Санкт-Петербургский государственный инженерно-экономический университет
Факультет экономики и менеджмента в химической промышленности
Кафедра технологии химического
Производства
Курсовой проект
На тему:
"Производство синтетического аммиака при среднем давлении. Расчёт колонны синтеза"
Выполнил:
Студент III курса 691 группы
Боруховский Максим Михайлович
Проверил:
К.т.н., доцент Никитин Е.Е.
Санкт-Петербург
2002 г.
Введение
Народнохозяйственное значение аммиака и его основные потребители.
Применение соединений азота в качестве удобрений определяет их первостепенное значение в жизни человечества.
В настоящее время в России потенциалом для производства синтетического аммиака обладают 18 предприятий с суммарными мощностями более 13 млн т химиката в год. Производителями аммиака являются предприятия химического комплекса, исключение здесь составляет "Новолипецкий металлургический комбинат", осуществляющий выпуск в весьма небольших количествах. При этом среди основных его продуцентов преобладают компании, использующие данный химикат во внутризаводском потреблении для производства азотных удобрений.
За три квартала 2001 г. в России было произведено 7831,7 тыс. т аммиака, что на 55,2 тыс. т или на 0,7% ниже уровня соответствующего периода 2000 г. Основным фактором сокращения производства стало снижение количества торговых операций с данным продуктом при сохранении объемов его внутризаводского потребления для выпуска азотных удобрений.
Производство синтетического аммиака в России, тыс. т
| Предприятие | Объем производства аммиака за 9 месяцев 2000 г. | Объем производства аммиака за 9 месяцев 2001 г. |
| Всего | 7886,9 | 7831,7 |
| в том числе: | ||
| АО "Тольяттиазот", г. Тольятти | 1391,7 | 1242,8 |
| Холдинговая компания "Акрон", г. Новгород | 1059,0 | 1050,0 |
| АК "Азот", г. Новомосковск | 854,2 | 847,4 |
| АО "Невинномысский Азот", г. Невинномысск | 722,6 | 747,9 |
| АО "Минудобрения", г. Россошь | 557,4 | 651,0 |
| АО "Азот", г. Череповец | 616,9 | 645,3 |
| АО "Кирово-Чепецкий химкомбинат", г. Кирово-Чепецк | 628,9 | 596,8 |
| АО "Азот", г. Кемерово | 484,1 | 497,2 |
| АО "Азот", г. Березники | 535,9 | 485 |
| АО "Куйбышевазот", г. Тольятти | 402,3 | 412,8 |
| Прочие | 633,8 | 655,5 |
Лидером в производстве синтетического аммиака в России является АО "Тольяттиазот", на долю которого приходится 15,9% от общероссийского выпуска данного продукта. Однако предприятие в 3 квартале столкнулось с определенными трудностями в сырьевом обеспечении, производство аммиака работает на минимальную мощность и это не замедлило сказаться на доле компании в общем объеме производства. Так в сравнении с показателем первого полугодия 2001 г. доля компании сократилась на 0,3 пункта. Среди других производителей крупными участниками рынка аммиака являются Холдинговая компания "Акрон", новомосковское АО "Азот" и АО "Невинномысский Азот", удельный вес которых по итогам трех кварталов составил, соответственно 13,4%, 10,8% и 9,6%
Краткая историческая справка о развитии производства синтетического аммиака
Первые попытки синтеза аммиака относятся к концу XV1ILв. В течение XIXв. было проведено много исследований в этом направлении. Пытались осуществлять эту реакцию как гомогенную газовую реакцию, применять для синтеза водород “instatunascendi”, найти катализаторы. Все эти работы не привели к положительным результатам и, более того, не дали каких-либо указаний для дальнейших исследований. Лишь исследование обратной реакции — диссоциации аммиака показало, что при 500—780° и атмосферном давлении аммиак “е разлагается полностью. С точки зрения учения о химическом равновесии отсюда вытекала принципиальная возможность синтеза аммиака. Для увеличения выхода аммиака необходимо было применить повышенное давление, что и было сделано в 1901 г. Ле-Шателье. Опыты кончились неудачей — произошел взрыв реакционного аппарата.
В течение последующего десятилетия было количественно определено равновесие реакции (Габер, Нернст). Исследования проводились
при относительно невысоких давлениях— ниже 100 ат.
