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
где 0,043 и 0,048 – растворимости H
3
NH
55
5,98788 1099,54
lg 4,1856 0,4251 ;
273 5
310 10 /1,013 10
C
3
NH
2,66C
(14 17)
0,018
(22,4 595)
(5 17)
0,0064
(22,4 595)
(9,3 17)
(22,4 645)
(3,5 17)
0,0041
(22,4 595)
2
и N
2
3
(м3/м
аммиака) при
-5 оС; 0,0266 – содержание аммиака (об. доли) в газе после
аммиачного испарителя при -5 оС, найденной по формуле (2.27):
% (об.)
В 1 кмоль NН3 при 30 ˚С растворяется
кмоль H2 и
(595 – плотность жидкого NН
при 30 оС, кг / м3).
3
кмоль N2
Всего 0,0244 кмоль.
При -5 ˚С в 1 кмоль NН
= 0,011 кмоль H2 и
растворяется
3
кмоль N2 (645 – плот-
ность жидкого NН3 при -5 ˚С, кг / м3). Всего 0,0151 кмоль.
Количество N2 и H
, растворяющееся в жидком аммиаке,
2
кмоль:
- в водяном конденсаторе: n4 = 0,0245 ∙ v;
- в аммиачном конденсаторе: n5 = (u – v) ∙ 0,0151.
Количество газовой смеси (кмоль) на выходе из колонны синтеза
рано сумме кмоль N2 , H2 , NН3 и СH
, находящихся постоянно в
4
цикле, плюс образовавшийся аммиак в колонне, плюс продувочные газы и N2 + H2, растворившиеся в жидком аммиаке в водяном
конденсаторе, т.е.:
n6 = w + x + y + u + 1,0867 ∙ z + 0,0978 + 0,0244 ∙ v.
В этой смеси находится аммиака, в кмоль:
n7 = x + u + 0,0867 ∙ z + 0,0078.
Концентрация аммиака в газе, в об. долях:
31
3
NH
0,0867 0,0078
1,0867 0,0978 0,0244
x u z
w x y u z
С
v
. (2.30)
P
K
4
P
72
2074,8
lg 2,4943 lg773 1,256 10 773
773
1,8564 10 773 2,206;
K
P
lg 199,56.K
3 3 3
24
NH NH NH
308 199,56
200 10 0;
300
C C C
3
NH
26,42С
3
NH
26,42 0,6 15,85С
3
NH
С
0,0867 2,67 0,0078
1,0867 2,67 0,097
0,1
8 0,0284
5 5;
4
xu
w x y u v
Содержание аммиака после колонны синтеза определяем по
формуле (2.26). Для этого находим значение
при 500 оС по
уравнению (2.25):
Решаем уравнение
% (об.).
Так как по условию равновесие достигается на 0,6, то действительная концентрация NН3 в газе равна:
% (об.).
Подставляя в уравнение (2.30) значение
= 0,1585 и z = 2,67,
находим:
0,84 ∙ (x + u) – 0,1585 ∙ (w + y) – 0,00387 ∙ v – 0,236 = 0. (2.31)
После водяного конденсатора и сепаратора количество газовой смеси уменьшится вследствие отделения части аммиака и
растворения в нем N2 и H2 и составит, кмоль:
n8 = w + x + y + u + 1,0867 ∙ z + 0,09794 – v – 0,0244 ∙ v =
= w + x + y + u + 1,0867 ∙ 2,67 + 0,09794 – v – 0,0245 ∙ v =
= w + x + y + u + 2,9015 – 1,0244 ∙ v.
32
В этой смеси находится аммиак, кмоль:
3
NH
7,98C
0,239
0,081,
2,9015 1,0244
u v x
w x y u v
0,03,
y
w x y u v
n8 = u – v + x + 0,0867 ∙ z + 0,0078 = u – v + x + 0,0867 ∙ 2,67 +
+ 0,0078 = u – v + x + 0,239.
Так как концентрация аммиака в продувочных газах
% (об.), то:
0,92∙ (u + x) – 0,0798∙ (w + y) – 0,0918 ∙ v = 0. (2.32)
Перед циркуляционным компрессором, т.е. после продувки, количество газовой смеси составляет, кмоль:
n9 = w + x + y + u – v.
