Реферат: Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза
--PAGE_BREAK--Оптимальные условия синтеза аммиакаСодержание аммиака в газе падает с увеличением объемной скорости, т. е. с уменьшением времени контактирования.
С повышением давления увеличивается равновесный выход аммиака и возрастает скорость реакции. Скорость реакции растет также с уменьшением размеров зерен катализатора.
Зная зависимость степени превращения исходной смеси от объемной скорости, температуры, давления и размеров зерен катализатора, можно определить условия, необходимые для достижения высокой производительности катализатора.
При данной объемной скорости производительность катализатора прямо пропорциональна содержанию аммиака, т. е. достигает максимума при оптимальном температурном режиме и увеличивается с повышением давления.
С увеличением объемной скорости производительность катализатора растет, потому что, как было показано выше, содержание аммиака уменьшается медленнее, чем возрастает объемная скорость.
Производительностью катализатора (G) называется вес продукта, полученного в течение одного часа с 1 м3катализатора. Производительность катализатора выражается в кг/м3 час.
Для повышения производительности катализатора нужно увеличивать объемную скорость, что приводит к понижению содержания аммиака в газе после контакта. Это возможно только при условии, что неиспользованная азотоводородная смесь вновь направляется в колонну синтеза.
При выборе объемной скорости учитывают не только необходимость наилучшего использования катализатора, но и влияние изменения объемной скорости на производительность остальных аппаратов (входящих в агрегат синтеза аммиака), а также на расход энергии на транспорт газа и на нагревание и охлаждение газовых смесей.
Расход энергии на транспорт газа через реакционную аппаратуру пропорционален объемной скорости, а не производительности катализатора. Следовательно, с увеличением объемной скорости расход энергии по этой статье на 1 т аммиака увеличивается.
Выделение аммиака из газовой смеси производится обыкновенно его конденсацией. Так как с увеличением объемной скорости уменьшается парциальное давление аммиака, то для того, чтобы сконденсировать аммиак, газ должен быть охлажден до более низкой температуры.
Количество тепла, выделяющееся при реакции в единицу времени на единицу объема катализатора, пропорционально производительности катализатора. Поэтому с увеличением объемной скорости количество тепла, приходящееся на 1 м3газа, уменьшается.
При заданной температуре газа на выходе из аппарата количество уносимого газами тепла возрастает прямо пропорционально объемной скорости.
Выбор объемной скорости в каждом отдельном случае может быть сделан только на основании разностороннего анализа процесса. Повышение производительности путем увеличения объемной скорости ограничивается, в первую очередь, требованием вести процесс без затраты тепла извне.
Первое время при производстве синтетического аммиака работали с небольшими объемными скоростями (5000—10000), теперь перешли к скоростям 30 000—60 000 нм3/м3 час.
Таким образом, для достижения более высокой производительности необходимо проводить процесс при высоких давлениях и оптимальном для данного катализатора температурном режиме, при больших объемных скоростях и на возможно более чистом газе.
Краткое описание технологической схемы производства аммиака
Из предыдущего ясно, что для достижения высокой производительности аппарата процесс синтеза аммиака следует вести, не стремясь к получению равновесных выходов. Напротив, надо пропускать газ с такой объемной скоростью, при которой выходящая из аппарата газовая смесь далека от состояния равновесия и содержание аммиака в ней невелико. Поэтому необходимо, выделив аммиак из газа, вновь направить азотоводородную смесь на синтез, что может быть осуществлено двумя приёмами. Можно соединить последовательно ряд агрегатов для синтеза аммиака, пропуская газ через все агрегаты (схема с открытой цепью). Каждый агрегат состоит из колонны синтеза, холодильника (в котором газ охлаждается и конденсируется аммиак) и газоотделителя для разделения газа и жидкого аммиака. Можно проводить процесс в одном агрегате, направляя азотоводородную смесь после выделения аммиака и добавки к ней соответствующего количества свежей смеси обратно в колонну синтеза. Такой циклический процесс благодаря своим преимуществам, прежде всего компактности и простоте регулирования, применяется в настоящее время почти на всех установках.
Первой стадией процесса является сжатие азотоводородной смеси до давления, под которым осуществляется процесс синтеза аммиака. В настоящее время в производстве синтетического аммиака применяются давления от 100 до 1000 ат. Расход энергии на сжатие смеси незначительно возрастает с повышением давления, так как работа сжатия приблизительно пропорциональна логарифму отношения давлений.
Сжатый газ после компрессора проходит через фильтр, где очищается от масла.
Второй стадией процесса в ряде способов синтеза аммиака является дополнительная очистка азотоводородной смеси от ядов: окиси углерода, кислорода и водяных паров. Напомним, что смесь, полученная описанными выше способами, содержит эти примеси в количествах, измеряемых тысячными или сотыми долями процента. Дополнительная очистка производится каталитическим способом.
Она осуществляется различными методами, например путем гидрирования:
СО + ЗН3 = СН4 + Н2О
О2+2Н2 = 2Н2О
Эти реакции идут при повышенном давлении и температуре 300—350° в присутствии специального катализатора. При последующем охлаждении газа большая часть водяных паров, образовавшихся в так называемой колонне предкатализа, конденсируется и удаляется.