Позднейшие измерения равновесия при давлениях до 1000 ат
показали, что константа равновесия КР
,
которая для идеальных газов является функцией только температуры, существенно зависит и от давления. В табл. 25 приведены значения констант равновесия реакции синтеза аммиака при
различных температурах и давлениях, вычисленные по экспериментальным данным. Из таблицы видно, что, например, при 450° повышение давления от 10 до 1000 ат
приводит к увеличению значения Кр
более чем в три раза.
В дореволюционной России единственным источником технического связанного азота был коксохимический аммиак, производство которого было далеко недостаточным для покрытия потребностей в нём. Эти потребности, возросшие во время первой мировой войны, удовлетворялись за счёт импорта чилийской селитры. Для молодой России создание азотной промышленности было жизненно необходимой задачей, и поэтому уже в августе 1918 года была создана Комиссия по связанному азоту. Были проведены лабораторные исследования по изучению действия различных катализаторов на смесь азота и водорода. На урановом катализаторе были получены следы аммиака, а в феврале 1919 года на смешанном катализаторе вольфрам - молибден - окись алюминия под давлением 7,5 МПа и при температуре 605-470о
С была достигнута концентрация NH3
в газовой смеси 6,55%. Эти опыты проводились в тот период, когда сведения о производстве синтетического аммиака в Германии ещё не были опубликованы. Однако из-за отсутствия газа и перебоев с электрической энергией эксперименты были прекращены.
В середине 1925 года было принято решение о строительстве первой установки синтетического аммиака на Чернореченском химическом заводе. Был создан Комитет по связанному азоту. В этом же году по поручению Комитета группа специалистов выехала за границу для ознакомлением с производством и закупки оборудования.
В течении 1926-1927 годов был построен и введён в эксплуатацию цех по производству синтетического аммиака на Чернореченском химическом заводе, 9 февраля 1928 года наша страна впервые получила синтетический аммиак.
Синтез аммиака осуществлялся под давлением 76 МПа и при температуре 450о
С на железном катализаторе. Первая очередь установки синтеза аммиака состояла из трёх реакторов с внутренним диаметром 400 мм, производительность каждого агрегата составляла 8 т/сут жидкого аммиака, общая мощность установки - около 7,5 тыс. т/год.
После первого года работы цеха было принято решение о замене ранее используемого катализатора на новый - антрацид. В результате производительность увеличилось на 10-15%, это около 9 т/сут. После установки, в 1931 году, четырёх дополнительных реакторов с внутренним диаметром 450 мм производительность увеличилась до 17-19 т/сут.
Главными объектами строительства предприятий азотной промышленности в первой пятилетке стали Березниковский и Горловский азотно-туковые заводы, а так же Бобриковский химический комбинат. После введение заводов в эксплуатацию производство синтетического аммиака увеличилось в 10 раз.
В конце 30-х
годов азотная промышленность заняла ведущее место в химической индустрии СССР. В 1932 году на СССР приходилось 2,25% мировой мощности производства синтетического аммиака и наша страна занимала 12-е место в мире. Накануне второй мировой войны страна уже занимала третье место.
Сельское хозяйство страны в 1945 году получило всего 624 тыс. т. минеральных удобрений против 3159 тыс. т. в 1945 году, и только в 1948 году выработка азотной продукции достигла довоенного уровня.
В 1951 году была введена в действие группа цехов на Кироваканском химическом заводе и др.
Перед азотной промышленностью встала проблема технического перевооружения. В новых проектах предусматривалось использование высокоэффективных аппаратов. Начали проектировать газогенераторы производительностью 35-50 вместо 16 м3
/ч, а колонны синтеза аммиака - 180-200 вместо 50-60 т/сут. Создание укрупнённых агрегатов с автоматическим и дистанционным управлением позволили повысить производительность в несколько раз.
В 1956 году был пущен первый в нашей стране цех синтетического аммиака на базе конверсии метана коксового газа на Руставском азотно-туковом заводе, а в 1959 году на Сталиноградском химическом комбинате был осуществлён полный перевод аммиачного производства на природный газ.
Развитие производства синтетического аммиака в период 1960-1970 годов базировалось на дальнейшем совершенствовании технологических процессов и укрупнение агрегатов синтеза аммиака.
