Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза, страница 3

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.

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 С⁰ и давлении 280 ат концентрация аммиака определяется по формуле Ларсона и Блека:

lg^{4 C}NH₃=4,1856+5,987879/(P)^1/2-1099.544/T=

=4,1856+5,987879/(280²-1099.544/273,15=0.5

^{4 C}NH₃=3.16%

5. Эффективное давление в колонне находим по уравнению

P_эф = 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 С}NH₃-^4СNH₃-)*0.7710/100+1.03*^{6 С}NH₃кг NH₃ на 1 нм³ поступающей газовой смеси.

Отсюда рпи поступлении ⁴ W нм³/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 С}Аr= 1.05 и ^{4 C}CH₄=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 v}NH₃=4v*^{4 v}NH₃=92736,3*0,0316=2930,5 нм³,или 2256,5кг

Водорода ^{4 v}H₂=92736,3*0,706 =65472 нм³,или 5827 кг

Азота ^{4 v}N₂=92736,3*0,237=21978,4 нм3,или27473 кг

Аргона ^{4 v}Аr 92736,3*0,0105=973 нм³или 1733 кг

Метана ^{4 v}СH₄=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