Хотя метан не является ядом для катализатора синтеза аммиака, но повышение его содержания в газе понижает парциальное давление реагирующих веществ и, следовательно, производительность. Поэтому каталитический способ очистки применяется лишь для удаления незначительных количеств окиси углерода и кислорода. Содержание окиси углерода и водорода в газовой смеси, поступающей в колонну предкатализа, очень мало. Поэтому процесс не может протекать автотермично и необходим постоянный подвод тепла для поддержания в аппарате требуемой температуры. Процесс можно провести автотермично, если выбрать такие условия для предкатализа, при которых частично реагирует и азотоводородная смесь. Сжатая и очищенная азотоводородная смесь направляется далее вместе с циркуляционным газом в колонны синтеза аммиака.
Следующей операцией является выделение из газа аммиака путем конденсации. Температура, до которой нужно охладить газ, чтобы сконденсировать аммиак, зависит от давления.
Количество аммиака, остающегося в газе при данной температуре конденсации, обратно пропорционально общему давлению, что позволяет, применяя для синтеза аммиака давление 750—1000 ат, достигать удаления 80—90% аммиака из газа охлаждением его в водяных холодильниках. При меньших давлениях газ приходится охлаждать дополнительно в аммиачных холодильниках до температуры от 0° до —55° (в зависимости от давления). В аммиачном холодильнике используется производимый на установке жидкий аммиак, который после испарения направляется в газообразном виде в перерабатывающие цехи.
Освобожденная в той или иной степени от аммиака азотоводородная смесь после добавления к ней свежего газа возвращается в колонну синтеза. Для циркуляции газов применяются в большинстве случаев циркуляционные насосы, компенсирующие падение давления в системе (перепад давления измеряется 10—20 ат). В системах высокого давления иногда взамен циркуляционных насосов применяются инжекторы. Свежий газ подводится к инжектору под давлением, превышающим давление циркулирующего газа я а 10 — 15 ат.
Регулирование состава газовой смеси
Азотоводородная смесь содержит не участвующие в реакции примеси (аргон и др.). Их содержание в свежей смеси зависит от метода ее получения. Если эти примеси тем или иным путем не выводятся из цикла, то при циркуляции газовой смеси через систему синтеза аммиака инертные примеси накапливаются, режим нарушается и производительность колонны падает. Например, по лабораторным данным при объемной скорости 30 000 час"1, давлении 300 ат, температуре 500° и при чистой азотоводородной смеси содержание аммиака в газе после катализатора равнялось 18,6%. При тех же условиях, но при содержании в смеси 10% метана содержание аммиака снизилось до 14,8%. Примерно так же влияет и примесь аргона.
Инертные примеси частично растворяются в аммиаке; однако этого в большинстве случаев недостаточно и необходимо также выпускать часть циркулирующей смеси из цикла. При установившемся процессе количество инертных примесей, которое выводится из цикла, равняется количеству инертных газов, поступающему в цикл со свежим газом. Количество азотоводородной смеси, которое должно быть выведено из цикла при производстве 1 т аммиака (без учета растворения инертных газов в жидком аммиаке), составляет:
Для удаления инертных газов иногда прибегают также к промыванию газа растворителями.
Смена катализатора
Катализатор в результате реакции не изменяется химически, но практически он “стареет” в процессе работы, активность его понижается и в конце концов приходится его заменять. В большинстве технических процессов на весовую единицу катализатора за срок его службы получаются тысячи весовых единиц продукта.
Явление “старения” может быть объяснено действием ядов и изменением поверхности катализатора. Так, например, восстановленное металлическое железо является активным катализатором для реакции синтеза аммиака. Однако по прошествии незначительного срока работы при 400 — 500° его активность быстро падает. Это явление можно поставить в связь с изменениями, наблюдаемыми рентгенографическими методами и показывающими, что в процессе работы произошли оплавление поверхности и рост крупных кристаллов.
“Старение” катализатора неизбежно, но длительность службы его е большой степени зависит от режима эксплуатации. Так, для катализатора с развитой поверхностью очень вреден нагрев его выше определенной температуры, приводящий обыкновенно к значительному понижению активности.
При хорошей очистке азотоводородной смеси и при соблюдении технологического режима смена катализатора производится в зависимости от системы синтеза через один-два года.
Материальный баланс
Исходные данные для расчёта представлены в таблице.
Параметр
Значение
Производительность
250 т в сутки
Объемная скорость смеси в колонне
25 000 нм3/м3*час
Давление в синтез колонне
300 атм
Температура синтеза
500 С0
Обьем катализатора в колонне
4,8 м3
Содержания аммиака в газе на выходе из колоны синтеза
16 %
Содержания газов метана и аргона в свежем газе
0,2%
Содержания газов метана и аргона в циркуляционном газе при выходе с клоны синтеза
2,5%
Температура первичной конденсации
28 С0
Температура вторичной конденсации
0 С0
1.Производительность агрегата в час
250000/24=10416 кг/час
Дальнейший расчет производим на часовую производительность
2.Полезная производительность 1м3 катализатора в час
10416/4,8=21,7 кг/час на 1м3 катализатора
3.При объемной скорости на входе 25000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора объемная скорость на выходе составит около 22000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора. При 500 С0 и 300 ат содержание аммиака в газе в лабораторных условиях 22 %
4.Содержание аммиака в газе, поступающем в колонну синтеза, определяется условиями вторичной конденсации 0 С0и давлении 280 ат концентрация аммиака определяется по формуле Ларсона и Блека:
lg4 CNH3=4,1856+5,987879/(P)1/2-1099.544/T=
=4,1856+5,987879/(2802-1099.544/273,15=0.5
4 CNH3=3.16%
5. Эффективное давление в колонне находим по уравнению
Pэф = 300 * (1 – 0,025) * (1 – 0,0316) = 283 ат
6. При 300 ат. и 5000С равновесная концентрация аммиака 26,44%, а при 283 ат она равна 25%.
