Файл: Курсовая работа по дисциплине Общая химическая технология Тема Синтез аммиака в производстве аммиака.docx

4.3 Технологическая схема

Рисунок 4 – Технологическая схема синтеза аммиака



В этом агрегате (рис.4) синтез аммиака ведут в четырехполочной колонне 2, температурный режим регулируют введением в основной поток перед каждой полкой циркуляционного газа при 140°С. Для обеспечения автотермичной работы колонны синтеза устанавливают два теплообменника: в верхней части колонны над катализаторной коробкой и выносной 3.

Газ, выходящий из колонны синтеза 2 при 328°С с содержанием аммиака 16% (об.), отдает тепло в подогревателе питательной воды 4, состоящем из двух расположенных один над другим кожухотрубчатых теплообменников. Затем газ охлаждается в теплообменнике 3, аппарате воздушного охлаждения 5, теплообменнике 6 и при 21°С поступает в сепаратор 7, где отделяется жидкий аммиак, а газовая фаза, содержащая 6% (об.) аммиака, идет в циркуляционное колесо турбокомпрессора.

Сжатый циркуляционный газ соединяют с исходной азотоводороднойсмесью и вводят в цикл синтеза перед испарителем 8, где он охлаждается до минус 4°С. Жидкий аммиак отделяют в центробежном сепараторе 9. Газ, содержащий около 3% (об.) NНз, направляют в колонну синтеза через теплообменник 6 и теплообменник 3. Жидкий аммиак из сепараторов 7, 9 и 16 направляют в товарный парк.

4.4 Операторная схема

Р исунок 5 – Операторная схема синтеза аммиака

Колонна 1 состоит из 4 полок, на которых происходит синтез аммиака. На полки подается подогретый до 140°С циркуляционный газ. Выходящий из колонны газ проходит через серию теплообменников: охлаждается потоком воды в операторе 2, воздухом в операторе 4 и отдает свое тепло азотоводородной смеси в 3 и 5 операторах охлаждения. После теплообменника 5 аммиак частично конденсируется и в сепараторе 7 его разделяют на жидкую и газообразную фракции. Жидкую фракцию отправляют в товарный парк. Газовая фаза попадает в оператор разделения 6, где делится на циркуляционные и продувочные газы. Затем в операторе 10 продувочные газы охлаждаются потоком жидкого аммиака, и, переходя через оператор изменения агрегатного состояния выходит газообразный аммиак. Оставшийся аммиак так же проходит через оператор изменения агрегатного состояние и в операторе разделения 11 отделяют жидкий аммиак от продувочных газов. Продувочный газ впоследствии сжигают. Поступающую в процесс азотоводородную смесь с циркуляционным газом сначала охлаждают потоком жидкого аммиака в операторе охлаждения и охлажденная смесь, проходя через оператор изменения агрегатного состояния 9, конденсируется и жидкий аммиак отделяют от газообразного в операторе разделения 8. В дальнейшем азотоводородную смесь нагревают в операторах нагрева 3 и 5, после чего она поступает в колонну 1.

---

5. Выбор и обоснование конструкции основного аппарата

В современном агрегате синтез аммиака ведут на катализато­ре СА-1 при температуре 420 – 500°С и давлении 32 МПа; объ­емная скорость 25-103 ч-1; производительность 1 м3 контактной массы составляет 20 - 40 т/сут. Такие условия организации хи­мико-технологической системы, состоящей из несколь­ких химико-технологических процессов большой еди­ничной мощности, позволяют снизить капитальные вложения, полнее утилизировать низко- и высокопотенциальную теплоту процесса и, следовательно, снизить себестоимость продукта.

Высокопотенциальную теплоту конвертирован­ного газов используют для получения пара высокого давления, применяемого в турбинах - приводах компрессоров и насосов высокого давления; низкопотенциальную теплоту - для получе­ния технологического пара низкого давления, подогрева воды, получения холода и других нужд.

В новых системах широко применяют аппараты воздушного охлаждения, что сокращает расход воды.

Основной аппарат агрегата синтеза аммиака - колонна син­теза, отвечающая требованиям ступенчатого синтеза аммиака. На рисунке представлена схема четырехполочной колонны син­теза.

Рис. 6 Колонна синтеза аммиака



1- штуцер; 2 – днище; 3 – корпус высокого давления; 4 – корпус насадки; 5 – люк для загрузки катализатора; 6 – теплообменник; 7 – карман для термопары; 8 – центральная труба; 9 – люк; 10- полки с катализатором; 11 – люк для выгрузки катализатора.

Колонна представляет собой вертикальный аппарат из корпуса высокого давления и катализаторной коробки из четырех полок, размещенной в нем. Между ними имеется зазор, по которому проходит поток газа при температуре 140 С, предохраняя корпус колонны от воздействия высоких температур из зоны катализатора. На 1 катализаторной полке размещено 5,83 м³ катализатора, на 2 - 6,8 м³, на 3 полке – 10,7 м³ и на 4 полке – 12,63 м³. Загрузку и выгрузку катализатора ведут через люки, так как катализаторная коробка не извлекается.