В этой смеси в соответствии с условием задачи содержится y
(кмоль) СH4, что составляет 3 % (об.). Следовательно,
w + x + u – v – 32,3 ∙ y = 0. (2.33)
После циркуляционного компрессора к газовой смеси прибавляют свежую АВС в количестве 44,65 кмоль (табл. 2.16). Общее количество газа составит, кмоль:
n
= w + x + y + u – v – 44,65.
10
В аммиачном конденсаторе выделяется (u – v) кмоль NН3,
котором растворено 0,0151 ∙ (u – v) кмоль азота и водорода. В
связи с этим после аммиачного конденсатора (или на входе в колонну синтеза) количество газа равно, кмоль:
n
= w + x + y + 44,65 – 0,0151 ∙ (u – v).
11
Ранее было найдено, что содержание аммиака в этой смеси составляет 2,66 % (об.). Следовательно,
33
в
0,0266,
44,65 0,0151 ( )
x
w x y u v
кмоль
% (об.)
NН3
x
4,84
2,66
СH4
n
14
= y + n
СH
4
4,41
2,42
H2 + N2
187,98 – x – n14
172,71
94,92
Всего:
181,96
100
w + y – 0,0151 ∙ (u – v) – 36,6 ∙ x + 44,65 = 0.
При образовании NН3 в колонне синтеза количество смеси
уменьшается на n
(u + 0,239) кмоль, следовательно, из колон-
12 =
ны синтеза входит газа, кмоль:
n
= w + x + y + 44,65 – 0,0151 ∙ (u – v) – n12,
13
где 0,239 – количество аммиака в продувочных газах, кмоль.
С другой стороны, ранее было найдено, что количество газа
после колонны синтеза составляет, кмоль:
n6 = w + x + y + u + 1,0867 ∙ z + 0,0978 + 0,0244 ∙ v.
Приравнивая оба выражения значений количества газа после колонны синтеза и подставив значение z = 2,67 кмоль, получим:
41,41 – 2,0151 ∙ u – 0,0094 ∙ v = 0. (2.34)
Решая систему полученных уравнений (2.31)-(2.34), находим, кмоль: u = 20,49; v = 13,86; y =4,32; x = 4,84; w = 128,25.
В колонну синтеза поступает газа, кмоль:
n
= 128,25 + 4,84 + 4,32 – 0,015 ∙ (20,49 – 13,86) = 181,96.
11
Из них:
Количество газа на выходе из колонны, кмоль:
n
= 128,25 + 4,84 +4,32 + 44,65 – 0,0151 – (20,49 – 13,86) –
13
– 20,49 – 0,239 = 161,23.
34
Из них:
кмоль
% (об.)
NН3
n
15
= x + u + 0,239
25,57
15,86
СH4
n14
4,41
2,74
H2 + N2
n
16
= n
13
– n
15
+ n14
131,25
81,40
Всего:
161,23
100,00
Конденсируется аммиака, кмоль:
- в водяном конденсаторе: v =13,86;
- в аммиачном конденсаторе: n17=(u – v)=20,49–13,86 = 6,63.
В жидком аммиаке растворяется АВС, кмоль:
- в водяном конденсаторе: n4 = 0,33;
- в аммиачном конденсаторе: n5 = 0,10.
Превращается АВС, кмоль:
n
= n0 – z – n4 – n5 – n
18
СH
;
4
= 44,65 – 2,67 – 0,33 – 0,10 – 0,09 = 41,45.
Составим материальный баланс цикла синтеза аммиака (на
1000 м
3
исходного газа) (табл. 2.17).
Всего образуется 20,73 кмоль NН3, из которых 20,49 кмоль
выводится в виде продукта, а 0,239 кмоль теряется с продувочными газами. Потери NН3 от полученного составляют:
(0,239 / 20.73) ∙ 100 = 11,55 %.
Из 1000 м
41,45 кмоль H2 и N
3
исходного газа в аммиак превращается
, что составляет от поступившей АВС (за вы-
2
четом метана): (41,45 / 44,56) ∙ 100 = 93,03 %.
На получение товарного аммиака расходуется АВС:
20,49 ∙ 2 = 40,98 кмоль;
(40,98 / 44,56) ∙ 100 = 91,96 %.
Теряется АВС: - на продувку: (2,67 / 44,56) ∙ 100 = 6,0 %;
- на образование аммиака, удаляемого с продувоч-
ными газами: (0,239 ∙ 2)/44,56 = 0, 107 или 1,07 %;
- растворяется в жидком аммиаке: (0,44 / 44,56) =
= 0,01 или 1 %.
