Материальный и тепловой баланс производства аммиака из азотоводородной смеси

Авторы: Ермолаева Вера Анатольевна, Семочкина Ксения Юрьевна

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 94-97

Объём: 0,24

Опубликовано в: «Наука без границ» № 4 (21), апрель 2018

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Ермолаева В. А., Семочкина К. Ю. Материальный и тепловой баланс производства аммиака из азотоводородной смеси // Наука без границ. 2018. № 4 (21). С. 94-97.

Аннотация: Дана характеристика процесса производства аммиака из азотоводородной смеси. Произведен практический расчет материального и теплового баланса производства. Рассчитано равновесное содержание аммиака, концентрация аммиака на выходе с колонны, количество образовавшегося аммиака в колонне. Для расчета теплового баланса использованы формулы прихода и расхода тепла в колонне синтеза аммиака, уравнение теплового эффекта реакции синтеза аммиака при высоком давлении. Результаты расчетов представлены в сводных таблицах. Изучена безопасность технологического процесса производства аммиака, вопросы охраны труда и окружающей среды. 

Введение

Химия и промышленность связанного азота считается в настоящее время одной из основных ведущих технологических областей. Постройка новейших заводов и технологических линий осуществляется на основе наиболее оптимальных и совершенных научно-технических методик, используются наиболее устойчивые конструкции технологических агрегатов и энергетических машин, более функциональные, избирательные и устойчивые катализаторы, растворители и поглотители. Увеличивается уровень автоматизации управления производством, применяются достижения химической физики, укрупняются силы отдельных аппаратов синтеза аммиака. Целью данной работы является практический расчет материального и теплового баланса производства, равновесного содержания аммиака, концентрации аммиака на выходе с колонны, количества образовавшегося аммиака в колонне, содержания компонентов смеси.

Характеристика целевого продукта

В проведенной работе дана характеристика процесса производства аммиака из азотоводородной смеси. Произведена характеристика целевого продукта, аммиака. Аммиак – бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде, спирте и ряде других органических растворителей. Синтезируют из азота и водорода. В природе образуется при разложении азотсодержащих органических соединений. Под обычным давлением аммиак сжижается при -33°С и затвердевает при -78°С. Теплота плавления NH3 составляет 6 кДж/моль. Критическая температура аммиака 132°С, критическое давление 112 атмосфер [1]. Жидкий аммиак является хорошим растворителем для очень большого числа органических соединений, а также многих неорганических.

Охарактеризовано исходное сырье. Исходным сырьем являются азот и водород. Азот — двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Один из самых распространённых элементов на Земле. Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Водород — лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен, нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине.

Характеристика технологического процесса и балансовые расчеты

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс производства аммиака. Очищенный природный газ с давлением 25 атмосфер поступает в компрессор синтез газа. Газ сжимается и направляется в подогреватели. Затем поступает в реактор гидрирования сероорганических соединений. Адсорбируется до H2S. Газ нагревается в трубчатой печи и переходит в шахтный конвертор. В паровой котел подается вода за счет применения электронасоса. Из данного резервуара вода по специальным отводным трубам стекает в коллектор. В конверторе находится СО и имеется абсорбер СО2. Для связывания диоксида углерода и влаги в линию газа перед холодильником насосами впрыскивается жидкий аммиак. Затем газ поступает в воздушный холодильник, в котором он охлаждается и потом направляется в конденсационную колонну. В теплообменнике газ нагревается и переходит в сепаратор, в котором производится отделение сконденсировавшейся жидкости из охлажденного газа.

Произвели практический расчет материального баланса производства по следующим исходным данным: состав газа поступающего в колонну: массовая доля NH3 – 3,8 %, H2 – 61,95 %, N2 – 20,65 %, CH4 – 9,7 %, Ar – 3,9 %, давление в колонне – 25 атмосфер, температура – 500ºС, степень использования – 0,9. Зная состав циркуляционного газа на входе, рассчитали содержание компонентов смеси. Для расчета содержания компонентов смеси воспользовались формулой:

Расчет компонентов смеси

где n – количество циркуляционного газа; ω(NH3) – массовая доля аммиака.

