 4 5
Температура,
о
С:
газа после трубчатой печи
воздуха, поступающего на окисление
газа на выходе из конвертора
690
15
850
710
18
853
700
20
854
705
16
850
695
21
855
Конвертируемый газ:
cодержание метана, % (об.)
отношение (СО + Н
2
)/N2
0,25
3,0
0,27
3,2
0,30
3,0
0,33
3,4
0,34
3,5
Объем сухого газа, поступающего с первой
ступени конверсии, м3
150 200 220 150 240
1. Составьте материальный и тепловой балансы трубчатой
печи для конверсии природного газа, которая осуществляется в
условиях, приведенных в табл. 2.13.
Таблица 2.13
Данные для расчета материального и теплового балансов трубчатой печи
2. Составьте материальный и тепловой балансы конвертора
второй ступени для условий, приведенных в табл. 2.14.
Таблица 2.14
Данные для расчета материального и теплового балансов
конвертора второй ступени
25
2.2. Получение аммиака
6
3
-4 2 -6 3
3513,7 1921,5 10
= 38276,7 + (2,27 8 + ) + 22,35 +
+ 10,554 10 7,077 10 .
Q P T
TT
TT
2H
2
NH
3
3
N
P
2
2074,8
lg lg 2,4943 lg
PP
KT
PT
72
1,8564 10T T J
2
N
P
2
Н
P
3
NH
P
Промышленный способ получения аммиака основан на
прямом взаимодействии водорода и азота:
N
2 (г.)
+ 3H
2NH
2 (г.)
+ Q кДж. (2.24)
3 (г. )
Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим
тепловым эффектом: Q
= 81,79 кДж/моль (тепловой эффект
298
реакции (2.24) при 298 К или 25 ˚С) и при высоких
температурах становится еще более экзотермической
(Q
= 112,86 кДж/моль). Тепловой эффект реакции (в кДж/кмоль
725
NH
) в зависимости от температуры и давления можно посчитать
3
по формуле:
Синтез аммиака проводят под давлением 108 МПа (109 атм.)
и температуре 450-500
о
С на железном катализаторе. Оптималь-
ное соотношение N2 / H2 = 3 / 1. Из-за обратимости реакции и
недостижимости равновесных условий азотоводородная смесь
(АВС) не полностью перерабатывается в аммиак.
Константа равновесия реакции (2.24) может быть рассчита-
на по эмпирическому уравнению Ларсона и Доджа:
, (2.25)
где
коэффициентов β и J зависят от общего давления (табл. 2.15).
условиях, когда достигаемая концентрация аммиака в газе значи-
26
,
,
– парциальные давления газов, атм; значения
Для обеспечения большой скорости процесса его ведут в
тельно меньше равновесной. Равновесную концентрацию аммиака
3 3 3
P
24
NH NH NH
308
200 10 0
K
C C C
P
3
NH
C
Р
β
J
Па
атм.
10,13 ∙ 10
5
10
0
1,993
30,39 ∙ 10
5
30
3,4 ∙ 10
-5
2,021
50,65 ∙ 10
5
50
1,256 ∙ 10
-4
2,090
10,13 ∙ 10
6
100
1,256 ∙ 10
-4
2,113
30,39 ∙ 10
6
300
1,256 ∙ 10
-4
2,206
60,78∙ 10
6
600
1,0856 ∙ 10
-3
3,059
10,13 ∙ 10
7
1000
2,6833 ∙ 10
-3
4,473
при синтезе его из эквимолярной АВС можно определить по
уравнению:
, (2.26)
где
– концентрация аммиака при равновесии, % (об.);
P – общее давление газа, атм.
Таблица 2.15
Коэффициенты для расчета константы равновесия
реакции синтеза аммиака
Так как АВС не полностью перерабатывается в аммиак, то
после выделения из нее образовавшегося аммиака она снова возвращается на контактирование, циркулируя в замкнутом цикле
(рис. 2.4). После колонны синтеза аммиак извлекают из циркулирующего газа конденсацией. В системах синтеза, работающих
под давлением (250 – 300) ∙ 105 Па ( 250 – 300 атм.), этот процесс проводят в две ступени: сначала основное количество аммиака выделяют охлаждением газа в водяном холодильнике до 20-35 ˚С, а затем более глубокое выделение производят в
конденсационной колонне и испарителе путем охлаждения газовой смеси испаряющимся жидким аммиаком. В системах, работающих под высоким давлением, ограничиваются одноступенчатой конденсацией аммиака в водяных конденсаторах.
Содержание аммиака в газе % (об.) после конденсации
рассчитывается по формуле:
27
3
NH
5,98788 1099,544
lg 4,1856 ,C
T
P
где P – давление, атм.; T – температура, К.