Всего: 8,074%.
На получение 1000 кг NН3 требуется исходной АВС:
(1000 ∙ 1000) / (20,49 ∙ 17) = 2871 м
3
.
35
Материальный баланс цикла синтеза аммиака
Компо-
нент
Статья
Приход,
кмоль
Расход,
кмоль
H2 + N2
Вводится со свежей АВС (n0)
44,65
–
Выводится из цикла с продувочными газами (z)
–
2,67
Растворяется в жидком аммиаке, в т.ч.:
- в водяном конденсаторе (n4)
- в аммиачном конденсаторе (n5)
– – 0,33
0,11
Циркулирует в системе (n16)
131,25
131,25
Превращается в аммиак (n18)
–
41,45
Всего
175,90
175,80
NН3
Образуется в колонне (n12)
20,73
–
Выделяется в сепараторе, в т.ч.:
- водяного холодильника(v)
- аммиачного холодильника (n17)
- выводится с продувочными газами (n2)
-циркулирует в системе (х)
–
–
–
4,84
13,86
6,63
0,24
4,84
Всего
25,57
25,57
СH4
Вводится с АВС (n
СH4
)
0,09
–
Циркулирует в системе (y)
4,32
4,32
Выводится с продувочными газами (n
СH4
)
–
0,09
Всего
4,41
4,41
на 1000 м3 исходного газа
Пример 6. На основании материального баланса цикла
синтеза аммиака (пример 5) произвести тепловые расчеты основных аппаратов. Исходные данные. Колонна синтеза аммиака:
температура поступающей АВС 0
из катализаторной коробки 500
ка: температура газа на выходе 30 оС; температура поступающей
воды 25
о
С; температура выходящей воды 40 оС. Аммиачный
конденсатор: температура свежего газа 25 оС; температура газа
после циркуляционного компрессора 36 оС; газ охлаждается до
-5 оС. Расчет провести на 1000 м3 свежего газа, поступившего в
цикл синтеза.
Решение. Расчет колонны синтеза. Для понимания сущно-
сти теплообменных процессов, проходящих в колонне синтеза
аммиака, рассмотрим ее устройство. На рис. 2.5 показана четы-
36
Таблица 2.17
о
С; температура газа на выходе
о
С. Водяной конденсатор аммиа-
рехполочная колонна с аксиальными насадками. Основной поток
газа поступает в колонну снизу, проходит по кольцевому пространству между корпусом колонны 15 и кожухом катализаторной коробки 3 и поступает в межтрубное пространство теплообменника 6. Здесь синтез-газ нагревается конвертированным газом
и проходит последовательно четыре слоя катализатора. После
четвертого слоя катализатора газовая смесь при 500-550 ˚С поднимается по центральной трубе 2, проходит по трубкам теплообменника 6, охлаждаясь при этом, и выходит из колонны синтеза.
Рис. 2.5. Четырехполочная колонна синтеза аммиака:
1 – люк для выгрузки катализатора; 2 – центральная труба; 3 – корпус
катализаторной коробки; 4 – термопарный чехол; 5 - загрузочный люк;
6 – теплообменник; 7, 9, 11, 13 – ввод байпасного газа; 8, 10, 12, 14 катализаторные слои; 15 – корпус колонны
37
Для нахождения теплосодержания газа на входе в катализа-
81790
20,73
2
847 753,35
2 к к к
= Δ,QqСt
к
q
к
С
500
С
Компонент
кмоль
мольная
доля
Теплоемкости
компонентов
при 500
о
С,
кДж / (кмоль ∙ К)
NН3
25,57
0,1586
43,73
СH4
4,41
0,0274
48,19
H2
131,25 ∙ 0,75 = 98,44
0,6105
29,28
N2
131,25 ∙ 0,25 = 32,81
0,2035
29,93
Всего
161,23
1,0000
-
торную коробку или (что то же) на выходе из теплообменника
составим тепловой баланс катализаторной коробки колонны синтеза.
Теплоту, выделяющуюся в результате реакции синтеза аммиака в количестве 20,73 кмоль (табл. 2.17), найдем по уравнению (2.24), принимая Q = 81,79 кДж/моль:
Q1 =
кДж.