По объёму производства синтетического аммиака азотная промышленность СССР вышла на второе место. В период с 1965 по 1980 года объём производства увеличился почти в пять раз.
Производство синтетического аммиака в 1965-1980 гг, в тыс. т.
| Страна | 1965 год | 1970 год | 1975 год | 1980 год |
| США | 7806 | 11883 | 14692 | 17258 |
| СССР | 3813 | 7638 | 11998 | 16732 |
| Япония | 2162 | 3220 | 3636 | 2572 |
| ФРГ | 2023 | 2220 | 2416 | 2493 |
| Франция | 1562 | 1970 | 2367 | 2543 |
| Италия | 1252 | 1548 | 1765 | 1704 |
| Болгария | 388 | 788 | 935 | 1009 |
| Прочие | 1543 | 3496 | 5701 | 7016 |
Физико-химические основы процесса производства синтетического аммиака
Равновесие реакции синтеза аммиака
Известно несколько соединений азота с водородом: аммиак NH3
, гидразин NaH4
, азотистоводopодная кислота HN3
. Непосредственно из элементов могут быть получены аммиак и гидразин.
Однако в условиях промышленного синтеза аммиака гидразин не образуется — синтез аммиака является простой реакцией, протекающей без образования побочных продуктов.
Гидразин образуется при участии тех же катализаторов, но при более низких температурах и больших скоростях тока азотоводородной смеси.
Связывание атмосферного азота в виде аммиака происходит по уравнению:
N2
+ 3H2
= 2NH3
+2Q
где Q— тепловой эффект реакции NH3
Доказано, что равновесный выход аммиака зависит от давления и температуры для азотоводородной смесистехиометрического состава, не содержащей примесей. Так как реакция идет с требуемой для производственных целей скоростью при температуре не ниже 400—500°, то требуется давление порядка сотен атмосфер для значительного смещения равновесия в сторону образования аммиака. При отсутствии непосредственных экспериментальных данных о равновесии при высоких давлениях можно вычислить константу равновесия по методу, предложенному в 1935 г. Р. Ньютоном. Пользуясь данными о сжимаемости для 22 газов, он вычислил для них коэффициенты активности. Оказалось, что для всех газов, кроме водорода, гелия и неона, полученные значения удовлетворительно совпадают со средними значениями коэффициентов активности при одних и тех же приведенных температурах и давлениях.
Тепловой эффект реакции синтеза аммиака также зависит от температуры и давления.
Скорость реакции синтеза аммиака
Синтез аммиака из газообразных азота и водорода протекает с измеримой скоростью только при участии твердых катализаторов; это — гетерогенно-газовая каталитическая реакция.
Катализаторы.
Для реакции синтеза аммиака катализаторами являются железо, платина, осмий, марганец, вольфрам, уран, родий и другие металлы, атомы которых характеризуются незаполненным вторым снаружи электронным слоем. Особенно высокая активность обнаружена при лабораторных исследованиях у осмия и урана. Однако условия использования катализатора в лаборатории и на заводе, перерабатывающем в сутки сотни тысяч и миллионы кубических метров газа, различны. Понадобились большие усилия, чтобы найти катализаторы, удовлетворяющие производственным требованиям.
Промышленный катализатор должен быть активным при относительно низких температурах в связи с рассмотренной выше зависимостью состояния равновесия реакции от температуры. Активность катализатора должна поддерживаться на постоянном и достаточно высоком уровне в течение длительного времени. Присутствие в газе некоторых ядов, полное удаление которых является сложным и дорогим процессом, не должно оказывать существенного влияния на активность катализатора. Наконец, катализатор должен быть дешев. Этим требованиям не удовлетворяют, например, осмий, платина, уран, железо; первые два металла — активные и устойчивые катализаторы, но дороги; уран — активный катализатор, но легко отравляется водяными парами; восстановленное металлическое железо — активный и дешевый, но неустойчивый катализатор.