Таблица 1

Сводная таблица материального баланса колонны синтеза аммиака

Приход

Расход

Статьи прихода

кмоль

кг

об %

Статьи расхода

кмоль

кг

об %

Смесь

NH3

H2

N2

Ar

CH4

48,6000

1,8468

30,1077

10,0359

1,8954

4,7142

 

31,3956

60,2154

281,0052

75,8160

75,4272

100

3,80

61,95

20,65

3,90

9,70

Смесь

NH3

H2

N2

Ar

CH4

43,2540

7,1928

22,0887

7,3629

1,8954

4,7142

 

122,2776

44,1774

206,1612

75,816

75,4272

100

16,63

51,06

17,02

4,38

10,91

Итого:

 

523,8594

 

Итого:

 

523,8594

 

Количество сконденсировавшегося аммиака рассчитали по уравнению:

Расчет сконденсировавшегося аммиака

где  Количество аммиака  – количество аммиака после колонны; ∑ni – сумма количеств веществ смеси после колонны; Δnж – количество сконденсировавшегося NH3 при первой конденсации.

Составили материальный баланс первой конденсации (табл. 2).

Таблица 2

Сводная таблица материального баланса первой конденсации

Приход

Расход

Статьи прихода

кмоль

кг

об%

Статьи расхода

кмоль

кг

об%

Цирк. газ

NH3

H2

N2

Ar

CH4

43,254

7,193

22,089

7,363

1,895

4,714

 

122,278

44,177

206,161

75,816

75,427

100

16,63

51,06

17,02

4,38

10,91

Цирк. газ

NH3

H2

N2

Ar

CH4

Потеря газа 20 кг

35,091

2,493

19,895

6,631

1,741

4,331

Жидк. фаза 4,7

 

42,381

39,790

185,668

69,640

69,296

 

79,9

100

7,10

56,70

18,90

4,96

12,34

Итого:

 

523,859

 

Итого:

 

516,675

 

Невязка расчета материального баланса составила 0,014 %.

Произвели расчет теплового баланса производства по стадии сгорания природного газа. Исходными данными служат: температура в зоне реакции t = 500 °С, количество газовой смеси на входе в колонну V1= 119025 нм3/ч, температура газовой смеси на входе t1= 35 °С, количество газовой смеси на выходе из колонны V2= 102329 нм3/ч, температура газовой смеси на выходе t2= 110 °С. Рассчитали приход тепла в колонну синтеза аммиака, тепловой эффект реакции синтеза аммиака при высоком давлении, общее количество тепла, общий расход тепла. Результаты расчетов представлены в табл. 3.

Таблица 3

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход тепла

Расход тепла

Статьи прихода

кВт

Статьи расхода

кВт

Газовая смесь

Реакция синтеза

Охлаждающая вода

1291

10806

4452

Газовая смесь

Охлаждающая вода

Потери тепла

4620

8325,24

3603,76

Итого

16549

Итого

16549

Охрана персонала и природной среды

Изучили охрану труда работающего персонала и находящейся вокруг среды. В производстве аммиака обширно применяются разнообразные установки, использующие электроэнергию. Рабочий персонал, связанный с обслуживанием этих устройств, проходит специальную подготовку. Изготовление аммиака считается взрыво- и пожароопасным. Для зданий такого производства необходимы наружные ограждения, системы которых выполняются легко сбрасываемыми при воздействии на них взрывной волны. В изготовлении аммиака практически всё главное техническое спецоборудование, за исключением компрессоров, а также все основные газопроводы находятся за пределами сооружения [2].

В производстве аммиака существуют стабильные и периодические сбросы газов в атмосферу, а также сбросы, вызванные нарушениями технического порядка. Регулярно в атмосферу выпускают газы из трубчатой печи, подогревателя естественного газа, а также через факельные конструкции. Используются все необходимые очистные установки, а также рассчитывается высота труб с учетом максимально допустимых приземных концентраций.

Заключение

Таким образом, в работе исследовали технологический процесс производства аммиака, основное технологическое оборудование, рассчитали материальный и тепловой балансы. Проблема российских производств состоит в том, что существенная доля функционирующих мощностей технически стала неактуальной и в обстоятельствах стремительного увеличения стоимости на сырьевые материалы и энергоносители изготовляемый на них аммиак способен обладать значительной первоначальной стоимостью, чем производимый на современном оборудовании. Современное производство аммиака базируется на ресурсосберегающих и сохраняющих энергию разработках и осуществляется в многотоннажных безотходных формах.

Список литературы

  1. Аммиак [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki.
  2. Охрана труда [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cinref.ru/razdel/.

 

Материал поступил в редакцию 02.04.2018
© Ермолаева В. А., Семочкина К. Ю., 2018