7. Поправочный коэффициент на снижение эффективного давления. – 25/26,44 = 0,946
8. Концентрация аммиака на выходе из колонны с учётом поправочного коэффициента
CNH3=0,946 * 22 = 20,8%
9. Производительность 1 м3 катализатора. На каждый кубический метр катализатора поступает W нм3/ч газовой смеси.
Формула для определения количества образовавшегося в колонне аммиака имеет вид –
(6 СNH3-4СNH3-)*0.7710/100+1.03*6 СNH3кг NH3 на 1 нм3 поступающей газовой смеси.
Отсюда рпи поступлении 4Wнм3/ч газовой смеси производительность катализатора (в расчете на 1 м3) составит
(20,8—3,16)*25000*0,7710/100+1,03*20,8=2808 кг/ч
10.Для получения 10416 кг аммиака в колонну должно поступать газовой смеси
4v =10416(100+1,03*20,8)/(20,8-3,16)*0,7710=92736,3 нм3
11.Состав поступающей газовой смеси… По условию, в газовой смеси, поступающей в колонну синтеза, содержится 2,5 % аргона и метана.
Допустим , что
4 САr= 1.05 и 4 CCH4=1,45
Концентрация аммиака 3,16%.Тогда сумма водорода и азота будет
100-(1,05+1,45+3,16)=94,3%
Допускаем, что на входе в колонну соотношения водорода и азота соответствует стехиометрическому, а с учетом нескольких больших потерь водорода по сравнению с азотом -3,007:1.Таким образом; концентрация азота
4СN2= 94.3/3.007+1=23.7
Водорода
4СH2= 94,3-23,7=70,6
В поступающем газе содержится :
Аммиака 4 vNH3=4v*4 vNH3=92736,3*0,0316=2930,5 нм3, или 2256,5кг
Водорода 4 vH2=92736,3*0,706 =65472 нм3, или 5827 кг
Азота 4 vN2=92736,3*0,237=21978,4 нм3, или27473 кг
Аргона 4 vАr 92736,3*0,0105=973 нм3или 1733 кг
Метана 4 vСH4=92736,3*0,0145=1344,6 нм3, или 964 кг
Общая масса газов -38254 кг
12.Состав газовой смеси после колонны синтеза. По условию, в колонне синтеза образуется 10416 кг, или 13527 нм3, тогда по реакции
x y 10416
N2 +3 H2 – 2NH3
28 32 2*17
X=28*10416/2*17=8577.9(кг)- количества азота или 6862 нм3 азота
У=10416*3*2/2*17=1839,1 (кг)- количества водорода или 20653 нм3водорода
В газовой смеси на выходе из колонны содержится
Аммиака------------2256,5+10416=12672,5 кг или 2930,5+13527=16457,5 нм3
Водорода------------5827-1838,1=3988,9 кг или 65472-20653=44919 нм3
Азота-----------------27473-8577,9=18895,1 кг или 21978,4-6862=15116,4 нм3
Аргона -------------- 1733 кг или 973 нм3
Метана-------------- 964 кг или 1344,6 нм3
Общий объем газовой смеси—78710,5 нм3
13.Количество аммиака, конденсирующегося в водяном холодильнике, и количество растворенных в нем газов.В газовой смеси, при температуре 28 и давлении с учетом потерь 290 атм, должно содержатся 7,66 NH3
Объем газов, кроме NH3, 78710,5-16457,5=62253 нм3
Объем газообразного NY3 62253*7,66/100-7,66=476858/92,34=5164,15 нм3
Конденсируется 16457,5-5164,15=11293,35 нм3, или 8696 кг NH3
Общий объем несконденсировавшихся газов: 62253+5164,15=67417,15 нм3
Парциальные давления газов( в ат)
H2----------290*44819/67417,15=192,8
N2-----------290*15116,4/67417,15=65
Ar-----------290*973/67417,15=4,19
СH4---------290*1344,6/67417,15=5,79
При 280 С и найденных парциальных давления в 1000 кг жидкого NH3 растворяется 19,57 нм3 водорода, 6,35 нм3 азота ,0,65 нм3 аргона 1,72 нм3 метана.
Тогда в 8696 кг NH3, растворяется ;
Водорода ------8696*19,57/1000=170 нм3
Аргона-----8696*0,65/1000=5,65 нм3
Азота----------8696*6,35/1000=55,2 нм3
Метана------8696*1,72/100=15 нм3
Остается в газообразном виде ;
H2----------44819-170=44649 нм3
N2-----------15116,4-55,2=15061,2 нм3
Ar-----------973-5,65=967,36 нм3
СH4---------1344,6-15=1329,6 нм3
Общий объем газов -62007,15 нм3
Объем NH3, присутствующий в газообразном виде 62007,15*7,66/100-7,66=5144 нм3 или 3961 кг
Конденсируется 16457,5-5144=11313,5 нм3 или 7603,5 NH3
Общий объем газов: 62007,15 +5144=67151,15 нм3
Парциальные давления газов (в ат):
H2----------290*44649/67151.15=192.9
N2-----------290*15061,2/67151,15=65
Ar-----------290*967,35/67151,15=4,17
СH4---------290*1329,6/67151,15=5,74
Таким образом, после водяного холодильника паро-жидкостная смесь имеет следующий состав
Компонент
жидкость
газ
кг
нм
кг
нм
% по объему
Аммиак
7635
11313,5
3961
5144
7,66
Водород
15,13
170
3974
44649
66,5
Азот
69
55,2
18826,5
150261,2
22,4
Аргон
9
5,05
1722
967,35
1,4
Метан
11
15
953
1329,6
2,04
Всего
8815,13
11558,75
29439,5
67151,6
100
14 Количество газов, растворенных в жидком аммиаке, вторичной конденсации.Принимаем, что из 10416 -7635=1705 кг NH3, которые ещё должны быть выделены ,92,5%
выводятся из системы в испаритель жидком виде.При этом допущении в виде ждкости выводится 1705*0,925=1577 кг NH3
Ориентировочно можно принять, что в таком количестве NH3 растворится 17 нм3 H2, 6 нм3N2, 1 нм3 Ar, 3 нм3 СH4
15.Количество продувочных газов. Для получения 10416 кг NH3 нужно 20653 нм3H2 и 6862 нм3N2.Всего надо 27515 нм3 смеси H2 и N2. или
27515*100/74,29+24,75=27781 нм3 свежей водородной смеси
Обозначим резервный объем через х.Тогда общий объем свей смеси
27 781+ x, где
H2----------20650+x*0.7429 нм3
N2-----------6965+x*0.2475 нм3
Ar-----------104+x*0.0038 нм3
СH4--------162+x*0.0058 нм3
Всего 27781+х
Из этого количества расходуется на синтез аммиака и удаляется с растворенными газами.