В поисках катализатора, наиболее отвечающего промышленным требованиям, были испытаны тысячи разнообразных материалов — почти все металлы, как сами по себе, так и в сочетании по два и по три в разнообразных пропорциях. Еще ранее было замечено, что катализаторы, состоящие из нескольких веществ, часто более активны, чем отдельные составляющие их вещества. Опыт показал, что эта закономерность проявляется и при синтезе аммиака на железных катализаторах: катализаторы для синтеза аммиака, полученные восстановлением железа из. руд различных месторождений, при почти одинаковом химическом составе отличаются по активности иногда в три-четыре раза. Эти наблюдения легли в основу дальнейших поисков. Оказалось, что катализатором, удовлетворяющим перечисленным выше требованиям, является металлическое железо с добавкой незначительных количеств окислов алюминия икалия. Такой катализатор более активен, чем чистое железо, и сохраняет свою активность в течение многих месяцев в условиях работы на промышленном газе.
Для каждого катализатора характерен определенный оптимальный температурный режим. Катализаторы, приготовленные из железа или железной руды, дают возможность вести процесс при температурах: не ниже 450° и не выше 600°. Значительно отличаются от них в этомотношении железные активированные катализаторы, полученные разложением комплексных цианистых солей, например железистосинеродистого калий-алюминия. Эти катализаторы активны уже при 400° и ниже.
Повышение активности катализатора — эффективный способ увеличения производительности аппарата. Благодаря усовершенствованию' методов получения катализаторов удалось значительно повысить производительность колонн синтеза.
При очень высоких давлениях равновесие настолько значительно смещается в сторону образования аммиака, что представляется возможным повысить температуру до 800—900°, при которой (под давлением 500 ат)
реакция протекает в отсутствие специально вводимых в аппарат катализаторов. При этих условиях, повидимому, достаточно каталитического действия стенок реакционного аппарата, — в лабораторном аппарате в отсутствие катализаторов реакция протекала с большой скоростью и была достигнута высокая степень превращения исходной смеси.
Стадии реакции синтеза аммиака.
Любая реакция между газообразными веществами, протекающая на поверхности катализатора, может быть расчленена на пять последовательных стадий:
1) перенос газообразных реагирующих веществ к поверхности катализатора,
2) адсорбция
3) реакция на поверхности
4) десорбция продукта реакции с поверхности
5) перенос продукта реакции от поверхности в объем газовой фазы.
Адсорбция при гетерогенно-газовых каталитических реакциях характеризуется, в большинстве случаев, относительно высокой энергией активации и сопровождается выделением значительного количества тепла (от 10 до 100 ккал
на 1 г-мол
адсорбированного газа). Такая адсорбция называется активированной.
Скорость одной из перечисленных стадий может быть значительно меньше скоростей остальных стадий, и тогда эта стадия определяет скорость суммарного процесса. Какая из стадий будет медленной, зависит от свойств системы и значений внешних параметров. Иногда скорость каталитического процесса определяют стадии переноса газообразных веществ к поверхности и продуктов реакции от поверхности. Например, если газовая смесь проходит через слой катализатора с небольшой линейной скоростью, то перенос веществ к поверхности катализатора совершается медленно и может ограничивать скорость суммарного процесса — реакция характеризуется малым значением энергии активации и незначительным увеличением скорости реакции с повышением температуры. Значительно чаще скорость реакции ограничивается скоростью Адсорбции, десорбции или реакции на поверхности.
Стадии каталитического синтеза аммиака следующие. Азот и водород диффундируют из объема газовой фазы к поверхности катализатора, где протекает активированная адсорбция обоих газов. Далее адсорбированный азот вступает во взаимодействие с адсорбированным или газообразным водородом, причем последовательно образуются имид NH, амид NH2
и аммиак NH3
. Последний десорбируется с поверхности и поступает в объем газовой фазы.
Обширные работы в области изучения скорости синтеза и разложения аммиака дают большой материал для теоретической химии, несмотря на то, что значительная часть их посвящена изысканиям эффективных катализаторов для промышленного синтеза и определению оптимальных условий для их применения.
Измерения скорости синтеза аммиака на железном, молибденовом и вольфрамовом катализаторах и скорости разложения аммиака на железном и медном катализаторах показали, что скорость синтеза на различных катализаторах подчиняется уравнению, указывающему на общность механизма реакции на разных катализаторах. Таким образом, кинетические измерения суммарных процессов подтверждают, что адсорбция азота и десорбция его являются ограничивающими стадиями синтеза и разложения аммиака.
