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
Рис. 2.6. Схема тепловых потоков в колонне синтеза аммиака:
КС – колонна синтеза; ТО – теплообменник; КК – катализаторная
коробка; ЦТ – центральная труба
Расчет водяного конденсатора аммиака. В водяной кон-
денсатор газ поступает с температурой 159
дой до 30
о
С; при этом конденсируется 13,86 кмоль аммиака.
о
С и охлаждается во-
Теплота, выделяющаяся при конденсации 1 кмоль аммиака, составляет 20 315 кДж (данные литературы). Найдем теплоту, выделяющуюся при конденсации 13,86 кмоль аммиака в водяном
конденсаторе:
Q5 = 13,68 ∙ 20315 = 277 909,20 кДж.
Теплота газа, покидающего колонну синтеза, составляет
Q4 = 794 778,69 кДж, а газа, уходящего из конденсатора при 30 оС:
Q = g ∙ C ∙ t,
41
где g = 161,23 – 13,86 – 0,33 = 147,04 кмоль – количество газа на
Компонент
кмоль
% (об.)
Теплоемкости ком-
понентов при 30
о
С,
кДж / (кмоль ∙ К)
H2
0,75 ∙ (131,25 –0,33) = 98,19
66,7
28,96
N2
0,25 ∙ (131,25 –0,33) =32,73
22,3
28,34
NН3
25,57 – 13,86 = 11,71
8,0
35,76
СH4
4,41
3,0
33,31
Всего
147,04
100,0
-
917096,43
14,63
4,18 (40 25) 1000
выходе из конденсатора, равное разности между количеством
поступившего газа и сконденсированным в холодильнике аммиаком (13,86 кмоль) с растворенными в нем азотом и водородом
(0,33 кмоль).
Состав газа после холодильника и теплоемкости компонентов газа приведены в табл. (табл. 2.20).
Таблица 2.20
Состав газовой смеси после холодильника
и средние теплоемкости компонентов смеси
Средняя теплоемкость газа при 30
С
30
= 29,49 кДж/(кмоль ∙ К).
Теплоты, кДж:
уходящего газа: Q6 = 147,04 ∙ 29,49 ∙ 30 = 130 103,91;
жидкого аммиака: Q7 = 13,55 ∙ 62,7 ∙ 30 = 25 487,55,
где 62,7 – теплоемкость жидкого аммиака, кДж/(кмоль ∙ К).
Теплота, уносимая охлаждающей водой:
Q8 = Q4 + Q5 – Q
– 130 103,91 – 25 487,55 = 917 096,43 кДж.
При нагревании воды с 25 до 40
V =
газа или (14,63 ∙ 2800) / 1000 = 40,95 м3 на 1 т аммиака.
42
о
С:
= 28,96 ∙ 0,667 + 28,34 ∙ 0,223 + 35,76∙0,08 + 33,31∙0,03 =
– Q7 = 794 778,69 + 277 909,20 –
6
о
С ее потребуется:
3
м
на 1000 м
3
исходного
Расчет аммиачного конденсатора аммиака. В аммиачный
конденсатор поступает газ из циркуляционного компрессора
при 36
о
С и свежая АВС при 25 оС.
Найдем теплоту, вносимую газом, поступающим из циркуляционного компрессора (Q9); свежим газом (Q10) и теплоту,
выделяющуюся при конденсации аммиака (Q11):
Q9 = 147,04 ∙ 29,49 ∙ 36 = 156 103,55 кДж;
Q10 = 44,65 ∙ 28,81 ∙ 25 = 32 159,16 кДж;
Q11 = 20 315 ∙ 6,63 = 134 688,45 кДж.
Теплосодержание газа, выходящего из конденсатора
при -5 оС:
Q12 = 181,96 ∙ 28,9 ∙ (-5) = - 26 293,22 кДж,
где 28,9 – теплоемкость газа, кДж/(кмоль ∙ К).
Теплосодержание жидкого аммиака, выходящего из конденсатора при -5 оС:
Q13 = 6,63 ∙ 58,52 ∙ (-5) = -1 939,94 кДж.
Количество теплоты, которое требуется отвести в
конденсатор:
Q14 = Q9 + Q
+ Q11 – Q12 – Q13 = 156 103,55 + 32 159,16 +
10
+ 134 688,45 – (-26 293,22) – (-1 939,9) = 351 184,28 кДж.
Для этого необходимо испарить жидкого аммиака:
351 184,28 / 20 315 = 17,3 кмоль.
От количества аммиака, выпускаемого в виде продукции, это
составит:
(17,3 / 20,46) ∙ 100 = 84,6 %.
Тепловой баланс синтеза аммиака приведен в табл. 2.21.