20653+170+17=20840 нм3 водорода
6862+55,2+6=6932,2 нм3азота
5,65+1=6,65 нм3аргона
15+3=18 нм3 метана
При продувке должно быть удалено :
20650+x*0.7429 нм3-20840= x*0.7429-190 нм3 водорода
6965+x*0.2475 нм3-6923,2= x*0.2475-58,2 нм3 азота
104+x*0.0038 нм3-6,65= x*0.0038 +97,35 нм3аргона
162+x*0.0098 нм3-18= x*0.0058+144 нм3 метана
Обозначим общий объем продувочных газов через у.Тогда количество удаляющихся газов:
Аммиака---у*0,0766 нм3
H2----------у*0,665 нм3
N2-----------у*0,224 нм3
Ar-----------у*0,014 нм3
СH4--------у*0,0204 нм3
Приравниваем количество продувочных газов, выраженных через х и у .
Получим
для H2 — x*0.7429-190= у*0,665 нм3
для N2 — x*0.2475-58,2 нм3= у*0,224 нм3
для Ar — x*0.0038 +97,35= у*0,014 нм3
для СH4 — x*0.0058+144 нм3= у*0,0204 нм3
x*0.7429-190= у*0,665 x*0.2475-58,2 нм3= у*0,224
x*0.0038 +97,35= у*0,014 x*0.0058+144 нм3= у*0,0204
у=9275 нм3 у1=9563 нм3
х=8558 нм3 х1=8890 нм3
Определим среднее значение х=8724 нм3
У=9419 нм3
В объеме 9419 нм3 содержится
NH3—0,0766*9419=721 нм3 или 555,5 кг
H2—0,665*9419=6263 нм3 или 557,4 кг
N2---0,224*9419=21709 нм3 или 2637 кг
Ar—0,014*9419=131 нм3или 234 кг
СH4—0,0204*9419=192 нм3 или 137,7 кг
16.Количество циркулирующего газа :
NH3—5144-721=4423 нм3 или 3961-555,5=3405,5 кг
H2—44649-6263=38386 нм3 или 3974-557,4=3416,6 кг
N2---15061,2-2109=1295,2 нм3 или 18826,5-5637=16189,5 кг
Ar—967,35-131=833,35 нм3 или 1722-234=1488 кг
СH4—1329,6-192=137,6 нм3 или 953-137,7=815,3 кг
17.Количество свежей азотно-водородной смеси, подающийся на синтез.
Общий объем 27781+8874=36505 нм3
В ней содержится
H2—0,7429*36505=27120 нм3 или 2413 кг
N2---0,2475*36505=9035 нм3 или 11293 кг
Ar—0,038*36505=138,71 нм3 или 246,9 кг
СH4—0,0058*36505=211,72 нм3 или 151,8 кг
8000 нм3 -1 кг H2О
36505 нм3-х кг H2О х=36505*1/8000=4,56 или 6,08 нм3 паров воды
18.Количество водородной смеси после смещения циркулирующего и свежего газов;
NH3—4423 нм3 или 3405 кг
H2—38386+27420=65506 нм3 или 3416,6+2413=5829,6 кг
N2—12952,2+9035=21987,2 нм3 или 16189,5+11293 кг=27482,5
Ar—836,35+138,71=975,06 нм3 или 246,9+1488=1734,9 кг
СH4—1137,6+211,72=1349,32 нм3 или 151,8+815,3=967,1 кг
Общий объем газов – 94241 нм3
19. Количества аммиака, конденсирующегося в колонне.
Учитывая, что объем газов, за исключением аммиака, составляет 94241-4423=89818 нм3, находим объем газообразного аммиака;
89818*3,16/100-3,16=2930,86 нм3
Конденсируются в жидкость
4423-2930,86=1492,14 нм3 или 1148,94 кг, аммиака
Объем оставшихся газов
94241-1492,14=92748,86 нм3
Парциальныедавления газов( в ат):
Водород 280*65506/92748=197,7
Азот 280*21987,2/92748=66,37
Аргон 280*975,06/92748=2,94
Метана 280*1349,32/92748=4,07
При этих условиях растворимость ( в нм3 на 1000 кг жидкого аммиака ) водорода 11,99, азота4,96, аргона,1,27, метана 2,60 в 1148 кг жидкого аммиака растворится 17 нм3 H2, 6 нм3N2, 1 нм3 Ar, 3 нм3 СH4.Это совпадает с принятым по п.14.