Исследования скорости синтеза аммиака под повышенным давлением в изотермических условиях проводились с чистой азотоводородной смесьюстехиометрического состава при давлении 300 ат,
температурах 425—525°С интервалом в 25°С и при различных объемных скоростях с железным катализатором (активированным окисью алюминия и окись калия), полученным методом кислородной плавки.
При одной и той же температуре и при разных объемных скоростях значения констант скорости реакции близки между собой..
Оптимальные условия синтеза аммиака
Содержание 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 м3
катализатора. 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 м3
газа, 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
+ Н2
О
О2
+2Н2
= 2Н2
О
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 С0
и давлении 280 ат концентрация аммиака определяется по формуле Ларсона и Блека:
lg4 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
Pэф
= 300 * (1 – 0,025) * (1 – 0,0316) = 283 ат
6. При 300 ат. и 5000
С 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
C
NH3
=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
-4С
NH3
-)*0.7710/100+1.03*6 С
NH3
кг NH3
на 1 нм3
поступающей газовой смеси.
Отсюда рпи поступлении 4
Wнм3
/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
4
v =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
4С
N2
= 94.3/3.007+1=23.7
Водорода
4С
H2
= 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 нм3
или 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
xy 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 нм3
водорода
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 нм3
N2
, 1 нм3
Ar, 3 нм3
СH4
15.Количество продувочных газов . Для получения 10416 кг NH3
нужно 20653 нм3
H2
и 6862 нм3
N2.
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 нм3
азота
5,65+1=6,65 нм3
аргона
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 нм3
аргона
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*0,014x*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 нм3
или 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 H2
О
36505 нм3
-х кг H2
О 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 нм3
N2
, 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
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 i1
содержащегося 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
-i9
кдж/ 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 i7
находим
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 – t равна 2840
С. Энтальпия газа на входе в слой катализатора при 4400
С 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 С0
и энтальпией i3
=4210,а выходит из теплообменника с температурой 284 С0
и 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 кджкг
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 С0
рвана i13
=1234,5 кдж/кг,а при 220 С0
i12
= 945,8 кдж/кг.Отсюда ,при нагревании воды от 220 до 280 С0
энтальпия 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 Q в любой точке определяется произведением массы газа на энтальпию его,например
Q2
= m2
i2
=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 ограничивают20—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 начинаетотделяться 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 колоннахдостигает рабочей величины(460—500 °С в «горячейточке») и колонна выводится на рабочийавтотермический 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 нормамитехнологического режима(стр. 289, 291).Температура в «горячей точке» должна быть не ниже 460 °С (приболее низких температурах процесс перестает быть .устойчивым) и не выше 530 °С (во избежание перегрева катализатора). Температуру на выходе газаиз 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.
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*1м3
СО 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 нимдругие звенья, чтобы меры, принятые к ликвидации одного из нарушений, не вызвали возможных аварий на смежном участке.
Спецификация оборудования
Насадки
колонн
синтеза
Колонны синтеза состоят из корпуса и насадки, включающей теплообменник и катализаторную коробку.
Применяемые в настоящее время конструкции насадок можно свести к следующим типам:
1. Трубчатые насадки с теплообменником в зоне катализа, подразделяемые на противоточные,
в которых потоки газа в теп-лообменных трубках и в слое катализатора имеют встречное направление (см. рис. VI-10), и прямоточные
(обычно с двойными теплообменными трубками), в которых потоки газа движутся в трубках и в слое катализатора параллельно друг другу (см. рис. VI-! 1).
2. Полочные насадки с катализатором, загруженным сплошным слоем на полки, и подводом холодного газа в пространство между полками (см. рис. VI-13).
Известны также многочисленные варианты конструкции насадок, являющихся комбинациями перечисленных выше типов (см., например, рис. У1-12).Производительность колонн во многом зависит от конструкции их насадок, совершенство которых оценивается простотой и надежностью работы, а также возможностью создания наиболее благоприятного температурного режима синтеза аммиака. В идеальном случае распределение температур по высоте слоя
Рис. VI-10. Противоточная насадка Рис. VI-11. Прямоточная насадка (здесь и на рис. VI-!! —VI-13 спра- с двойными теплообменными трубками ва изображены графики распределения температур в катализаторной коробке):
/—предварительный (нижний) теплообменник;
2—
катализаторная коробка; 3—
теплообменные
трубки катализаторной коробки.
