18. Функциональная схема синтеза аммиака

Существует несколько разновидностей схем химико-технологи-ческого процесса: функциональная (принципиальная), структурная, операционная (операторная), технологическая.

Составление различных видов схем покажем на примере получения аммиака. Сначала приведем химическую схему процесса, т. е. реакции, по которым осуществляется процесс. С целью получения водорода проводят конверсию метана:

СН₄+Н₂О(пар)=СО+ЗН₂ ;

СН₄+1/2О₂=СО+2Н₂.

Получаемый оксид углерода в дальнейшем конвертируется водяным паром с получением водорода:

СО+Н₂О(пар)=Н₂+СО₂.

Поскольку конверсия ведется не чистым водяным паром, а в смеси с воздухом, то в продуктах реакций наряду с водородом присутствует азот; получается азотоводородная смесь (авс). Далее следует собственно синтез аммиака:

N₂+3H₂=2NН₃.

Чтобы показать принцип составления различного вида схем, рассмотрим один узел производства – цех синтеза NН₃.

Функциональная схема дает общее представление о процессе функционирования ХТС. На схеме выделяются основные узлы (системы), выполняющие определенную технологическую операцию, показаны технологические связи между ними. По схеме можно определить, какие операции совершаются в производстве и в какой последовательности. Сведений о типах отдельных элементов функциональная схема не дает, функциональная схема производства аммиака показана на рис. 2.

Азотоводородная смесь сжимается до давления 30 МПа. Затем она смешивается с непрореагировавшей азотоводородной смесью, возвращаемой после реакции, и охлаждается. При охлаждении из азотоводородной смеси конденсируется некоторое количество аммиака, который обычно в ней присутствует. Жидкий аммиак отделяют, а азотоводородную смесь подают на стадию синтеза, где осуществляется реакция синтеза аммиака. Полученный аммиак конденсируют при охлаждении и затем отделяют от непрореагировавшей азотоводородной смеси. Оставшуюся смесь, имеющую давление 28 МПа, сжимают до давления 30 МПа и вновь возвращают в систему на повторное химическое превращение.

Подготовка сырья

-----------------------------------------------------------------------------

Охлаждение

Сжатие авс

Отделение NH₃ от авс

авс

Сжатие авс

_{------------------------}

Синтез аммиака

----------------------------------------------------------------------------------------

Разделение NH₃ и авс

----------------------------------------------------

Охлаждение

^NH₃^(ж) ----------------

---------------------------------------------------- Химическое

Выделение продукта превращение

Рис. 2. Функциональная схема получения аммиака

19. Структурная и операторная схемы синтеза аммиака

Структурная схема ХТС дает изображение всех элементов системы в виде блоков, имеющих несколько входов и выходов, показывает технологические связи между блоками. Как и функциональная, структурная схема не содержит информации об отдельных типах элементов, но технологические связи в ней указывают направление движения материальных и энергетических потоков системы (рис. 3).

1

2

3

5

4

6

G₁ G₂ G₃ G₄ G₅ G₇

G₁₂ L₁ G₆ L₂

7

8

9

G₁₁ G₁₀ G₉ G₈

L₅ L₃ L₄

Рис. 3. Структурная схема синтеза аммиака:

1 – компрессор; 2 – инжектор: 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5, 8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор; G ₁ – G ₁₂ – потоки газа; L₁ – L₅ – потоки жидкости

Операторная схема в отличие от двух предыдущих дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображают в виде определенного типового технологического оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры входных материальных и энергетических потоков, т. е. совершает операцию.

Операторная схема производства аммиака приведена на рис. 4.

М₁₅ М₅

М ₁ 1 М₂ 2 М₃ 3 М₄ 4 М₇ 5

9 М₉

М₁₇ М₁₆ М₆ М₈ 6

М₁₁

8 М₁₃ 7 М₁₀

М₁₄ М₁₂

Рис. 4. Операторная схема синтеза аммиака:

1 – компрессор; 2 – инжектор; 3 – теплообменник; 4 – аммиачный холодильник (испаритель жидкого аммиака); 5, 8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза аммиака (реактор); 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор; М₁ – М₁₇ – физические потоки

20. Технологическая схема синтеза аммиака

Наиболее полное качественное представление о процессе дает технологическая схема. Каждый элемент процесса показан на ней в виде условного стандартного общепринятого изображения, технологические связи показаны направленными линиями со стрелками. По схеме можно судить о типах и способе соединения элементов (аппаратов и машин), о последовательности отдельных технологических процессов. Иногда на схеме приводят краткие указания о химическом составе и наиболее важных данных, характеризующих качество исходного сырья, промежуточных и конечных продуктов. В некоторых случаях аппараты изображают с соблюдением масштаба, чтобы получить представление об их габаритах и конструкции.

На рис. 5 представлена упрощенная (не указаны некоторые второстепенные аппараты) технологическая схема цеха синтеза аммиака.

Рис. 5. Технологическая схема цеха синтеза аммиака (упрощенный вариант):

1 – компрессор; 2 – инжектор; 3 – теплообменник; 4 – испаритель жидкого аммиака; 5, 8 – сепараторы; 6 – колонна синтеза; 7 – водяной холодильник; 9 – циркуляционный компрессор

Технологическую схему можно использовать для изображения технологической системы как на стадии эксплуатации, так и на стадии проектирования. Она – прообраз, позволяющий получить первое представление о создаваемой системе.

Азотоводородная смесь поступает в компрессор 1, где сжимается до давления 30 МПа. Затем в инжекторе 2 она смешивается с непрореагировавшей азотоводородной смесью, возвращаемой после реакции, и охлаждается сначала в теплообменнике 3, а потом в испарителе жидкого аммиака 4. При охлаждении из азотоводородной смеси конденсируется некоторое количество аммиака, который обычно в ней присутствует. В сепараторе 5 жидкий аммиак отделяют, а азотоводородную смесь подают в колонну синтеза 6, где и осуществляется реакция. Полученный аммиак конденсируют при охлаждении в водяном конденсаторе 7 и затем отделяют от непрореагировавшей азотоводородной смеси в сепараторе 8. Оставшуюся смесь, имеющую давление 28 МПа, сжимают до давления 30 МПа в циркуляционном компрессоре 9 и вновь возвращают в систему на повторное химическое превращение.