Объем газов за вычетом аммиака и растворившихся в жидком аммиаке газов
89818-(17+6+1+3)=89845 нм3
Объем газообразного аммиака
89845*3,16/100-3,16=2931,7 нм3
Конденсируется 4423-2931,7=1491,3 нм3 или 1148 кг, аммиака
Таким образом, выделяется в жидком виде. 1148 кг аммиака, в котором растворено 1,7 кг водорода,7,5 азота,2 аргона,2 Метана.Кроме этого, в в жидком аммиаке растворяется весь поступивший водяной пар.
20.Количество газовой смеси, поступающей в колонну синтеза :
Аммиака 3405-1148=2257 кг/ч , или 1737,89 нм3/ч
Водорода 5829,6-1,7=5827,9 кг/ч или 65506 нм3-17=65489нм3
Азота 27482,5- 7,5=27475 кг/ч или 21987,2 нм3-6=21981 нм3
Аргона 1734,9 – 2=1732,9кг/ч или 975,06 нм3-1=974,06 нм3
Метана 967,1 – 2=965,1 кг/ч или 1349,32 нм3-3=1346,32 нм3
21.Общее количество товарного аммиака.Из водяного холодильника выводится 7635 кг, из газов продувки 555,5 кг и из испарителя 2257 кг: итого 10416 кг/час.
22.Фактически в колонну синтеза поступает согласно п11 газовой смеси 92736,3 нм3\ч и
23 Уходит из колоны газовой смеси 78710,5 нм3 \ч
продолжение
--PAGE_BREAK--Сводный материальный баланс агрегата синтеза аммиака за 1 час
Компонет
Поступает в колонну синтеза
Образуется(+) или расходуется (-) в колонне синтеза
Поступает в водяной холодильник
кг
нм3
кг
нм3
кг
нм3
1
2
3
4
5
6
7
Аммиак
Водород
Азот
Аргон
Метан
2256,5
5827
27473
1733
964
2930,5
65472
21978,4
973
1344,6
+10416
-8577.9
-1838,1
13527
6862
20653
12672,5
3988,9
18895,1
1733
964
16457,5
44919
15116,4
973
1344,6
Всего
38254
92698,5
0
-13988
38254
78810,5
Компонет
Удаляется из холодильника
Жидкий аммиак
В сборник
Газы на продувку и смщение
жидкости
газа
кг
нм3
кг
нм3
кг
нм3
кг
Нм3
8
9
10
11
12
13
14
15
19
Аммиак
Водород
Азот
Аргон
Метан
7635
15,13
69
9
11
11313,5
170
55,2
5,05
15
3961
3974
18826,5
1722
953
5144
44649
150261,2
967,35
1329,6
7635
15,13
69
9
11
11313,5
170
55,2
5,05
15
3961
3974
18826,5
1722
953
5144
44649
150261,2
967,35
1329,6
Всего
8815,13
11558,75
29439,5
67151,6
8815,13
11558,75
29439,5
67151,6
Компонет
Выводится при продувке
Поступает
На смещение
Вводится свежей смеси
Поступает в конденсационную колонну
кг
нм3
кг
нм3
кг
нм3
кг
нм3
17
18
19
20
21
23
24
25
26
Аммиак
Водород
Азот
Аргон
Метан
555,5
557,4
2637
234
137,7
721
6263
21709
131
192
3405,5
3416,6
16189,5
1488
815,3
4423
38386
1295,2
833,35
137,6
-
2413
11293
246,9
151,8
-
27120
9035
138,71
211,72
3405
5829,6
27482
1734,9
967,1
4423
65506
21987
975,06
1349,3
Всего
4121,6
29016
25314,9
45075,1
13780,4
36495,43
39419
94241
Компонет
Разделяется в конденсационной колонне
Поступает в испаритель
Поступает в колонну синтеза
жидкости
газа
кг
нм3
кг
нм3
кг
нм3
кг
Нм3
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Аммиак
Водород
Азот
Аргон
Метан
1148
1,7
7,5
2
2
1491,3
17
6
1
3
2257
5827,9
27475
1732,9
965,1
1737,89
65489
21981
974,06
1346,32
1148
1,7
7,5
2
2
1491,3
17
6
1
3
2257
5827,9
27475
1732,9
965,1
1737,89
65489
21981
974,06
1346,32
Всего
1161,2
1518,3
38257,9
91528,81
1161,2
1518,3
38257,9
91528,81
Тепловой расчет колонну синтеза аммиака
Исходные данные
Температура газа на входе в колонну( в С0) -- 36
Температура газа на входе в слой катализатора ( в С0) 440
Температура на выходе из катализаторной коробки ( в С0) 480
Температура газа на выходе из колонны ( в С0) 90
Температура воды, поступающей в колонну ( в С0) 220
Температура воды, выходящей из колонны ( в С0) 280
Давление воды(в нм3) 100*105
Энтальпия поступающего газ i1содержащегося 3,08 аммиака при температуре на входе колонны 36 С0, составляет 41 600 кдж/кг
Отпуская по щели между стенкой колонны и катализированной коробкой, газ нагревается за счёт тепла катализаторной коробки.Температура газа при этом увеличивается на 8-10 град.Принимаем, что газ нагрелся на 9 град и его температура в щели на уровне перехода катализаторной коробки в теплообменник 45 С0.Тогда i-t, что i2=41900 кдж/кг. Таким образом, энтальпия каждого килограмма газовой смеси увеличилась на i2-i1=4190 -4160=30 кдж.Это же количество тепла на килограмм смеси отдала катализаторная коробка.