43
Тепловой баланс цикла синтеза аммиака
Приход
Расход
Статья
кДж
Статья
кДж
Расчет колонны синтеза
Количество теплоты, вносимое газом
в колонну синтеза
0,00
Теплопотери
(в верхней части
колонны + в
нижней части)
26487,33∙2 = 52974,66
Количество теплоты, выделяющейся в
результате реакции
синтеза аммиака
847 753,35
Теплота, уносимая газом, покидающим колонну
синтеза
794 778,69
Всего
847 753,35
Всего
847 753,35
Расчет водяного конденсатора
Теплота, приносимая газом из
колонны синтеза
794 778,69
Теплота, уносимая охлаждающей водой
917 096,43
Теплота, выделяющаяся при
конденсации аммиака
277 909,20
Теплота уходящего газа 130 103,91
Теплота жидкого
аммиака 25 487,55
Всего
1 072 687,89
Всего
1 072 687,89
Расчет аммиачного конденсатора
Теплота, вносимая
газом, поступающим из циркуляционного компрессора
156 103,55
Теплосодержание газа, выходящего из конденсатора
- 26 293,22
Теплота, вносимая
свежим газом
32 159,16
Теплосодержание жидкого
аммиака, выходящего из конденсатора
-1 939,94
Теплота, выделяющуяся при
конденсации аммиака
134688,45
Количество теплоты, которое
требуется отвести в конденсатор
351 184,28
Всего
322 951,16
Всего
322 951,16
в расчете на 1000 м3 свежего газа
Таблица 2.21
44
Данные для расчета
Вариант
1 2 3 4 5
Состав свежего газа, % (об.):
H2
N2
СH4 (инертные газы в АВС)
73,00
24,50
2,50
74,45
23,60
1,95
74,65
23,85
1,50
75,25
22,65
2,10
73,60
24,10
2,30
Содержание инертных газов в продувочном газе не более, %
2,5
3,0
3,5
3,0
2,0
Степень достижения равновесный
условий
0,55
0,65
0,60
0,65
0,60
Синтез ведут под давлением, 105 Па
250
270
290
300
310
Давление в конденсационной колонне, 105 Па
260
280
300
310
320
Колонна синтеза, температура,
о
С:
поступающей АВС,
газа на выходе из катализ. коробки
0
505
0
510
3
515
5
505
10
510
Водяной конденсатор, темп., оС:
газа на выходе
воды на входе
воды на выходе
28
23
38
32
27
42
35
30
45
37
32
47
31
26
41
Аммиачный конденсатор, темп. , оС:
свежего газа
газа после циркуляц. компрессора
охлажденного газа
24
33
-6
28
37
-5
31
40
-4
33
42
-3
27
36
-2
Расчет провести на следующий объем АВС, м
3
800
900
1000
1200
1300
1. Составьте материальный баланс синтеза аммиака, кото-
рый осуществляется в условиях, приведенных в табл. 2.22.
2. С применением материального баланса, рассчитанного
для вашего варианта в задании 1, составьте тепловой баланс синтеза аммиака для того же варианта по данным табл. 2.22. Обратите внимание, что для вариантов 3–5, для которых по условию
температура АВС, поступающей в колонну синтеза, не равна нулю, в приходной статье количество теплоты, вносимое газом в
колонну синтеза, также не будет равно нулю в отличие от разобранного примера (рис. 2.6).
Таблица 2.22
Данные для составления материального
и теплового балансов синтеза аммиака
Задачи для самостоятельного решения
45
3. ПОЛУЧЕНИЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Процесс производства разбавленной азотной кислоты со-
стоит из трех стадий:
1) конверсии аммиака с целью получения оксида азота (II):
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 905,8 кДж; (3.1)
2) окисления оксида азота (II) до оксида азота (IV):
2NO + O2 ↔ 2NO2 + 112,4 кДж; (3.2)
3) абсорбции оксидов азота:
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3 + 73,6 кДж. (3.3)
Суммарная реакция образования азотной кислоты выражается
уравнением
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O. (3.4)
Помимо основных реакций в системе протекают и побоч-
ные, приводящие к дефиксации азота и выражающиеся следующим суммарным уравнением:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1266,96 кДж. (3.5)
Сырьем для получения азотной кислоты служат аммиак,
воздух и вода. В 1960-х гг. разработан агрегат по производству
азотной кислоты мощностью 120 тыс. т/год под давлением
0,716 МПа, выпускающий продукцию в виде 53–58 %-ной HNO3.
В основу схемы АК-72 положен замкнутый энерготехноло-
гический цикл с двухступенчатой конверсией аммиака и охлаждением нитрозных газов под давлением 0,42-0,47 МПа и абсорбцией
оксидов азота при давлении 1,10-1,26 МПа. Продукция выпускается
в виде раствора HNO3 с массовой долей азотной кислоты 60 %.
Первый агрегат мощностью 380 000 т/год запущен в 1976 г.
46
3.1. Окисление аммиака
Агрегат окисления аммиака (независимо от того при атмо-
сферном или повышенном давлении осуществляется процесс)
включает фильтр очистки воздуха, турбокомпрессор для сжатия и
подачи воздуха, смеситель, совмещенный с фильтром тонкой очистки, подогреватель аммиака и воздуха, контактный аппарат с пароперегревателем и котлом-утилизатором.
