Материальный и тепловой баланс производства аммиака из азотоводородной смеси

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:

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

Таблица 1

Сводная таблица материального баланса колонны синтеза аммиака

Количество сконденсировавшегося аммиака рассчитали по уравнению:

где    – количество аммиака после колонны; ∑n_i – сумма количеств веществ смеси после колонны; Δn_ж – количество сконденсировавшегося NH₃ при первой конденсации.

Составили материальный баланс первой конденсации (табл. 2).

Таблица 2

Сводная таблица материального баланса первой конденсации

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

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