Отпускаясь ниже по щели между стенками колонны и теплообменником, газ продолжает нагреваться –теперь за счет горячего газа, охлаждающегося в теплообменнике.Температура газа за время прохождения по щели от точки до входа в теплообменник увеличивается примерно на 6-8 град.Принимаем увеличение равным 7 град.Тогда температура газа будет равна 52 С0, а энтальпия i3=42100 кдж/кг
Тепло, выдлившееся из 1 кг смеси в катализаторной коробке за счет тепла реакции, можно выразить как разность энтальпий газа, поступившего в слой катализатора, и газа, ушедшего из слоя. Это тепло составляет i7-i9кдж/ кг.С другой стороны, все выделившееся тепло должно быть поглощено нагреваемыми газами .
Газы нагреваются за счет отдачи тепла катализаторным слоем дважды: один раз в щели у коробки и второй раз –при прохождении через центральную трубку, внутренние и наружные трубки Фильда.В первом случае тепло, воспринимаем газами, состовляет i2-i1, а во втором случае i7-i4.Таким образом, уравнение теплового баланса катализаторной коробки приобретает вид
Отсюда после сокращения i7находим
i4= i9+ i2 — i1
Энтальпию i9 можем найти по диаграмме i-t., так как знаем, что температура газ на выходе из слоя катализатора 480 С0, а содержание аммиака 18,4%.Энтальпия i9 ==5000кдж/кг.Энтальпия
i4=5000+4190-4160=5030 кдж/кг
Отсюда температура газа на выходе из теплообменника или на входе в центральную трубку катализаторной коробки, по диаграмме i– tравна 2840С. Энтальпия газа на входе в слой катализатора при 4400С и 3,08% аммиака равна 5580 кдж/кг. Т, о., газ при реакции в слое катализатора выделит –
i7-i9=5580 – 5000 = 580 кдж/кг
при нагреванию в щели получает 30 кдж/ кг и прохождении по центральной трубке и трубкам Фильда 5580 -500=580 кдж/кг
Как указано выше, газ поступает в теплообменника с температурой 52 С0и энтальпией i3=4210, а выходит из теплообменника с температурой 284 С0и энтальпией 5030 кдж/кг.Следовательно, газ в теплообменнике получил
i4— i3=5030-4210=820 кдж/кг
Кроме этого, в щели у теплообменника к газу подведено
i3 — i2=4210-4190= 20 кдж/кгтепла.
Вcего при охлаждении горячего газа в теплообменнике холодный газ поглотил
i4— i2=5030-4190=840кдж/кг
Это же количества тепла отдал горячий газ( потерями в окружающую среду пренебрегаем ), т.e
i4— i2=i10-i11= 840 кдж/кг
Зная температуру и состав газа, выходящего из колонны, находим, что i11= 3680 кдж/кг.Тогда для горячего газа, поступающего в теплообменник
i10= i11+840 =3680+840=4520 кдж/кг
Газ, выходящий из катализаторной коробки, содержит i9=5000 кдж/кг тепла, а поступающей в теплообменник 4520 кдж/кг
Разница в количестве тепла
i9— i10=5000-4250=480 кдж\кг
расходуется на нагрев воды в теплоотводящем устройстве.Общее количество тепла, которое может быть использовано на нагрев воды найдем по уравнению
Q13-Q12=m12*(i13-i12) = Q9-Q10=m9*(i9 — i10)=37591*480=18000000 кдж/ч
Энтальпия воды при 280 С0рвана i13=1234,5 кдж/кг, а при 220 С0 i12= 945,8 кдж/кг.Отсюда, при нагревании воды от 220 до 280 С0энтальпия увеличивается на
i13-i12=1234,5-945,8=288,7 кдж/кг
Таким образом, масса нагреваемой воды равна
m12=Q13-Q12/i13-i12=18 000 000/288,7=62350 кг/ч
Тепло газ Qв любой точке определяется произведением массы газа на энтальпию его, например
Q2= m2i2=37591*41900=157500000 кдж/=157500 Мдж /ч
При расчете нужно помнить, что масса газа любой тоске есть величина постоянная.
Тепловой баланс колонны синтеза
приход
Расход
Статья
Катализаторная коробка
Мдж/ч
Статья
Мдж/ч
С газом в колонну (Q1)
С газом катализаторную коробку
( Q4)
156400
189100
С газом в щели на уровне перехода катализаторной коробки в теплообменник( Q2)
C газом в теплоотводящее устройство
157500
188000
Всего........
Теплообменный аппарат
С газом в щели на уровне перехода катализаторной коробки в теплообменник( Q2)
С газом на входе в теплообменник
(Q3)
С газом на теплоотводящего
устройства(Q10)
Всего ...........
345500
157500
158300
170000
485000
Всего........
С газом на входе в теплообменник
(Q3)
С газом на входе в катализаторную коробку ( Q4)
С газом на выходе из колонны
(Q11)
Всего............
345000
158300
189100
138400
485500
Теплоотводящее устройство
С газом из катализаторной коробки
Q9..........
С водой в колонну (Q12)
Всего.............
188000
59000
247000
Cгазом в теплообменник (Q10)
С водой из колонны (Q13)
Всего................
170000
77000
247000
Сводной тепловой баланс колону
С газом в колонну (Q1)
Cводой в колонну (Q12)
156400
59000
С газом из колонны ( Q11)
С водой из колонны( Q13)
138400
77 000
Всего........
215400
Всего........