Основным аппаратом стадии окисления аммиака при произ-
водстве азотной кислоты является контактный аппарат. В зависимости от того, при каком давлении проводят процесс окисления,
аппарат имеет разную конструкцию. На рис. 3.1 приведен общий
вид контактного аппарата, работающего под давлением 0,54 МПа.
Рис. 3.1. Контактный аппарат с двухступенчатым катализатор-
ным окислением аммиака, работающий под давлением 0,54 МПа:
1 – верхний конус; 2 - платиновая сетка; 3 – нижний конус; 4 – трубка
для отбора проб; 5 – водяная рубашка; 6 – термопара; 7 – неплатиновый
катализатор
47
Первая ступень окисления аммиака осуществляется на платиноидных сетках (платинородиевый катализатор). Неплатиновый
катализатор (железохромовый) загружают в катализаторную корзину, изготовленную из жаропрочной стали. Нитрозные газы при
температуре 840-860 ˚С поступают в котел-утилизатор, расположенный под контактным аппаратом.
Контактный аппарат для окисления аммиака до оксида под
давлением 0,716 МПа имеет другую конструкцию (рис. 3.2): аммиачно-воздушная смесь поступает в аппарат сбоку, огибает
внутренний конус и сверху подается на катализатор (12 платиновых сеток).
Рис. 3.2. Контактный аппарат для окисления аммиака под дав-
лением 0,716 МПа: 1 – корпус; 2 – кольца Рашига; 3 – термопары;
4 – смотровое окно; 5 – поворотный механизм; 6 – взрывная пластина;
7 – трубка для разогрева катализатора; 8 - распределительная решетка;
9 – пробоотборник; 10 – катализаторные сетки; 11 – колосники
Верхний штуцер аппарата перекрыт предохранительной взрывной пластиной, которая разрывается в случае внезапного повышения давления внутри конвертора.
48
Пример 1. Составить материальный баланс стадии окисле-
3
теор.
NH
m
3
теор.
NH
269,8 кгm .
3
3
теор.
NH
практ.
NH
12
269,8
302,3 кг
0,97 0,92
m
m .
КК
3
практ.
NH
V
3
3
практ.
NH
3
практ. влажн.
NH возд.
100
V
К
VV
влажн. 3
возд.
3065,2 м.V
2
сух. влажн. 3
возд. возд.
возд. влажн. 3
Н О возд.
0,97 3065,2 0,97 2973,2 м,
0,03 3065,2 0,03 92,0 м
V V =
V V = .
2
возд. 3
О
2973,2 0,21 624,4 м,V
ния аммиака при необходимости получения 1000 кг HNO3. Исходные данные для расчета: степень превращения аммиака в NO
К
= 0,97; степень абсорбции К2 = 0,92; концентрация аммиака в
1
аммиачно-воздушной смеси К3 = 11,5 % (об.); влажность воздуха
3 % (об.).
Решение. По балансовому уравнению (3.4) вычислим мас-
су аммиака
, необходимую для производства 1000 кг HNO3:
С учетом значений К1 и К
найдем практическую массу аммиака:
2
Эта масса аммиака при н.у. занимает объем 398,3 м
3
(
).
Найдем объем влажного воздуха, необходимый для производства
1000 кг HNO3;
,
Найдем объем сухого воздуха и водяных паров, поступаю-
щих в агрегат:
Принимая объемные доли кислорода и азота в сухом возду-
хе равными 0,21 и 0,79 соответственно, найдем объемы поступающих кислорода и азота:
49
что соответствует 892 кг (н.у),
2
возд. 3
N
2973,2 0,79 2348,8 м,V
33
(3.1) практ.
NO NO NH 1 NH 1
3
22,4 K 22,4
398,3 0,97 386,4 м,
V ν ν V K
3
2
практ.
NH
(3.1) 3
Н О 1
398,3
6 6 0,97 579,6 м,
44
V
V K
2
(3.1) 3
О
482,9 м.V
3
2
практ.
NH
(3.5) 3
N1
398,3
2 (1 ) 0,03 6,0 м,
42
V
V K
3
2
практ.
NH
(3.5) 3
Н О 1
398,3
6 (1 ) 6 0,03 17,9 м,
44
V
V K
3
2
практ.
NH
(3.5) 3
О1
398,3
3 (1 ) 3 0,03 9,0 м.
44
V
V K
2 2 2 2
возд. (3.1) (3.5) 3
О О О О
624,4 482,9 9,0 132,5 м,V V V V
2 2 2
возд. (3.5) 3
N N N
2348,8 6,0 2354,8 м,V V V
2 2 2 2
возд. (3.1) (3.5) 3
Н О Н О Н О Н О
92,0 579,6 17,9 689,5 мV V V V .
что составляет 2936 кг (н.у).
Найдем объем образовавшихся по реакции (3.1) NO, Н
расходуемого О
с учетом заданной степени превращения NH3:
2
Определим объемы N2 и H2O, образующихся при протека-
нии побочной реакции (3.5) и объем расходуемого О2:
Вычислим находящиеся в газе после окисления аммиака
объемы кислорода, азота и паров воды:
О и
2
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]