катализатора должно соответствовать оптимальной температурной кривой (см. рис. У1-2, стр. 277). Для обеспечения оптимального режима должно быть правильно определено соотношение размеров предварительного теплообменника и катализаторной коробки и организован отвод тепла из зоны реакции таким образом, чтобы исключалась возможность как перегрева, так и переохлаждения катализатора.
Трудность создания температурного режима колонн синтеза, близкого к оптимальному, связанас тем, что образование аммиака по высоте катализаторной коробки и, следовательно, выделение тепла происходят неравномерно.
| '380 Ш 500 500°С
|
| №лдднь№
байлас |
| байпас
|
Вертикальные водяные холодильники-конденсаторы
состоят из
пучка согнутых в спирали труб высокого давления, помещенных
в стальной цилиндрический кожух; концы труб ввальцованы в рас
пределительные камеры. Газ движется по змеевикам сверху вниз,
вода проходит в кожухе противотоком газу. В зависимости от производительности агрегатов синтеза аммиака охлаждающая поверхность таких конденсаторов составляет 150—200 л*2
.
К наиболее эффективным типам конденсаторов относятся спи
ральные теплообменники. Они достаточно компактны, однако из-
за трудности изготовления еще редко применяются.
Аммиачные конденсаторы устанавливают в дополнение к водя
ным конденсаторам. Они являются второй ступенью охлаждения
циркуляционного газа и служат для более полной конденсации из него аммиака. Ниже кратко описаны применяемые типы аммиачных конденсаторов.
Горизонтальный конденсатор
представляет собой стальной котел, рассчитанный на давление 16 ат.
В нижней части котла размещается от 5 до 8 секций труб высокого давления, каждая из которых состоит из шести горизонтальных труб, соединенных между собой.
Снаружи такого конденсатора расположены газовые коллекторы, связывающие секции труб высокого давления по входу и выходу газа. Газ поступает в конденсатор сверху, разветвляется на параллельные потоки по секциям и движется вниз, переходя затем в нижний коллектор. Нижние ряды труб высокого давления погружены в кипящий жидкий аммиак, залитый в котел, а верхние трубы охлаждаются парами аммиака. Чем меньше давление паров над жидким аммиаком, тем ниже возможная температура охлаждения. Обычно конденсатор работает при давлении 2 ат.
Котел конденсатора имеет предохранительные устройства — рычажные или пружинные клапаны и взрывные пластины, предотвращающие возможность случайного повышения давления в котле.
| Газ
|
Слив
Рис. У1-19. Аммиачный конденсатор: /—ловушка брызг жидкого аммиака;
|
Вертикальный конденсатор
(рис. VI-19) также представляет собой котел, заполняемый до определенного уровня жидким аммиаком. В котле размещены змеевики 3
(трубы высокого давления). Азото-во до родная смесь входит в конденсатор через верхний коллектор 2
и движется через параллельно включенные змеевики (до 12. шт.) внутренним диаметром 25—35 мм.
Охлажденная газовая смесь выходит из аппарата через нижний коллектор б при температуре 10—20 °С.. Охлаждающая поверхность змеевиков-испарителей, установленных на крупных агрегатах, достигает 100 м*.
Жидкий аммиак подается в испаритель (конденсатор) снизу, газообразный испарившийся аммиак отводится по трубке в ловушку /. Здесь задерживаются капли жидкого аммиака, уносимые газом; жидкость стекает обратно в аппарат через вертикальную трубу 5.
Сепараторы и фильтры
Фильтры предназначены для очистки газа от твердых и жидких веществ, сепараторы — для отделения жидкого аммиака.
|
|
Применяются следующие способы выде
ления
из газа твердых примесей и капель жидкости: фильтрация через пористые материалы, очистка под действием силы тяжести и резкого изменения скорости и направлениягаза,очистка в поле центробежных сил (созданием вращательного движения газа). Различают несколько типов сепараторов и фильтров.
Рис. У1-20. Верти
I
отбойники; 4—
цилиндр; б—плита; 6—
ковая камера. |
Вертикальный сепаратор
(рис. У1-20)
состоит из толстостенного стального цилиндрического корпуса2
с верхнейи нижней крышками / и 5. Внутри аппарата имеется цилиндр 4,
ввальцованныйв верхнюю часть корпуса и опускающийся на треть его высоты. Газ, содержащий капельки жидкости, входит в сепаратор через отверстие и движется по кольцевому зазору между внутренней стенкой корпуса 2
и цилиндром 4.