215400
Обслуживание установок синтеза
Синтез аммиака относится к категории опасных производств.Иногда малейшая неправильность действий эксплуатационного или ремонтного персонала может привести к не непоправимым последствиям.Поэтому вопросам, связанным с пуском, поддерживанием нормального технологического режима устранением аварий, необходимо уделять серьезное внимание.
Пуск установок.Перед пуском вновь смонтированного агрегата производится его тщательный осмотр и проверка технической документации.При полном соответствии состояния установки правилам Госгортехнадзор и получении разрешении на ее пуск приступают к подготовительным операциям –загрузке колонны катализатором, зарядке фильтров.Затем включают контрольно-измерительные приборы, вентили устанавливаю в положение, соответствующее проведению последующих операций .Из системы удаляют воздух путем продувки агрегата азотом или газом. После этого проводится опрессовка аппаратуры и коммуникаций, лучше всего азотом.Давление при опрессовке повышают до рабочего ступенчато ( по 50 ат).При отсутствии неплотностей или других дефектов снимают заглушки, отсоединяющие агрегаты от остальной системы , и заменяют продувочный газ чистой азото-водородной смесью.
При давлении 40—50 ат включают циркуляционный компрессор, подают воду в первичный конденсатор и подключают к электросети электрический подогреватель. Для предохранения деталей насадки колонн от повреждений скорость повышения температур в зоне катализа ограничивают 20—30 °С за 1 ч.
Восстановление катализатора начинается, когда температура в колонне достигнет 280—300 °С и в циркуляционном газе появится аммиак. Содержание МН3 постепенно возрастает, в результате этого в сепараторе начинает отделяться уже не чистая вода, а содержащая аммиак. На 3—4-е сутки давление в агрегате повышают до 100 ат. К этому времени, благодаря тому, что температура катализатора поддерживается на определенном уровне уже не только за счет электроподогрева, но и вследствие выделения тепла реакции синтеза, в агрегате удается создать довольно интенсивную циркуляцию газа. На 5—6-е сутки содержание аммиака в сливаемом конденсате возрастает до 96—97%, температура в колоннах достигает рабочей величины (460—500 °С в «горячей точке») и колонна выводится на рабочий автотермический режим. По мере включения колонны в нормальную работу вся аппаратура агрегата также переводится па рабочий режим.
Поддержание нормального технологического режима. Показатели р.аботы каждого аппаратастрого регламентируются нормами технологического режима (стр. 289, 291). Температура в «горячей точке» должна быть не ниже 460 °С (при более низких температурах процесс перестает быть.устойчивым) и не выше 530 °С (во избежание перегрева катализатора). Температуру на выходе газа из колонны поддерживают не выше 200 °С, чтобы выходной трубопровод не подвергался водородной коррозии*.
На установках с трубопроводами горячего газа, изготовленными из стали специальных марок, температура газовой смеси, выходящей из колонн синтеза, может составлять 250 °С.
Наиболее сложно регулированиережима работы колонны синтеза. Оно производится в основном по температуре «горячей точки», т. е. наиболее нагретой зоны катализатора. С увеличением объемной скорости температура в зоне реакции снижается, уменьшение объемной скорости приводит к противоположным
* Реакция С+ 2Н2 = СН4, приводящая к уменьшению количества углерода в стали и нарушению ее структуры, при температуре более 200 °С резко усиливается.
результатам. Изменением интенсивности циркуляции газа целесообразно пользоваться до тех пор, пока не будет установлена наиболее выгодная нагрузка агрегата по газу. В дальнейшем нагрузку изменяют только при резких расстройствах технологического режима. Постоянным приемом регулирования температуры процесса синтеза является изменение соотношений газовых потоков, направляемых в колонну через главный вентиль и холодный байпас (иногда два байпаса, а в колоннах с полочной насадкой — даже четыре). При повышении температуры, наблюдаемом ранее всего на входе газа, открывают вентиль холодного байпаса до тех пор, пока температура не достигнет заданной нормы. Если же при полном открытии этого вентиля температура продолжает возрастать, для поддержания ее в нужных пределах прикрывают главный вентиль, что приводит к увеличению потока газа, идущего через холодный байпас.
При понижении температуры поступают обратным образом. Сначала полностью открывают главный вентиль, затем постепенно прикрывают вентили- холодного байпаса. Если эти меры не дают эффекта, приходится уменьшать количество газа, подаваемого в колонну.
В насадках колонн с двумя холодными байпасами (см. рис. VI-12, стр. 296) можно регулировать температуру как в верхней, так и в нижней и средней зонах катализатора и достигать наиболее выгодного соотношения температур в верхних и нижних слоях катализатора. В ^колоннах с полочной насадкой по существу регулируется температура на каждой полке в отдельности .
В ходе технологического процесса требуется также постояннее регулирование работы других аппаратов установки синтеза аммиака (высота уровней жидкости в сепараторах аммиака, температура конденсации газа и другие параметры).
Автоматическое управление агрегатом синтеза. Схема агрегата с автоматическим управлением процессом синтеза аммиака показана на рис. У1-26. При таком управлении агрегатом автоматически регулируются следующие параметры процесса: температура в колоннах синтеза; уровни жидкого аммиака в сепараторе и конденсационной колонне; температура газа, выходящего из аммиачного конденсатора; состав циркуляционного газа по содержанию инертных примесей (СН4 и Аг); выдача жидкого аммиака из газоотделителя на склад; давление в газоотделителе. ••$
Для автоматического регулирования используется наиболее распространенная в настоящее время пневматическая унифицированная система. Каждый узел регулирования состоит из датчика, преобразующего контролируемую или регулируемую величину в выходной сигнал, удобный для дистанционной передачи и дальнейшего преобразования в соответствующий импульс; регулятора, состоящего из одного или нескольких блоков, обе-
спечивающих поддержание заданного закона регулирования технологического параметра; вторичного прибора (самопишущего или показывающего) с встроенным датчиком и* переключателем; исполнительного механизма — регулирующего клапана с пневмо-приводом или другого устройства. Общий принцип действия системы можно пояснить на примере автоматического регулирования температуры в колонне синтеза.