Теплоту, уносимую из катализаторной коробки при 500 оС, найдем по формуле:
где
– количество молей газа после колонны синтеза;
– сред-
няя теплоемкость газа при 500 оС, кДж / (кмоль ∙ К), которую необходимо найти по уравнению (1.4):
= 43,73 ∙ 0,1586 + 48,19 ∙ 0,0274 + 29,28 ∙ 0,6105 +
+ 29,93 ∙ 0,2035 = 32,86 кДж/(кмоль ∙ К);
Q2 = 161,23 ∙ 32,86 ∙ 500 = 2 648 733,12 кДж.
Состав смеси после колонны синтеза (на основе табл. 2.17) и
средние теплоемкости компонентов смеси (см. приложение) приведены в табл. 2.18.
Таблица 2.18
Состав газовой смеси после колонны синтеза
и средние теплоемкости компонентов смеси
38
Теплопотери в верхней части колонны синтеза примем
3
н
нн
=,
Q
t
g с
н
g
Компонент
кмоль
% (об.)
Теплоемкости компонентов
при 300
о
С,
кДж / (кмоль ∙ К)
NН3
4,84
2,66
40,49
СH4
4,41
2,42
42,60
H2
131,26
72,14
29,13
N2
41,45
22,78
29,33
Всего
181,96
100,00
-
300
С
равными 1 % от теплоты, уносимой газом из катализаторной коробки:
Q
= 0,01 ∙ 2 648 733,1 = 26 487,33 кДж.
теплоп.
Количество теплоты, вносимое газом, входящим в катализаторную коробку, Q3, найдем как разность между теплотой уходящего газа плюс теплопотери и количеством теплоты, выделяющейся в результате реакции:
Q
= Q2 + Q
3
– Q1 = 2 648 733,1 + 26 487,33 – 847753,35 =
теплоп.
= 1 827 467,10 кДж.
Температуру газа, входящего в катализаторную коробку,
найдем по следующей формуле:
(2.35)
где
– количество АВС на входе в колонну синтеза. Состав
АВС и теплоемкости компонентов смеси приведены в табл. 2.19.
Из практики известно, что при температуре катализа
о
500
С, температура газовой смеси на входе в катализаторную
коробку составляет 300-350 оС. Проведем расчет средней теплоемкости газа для 300
+ 29,33 ∙ 0,2278 = 29,80 кДж/(кмоль ∙ К).
Таблица 2.19
Состав газовой смеси на входе в колонну синтеза
и средние теплоемкости компонентов смеси
о
С:
= 40,49 ∙ 0,0266 + 42,60 ∙ 0,0242 + 29,13 ∙ 0,7214 +
39
Найдем температуру газа на входе в катализаторную коробку
н
t
кол.син.
t
(или на выходе из теплообменника) по уравнению (2.35):
= 1 827 467,1 / (181,96 ∙ 29,80) = 336 оС.
Эта температура близка к принятой (300 оС) для расчета средней
теплоемкости газа.
Температуру газа на выходе из колонны определим из теплового баланса теплообменника. Теплота, вносимая газом, поступающим в колонну синтеза при 0 оС, равна нулю, а теплота газа,
уходящего из катализаторной коробки, равна 2 648 733,12 кДж.
Теплота, уносимая газом из теплообменника в катализаторную
коробку, составляет 1 827 467,1 кДж. Теплопотери в окружающую среду в нижней части колонны примем равными 1 % от
теплоты, уносимой газом из катализаторной коробки, т.е.
26 487,33 кДж (такими же, как и в верхней части).
Теплота, уносимая газом, покидающим колонну синтеза:
Q
= Q2 – Q3 – Q
4
= 2 648 733,1 – 1 827 467,1 –
теплоп.
– 26 487,331 = 794 778,69 кДж.
Средняя теплоемкость газа при 200
о
С (расчет по уравне-
нию (1.4) с применением значений средних теплоемкостей компонентов смеси, взятых в приложении):
С
= 39,10 ∙ 0,1586 + 39,62 ∙ 0,0274 + 29,05 ∙ 0,61,5 +
200
+ 29,01 ∙ 0,2035 = 30,92 кДж/(кмоль ∙ К).
Температура газа, выходящего из колонны синтеза:
= 794 778,69 / (161,83 ∙ 30,92) = 159 оС.
Данные по температуре газа, выходящего из колонны синтеза,
нам необходимы для расчета водяного конденсатора аммиака.
Схема тепловых потоков в колонне синтеза аммиака приведена на рис. 2.6.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]