(2.27)
Рис. 2.4. Принципиальная схема агрегата синтеза аммиака под
средним давлением: 1 – колонна синтеза; 2 – водяной холодильник;
3 – сепаратор; 4 – циркуляционный насос; 5 – фильтр; 6 – аммиачный
конденсатор; 7 – сепаратор; А – ввод свежего газа;
В – продувочный газ
Накопленные инертные газы (аргон, метан и др.) понижают парциальные давления водорода и азота, и поэтому выход аммиака
уменьшается. Их периодически удаляют из системы путем вывода из цикла синтеза части циркулирующего газа (продувочный
газ). Для того чтобы содержание инертных газов в циркулирующем газе не повышалось, их количество, выводимое с продувочным газом, должно быть равно их количеству, вводимому в цикл
со свежей азотоводородной смесью.
Пример 5. Составить материальный баланс синтеза аммиа-
ка, технологическая схема которого изображена на рис. 2.4. Синтез ведут под давлением 304∙105 Па (300 атм.) при 500
о
С. Состав
свежего газа: H2 – 74,85 %; N2 – 24,95 %; инертных газов (для упрощения условно принимаем, что они состоят только из СH4) -
28
0,2 % (об.). Содержание инертных газов в продувочном газе не
Компонент
Содержание
V, м3
n, кмоль
H2
748,5
33,42
N2
249,5
11,14
СH4 (инертные газы)
2,0
0,09
Всего
1000,0
44,65
3
NH
5,98788 1099,544
lg 4,1856 0,902,
273 300
300
C
3
NH
7,98C
более 3,0 % (об.). Степень достижения равновесных условий 0,60.
В водяном конденсаторе газ охлаждается до 30 оС, а в аммиачном
испарителе до -5
5
310∙10
(306 атм).
Решение. Расчет ведем на 1000 м
о
С. Давление в конденсационной колонне
3
АВС. В цикл синтеза по-
ступает, кмоль (табл. 2.16):
Таблица 2.16
Компоненты, поступающие в цикл синтеза
Введем обозначения: u – количество NН
конденсаторах, кмоль; v – количество NН
, сконденсированного в
3
, получаемого в
3
водяном конденсаторе, кмоль; w – количество циркулирующих
H2 + N2, кмоль; x – количество NН3, находящегося в цикле, кмоль;
y – количество СH4, находящегося в цикле, кмоль; z – количество
H2 + N2, выводимое с продувочными газами, кмоль.
Все количество поступающего со свежей АВС метана
(инертных газов) должно выводиться из цикла с продувочными
газами. Продувочные газы содержат водород, азот, метан:
n1 = z + 0,09 кмоль.
Продувочные газы выводятся после водяного конденсатора, поэтому они насыщены аммиаком при 30 оС, концентрацию которого определяем по формуле (2.27):
% (об.).
29
Количество аммиака, уходящее с продувочными газами:
43
3
CH NH
2
NH
()
( 0,09) 7,98
0,0867 0,0078.
100 100 7,98
z n C
z
nz
C
0,09
0,03;
1,0867 0,0978z
5
5
3 304 10
0,07 (1 0,03 0,0798) 14,0
4 1,013 10
5
5
1 304 10
0,075 (1 0,03 0,0798) 5,0
4 1,013 10
5
5
3 310 10
0,043 (1 0,03 0,0266) 9,3
4 1,013 10
5
5
1 310 10
0,048 (1 0,03 0,0266) 3,5
4 1,013 10
(2.28)
Общее количество продувочных газов:
n3 = z + 0,09 +0,0867 ∙ z + 0,0078 = 1,0867 ∙ z + 0,0978. (2.29)
Так как содержание метана после водяного конденсатора в газе
составляет 3 % (об.) (то же, что и в продувочном газе), то можно
записать:
z = 2,67 кмоль.
Подставив значение z в уравнение (2.28) и (2.29) получим n2 =
= 0,239 кмоль; n3 = 3,0 кмоль.
Часть АВС растворяется в жидком аммиаке, выводимом
после водяного и аммиачного конденсаторов. Растворением метана пренебрегаем из-за весьма малого его количества. В 1 м
жидкого NН
растворяется при 30
3
о
С в пересчете на н.у.:
м3 H2;
3
3
м
N2,
где 0,03 и 0,0798 – содержание метана и аммиака в газовой смеси,
об. доли; 0,07 и 0,075 – растворимости H2 и N
го аммиака при 30
При -5
о
С и 1 атм.
о
С в аммиачном конденсаторе в 1 м
в м3 на 1 м
2
3
жидко-
3
жидкого ам-
миака растворяется:
3
м
H2;
3
м
N2,
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]