<img width=«352» height=«255» src=«ref-1_627767486-19240.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">
Рис. У1-26. Агрегат синтеза аммиака с автоматическим управлением:
У—колонна синтеза; 2—водяной конденсатор; 3—сепаратор жидкого аммиака; 4—конденсационная колонна; 5—испаритель; 6—центробежный циркуляционный компрессор; 7—газоотделитель; а—регулирующий клапан; Г—измерители температуры; Ь—измерители уровня; Р— измеритель давления; С—регулятор состава.
Электродвижущая сила (э. д. с.), возникающая в термопаре (датчике), пропорциональна температуре, которая отсчитывается на шкале измерительного прибора. Отклонение температуры от заданной преобразуется специальным устройством в импульс давления воздуха, приводящий в действие систему регулирования. Чем больше отклонение, тем сильнее воздействие, передаваемое регулятором органу управления.
При повышении температуры открывается вентиль холодного байпаса, при снижении он прикрывается. Если этот прием регулирования не приводит к повышению температуры при закрытом байпасе, регулирование производится изменением объемной скорости. При этом регулятор начинает подавать сигнал на открытие вентиля «длинного байпаса», вследствие чего уменьшается количество газа, подаваемого в колонну циркуляционным компрессором.
Нарушения режима и меры их предупреждения. Нарушения технологического режима могут вызываться ненормальной работой смежных звеньев производственного процесса или внутренними причинами, в большинстве случаев непосредственно зависящими от обслуживающего персонала. К первой группе причин относятся: подача газа, загрязненного контактными ядами (чаще всего окисью углерода), резкое нарушение соотношений водорода и азота в газе, а также прекращение подачи охлаждающей воды или электроэнергии.
При содержании в газе более 300 см*1м3СО прием азото-водо-родной смеси в цех синтеза прекращается. Если же работа отделения компрессии не переведена на режим выхлопа газа, он выдувается из агрегата синтеза. При этом необходимо постоянное наблюдение за давлением в системе, так как иначе возможно резкое повышение давления и разрыв трубопроводов. В тех случаях, когда при увеличении количества СО в газе, ее содержание не превышает 300 сма! м*, работа цеха синтеза обычно продолжается, но автоматизированные колонны следует переводить на ручное управление, не дожидаясь снижения в них температур. При этом прикрывают вентили холодного байпаса, уменьшают циркуляцию газа и прекращают продувку агрегатов после первичных сепараторов, заменяя ее продувкой до колонн. Одновременное понижение температуры в нескольких колоннах может происходить не только при попадании в газ окиси углерода, но и при резком нарушении состава свежего газа. При этом принимаются меры к поддержанию заданной температуры в колоннах.
В случае прекращения подачи воды требуется немедленная остановка цеха. В противном случае произойдет повышение температуры газа перед циркуляционными компрессорами и прекратится охлаждение их сальников.
Из внутренних причин нарушения режима наиболее нежелательные последствия вызываются неправильной выдачей жидкого аммиака на склад. При этом повышается уровень жидкости в конденсационных колоннах, что может привести к попаданию жидкого аммиака в колонны, резкому снижению температуры катализатора, следствием чего часто является поломка насадки колонн синтеза.
Превышение уровня жидкого аммиака в первичных сепараторах может закончиться их переполнением и перебросом жидкого аммиака в циркуляционные компрессоры. Вследствие этого в цилиндрах нагнетателей возникают гидравлические удары, которые могут привести к разрушению машин.
Опасно также понижение уровней в указанных аппаратах {ниже нормы), так как при этом может исчезнуть гидравлический затвор, и газ под давлением 300 ат устремится в трубопроводы для жидкого аммиака. В результате возможно разрушение газоотделителя. Если даже при этом сработают предохранительные устрой-ства, неизбежно разлитие жидкого аммиака с возможностью отрав-ления им людей. При малейших неполадках в работе автоматического управления следует переходить на ручное обслуживание с выдачей жидкого аммиака из сепаратора («под- газ») и следить за давлением по манометрам, установленным на трубопроводах для жидкого аммиака.
Аварии могут возникать, кроме того, при нарушении режима работы циркуляционных нагнетателей. Увеличение сверх 30 ат перепада давления между всасывающей и нагнетательной линиями может привести к обрыву штоков в поршневых машинах, к сдвигу вала и разрушению подшипников циркуляционных нагнетателей. При возрастании перепада нагрузка нагнетателей должна быть немедленно снижена.
Следует также иметь в виду, что резкое уменьшение интенсивности циркуляции газа вызывает резкий скачок температуры в колонне. Если в этом случае колонна находится на разогреве, возможен перегрев спиралей электрического подогревателя, что приводит к выходу его из строя.
При возникновении неполадок на одном участке технологического процесса необходимо обращать серьезное внимание на все связанные с ним другие звенья, чтобы меры, принятые к ликвидации одного из нарушений, не вызвали возможных аварий на смежном участке.
продолжение
--PAGE_BREAK--
еще рефераты
Еще работы по химии