Теплообменник расположен в верхней части основного корпуса. Внутренний диаметр колонны 2,4 м, толщина стенки 218 мм, высота около 19 м.

---

Для процесса синтеза аммиака существенное значение имеет оптимальный температурный режим. Количество катализатора на полках колонны увеличивается по мере снижения скорости газа и снижении степени превращения азотоводородной смеси.

Регулирование температур и обеспечение автотермичности процесса обеспечивается с помощью системы внешних теплообменников и теплообменников, расположенных в слое контактной массы. Для обеспечения максимального синтеза процесс следует начинать при высокой температуре и по мере увеличения степени превращения понижать ее.

Рис 7. Распределение температур по высоте слоя катализатора полочной колонны синтеза аммиака.



Для снижения влияния высокой температуры на корпус, холодную азотоводородную смесь подают снизу-вверх по кольцевому зазору между корпусом колонны и катализаторной коробкой, после чего смесь поступает в межтрубное пространство теплообменника, нагреваясь в нем до 420 С. Для регулирования температуры газовой смеси имеется байпас, через который газ идет в зону катализатора, минуя теплообменник. Нагретый газ фильтруется через 4 слоя катализатора, затем по центральной трубе поднимается вверх, поступает в трубки теплообменника, охлаждаясь в нем до 330 С и выходит через верхний штуцер колонны синтеза. Для регулирования температуры в слоях катализатора в слой катализатора подводят для охлаждения байпасный газ.

6. Расчет материального и энергетического балансов

---

6.1 Расчет материального баланса

Проводить расчет будем на 1000 Нм³/ч газовой смеси.

Химическая реакция:N2(г)+3 H2(г)=2NH3(г)

Воспользуемся литературными данными, чтобы определить количество веществ, которые будут на входе в колонну синтеза и расчитаем степень превращения, чтобы полученный материальный баланс совпал с литературными данными на выходе.

Таблица 6.1 – Литературные данные материального баланса

Состав из литературы
Сырье	На входе	На выходе
NH3(г)	2,8%	17,5%
H2 (г)	66,0%	54,3%
N2(г)	22,0%	18,1%
CH4	4,2%	5,1%
Ar	5,0%	5,0%
Cумма	100,0%	100,0%

Расчеты проводились с использованием программы Excel из пакета MS Office 2016.



Таблица 6.2 – Результаты материального баланса

Материальный баланс
	На входе			На выходе
Сырье	мол.доли	Нм3/ч	кг/ч	Нм3/ч	мол.доли	кг/ч
NH3(г)A	2,80%	28	21,25	150,2571	17,1%	114,03
H2 (Г)	66,00%	660	58,93	476,6144	54,3%	42,55
N2(г)	22,00%	220	275,00	158,8715	18,1%	198,59
CH4	4,20%	42	30,00	42	4,8%	30,00
Ar	5,00%	50	89,29	50	5,7%	89,29
Сумма	1,0000		474,46		100,0%	474,46
Расход		1000			877,74

---

По итогам материального баланса мольное содержание сырья на выходе практически совпало с литературным.

6.2 Расчет теплового баланса

На основе материального баланса рассчитаем тепловой. Так как наша реакция является экзотермической и протекает в адиабатном реакторе, то для нас будет актуально данное уравнение: Q_ФИЗ.ВХ + Q_ХР = Q_{ФИЗ.ВЫХ} + Q_{ПОТЕРЬ.}

Воспользуемся температурой, взятой из литературных данных, на входе: 128⁰С и на выходе 330⁰С.Полученная температура в тепловом балансе на выходе должна сойтись с литературной. Воспользуемся данными из таблицы 2.2.

Рассчитаем в Exсel теплоемкости для всех веществ, а так же теплоты потоков для составления теплового баланса.



Полученные данные приведены ниже:

Таблица 6.3 – Результаты теплоемкости

Расчет теплоемкости	Вход Дж/моль*К	Выход, Дж/моль*К
NH3(г)	38,98	42,18
H2 (Г)	28,90	29,14
N2(г)	29,59	30,06
CH4	41,50	47,96
Ar	20,00	20,00
Ср смеси, Дж/моль*К	29,42	31,92
Ср смеси, Дж/Нм3*К	1313,3	1424,9

Таблица 6.4 – Результаты теплового баланса

Приход			Расход
Статья	кВт	%	Статья	кВт	%
Теплота, вносимая потоком	146,28	67,75	Теплота, уносимая потоком	211,61	98,00
Теплота химических реакций	69,65	32,25
			Потери	4,32	2,00
Итого	215,93	100,00	Итого	215,93	100,00

---