На выходе из этого кольцевого зазора газ изменяет скорость и направление и устремляется вверх цилиндра.Отделение капель жидкости от газалроисходит под действием силы тяжести, изменения направления и скорости газового потока.
Внутри цилиндра на металлических стержнях укреплены отбойники 3,
представляющие собой стальные полудиеки, повернутые друг к другу под углом 30°. Уносимые газом брызги жидкого аммиака ударяются об отбойники и стекают вниз. Газ, освобожденный от жидкости, выходит из сепаратора через верхнее отверстие, жидкий аммиакудаляется из аппаратаснизу.Для предотвращения прорыва газа в жидкостной трубопровод (что очень опасно) в сепараторе всегда поддерживается определенный уровень жидкого аммиака при помсщи регулятора уровня, получающего соответствующий импульс от бхйковойкамеры 6.
Циркуляционные нагнетатели
В качестве циркуляционных нагнетателей применяются порш
невые и центробежные компрессоры, а также газоструйные компрессоры (инжекторы).
Поршневые циркуляционные компрессоры
(ПЦК) представляют
собой машины двойного действия с сжатием газа в одну ступень и с одним или двумя параллельно работающими цилиндрами. Цилиндры не охлаждаются, таккакколичество выделяющегося тепла незначительно вследствие небольшой степени сжатия газа.
Характеристика некоторых
типов
поршневых нагнетателей, применяемых в производстве аммиака, приведена ниже:
1-й тип 2-й тип
180 360
129 147
450 560
210 260
292 750
|
Производительность, мя
/ч
сжатого газа . . Скорость вращения вала, об/мин .
.- . . .
Ход поршня, мм ............
Дияметр цилиндра, мм
.........
Мощность двигателя, кет ........
Центробежные циркуляционные компрессоры
(ЦЦК) являются
многоступенчатыми
центробежными машинами,непосредственно соединенными с электродвигателем и помещенные в толстостенный сосуд высокого давления (корпус).Такая конструкция компрессора позволяет исключить применение сальников, что является одним из достоинств ЦЦК (см. ниже).
Газ входит в корпус ЦЦК (рис. У1-24) со стороны двигателя, движется в кольцевой щели между корлусом компрессора и электродвигателя и выходит через окнопромежуточного фонаря во всасывающую камеру первого рабочего колеса. Здесь газ центробежной силой отбрасывается на периферию. Проходя все рабочие колеса машины, газ подвергается сжатию до нужного давления и через нагнетательный патрубок удаляется из компрессора в трубопровод.
В большинстве случаев центробежные компрессоры работают при перепаде давлений 15—20 ат
между всасывающим и нагнетательным патрубками и, в зависимости от этого, имеют от 10 до 14 рабочих колес. Производительность ЦЦК составляет 300— 400 м3
/ч
сжатого газа.
Изоляционные материалы в электродвигателях аммиачных компрессоров при соприкосновении с аммиаком быстро теряют диэлектрические свойства. Поэтому, чтобы предотвращался контакт изоляции с циркуляционным газом, для обдувки двигателя применяется свежая азото-водородная смесь, предварительно
•освобожденная от водяных паров путем охлаждения испаряющимся аммиаком с последующей осушкой смеси силикагелем.
Компрессор имеет байпас (перепускной вентиль), которым пользуются при пуске машины и для регулирования ее нагрузки.
Преимущества центробежных компрессоров перед поршневыми заключаются в следующем: ЦЦК работают почти без смазки, благодаря чему газ не загрязняется маслом. Из-за отсутствия сальниковых уплотнений высокого давления в таких компрессорах снижаются потери газа и уменьшается возможность проникания газа в рабочие помещения. ЦЦК создают равномерный газовый поток без пульсацийг
характерных для работы поршневых компрессоров.
310
Типы контрольно-измерительных приборов
Измерение температуры
Температуру газа и кислоты в сернокислотном производстве измеряют при помощи ртутных термометров, термометров сопротивления и термопар, причём точность измерения термометрами сопротивления и термопарами выше; для обеспечения такой точности применяются разнообразные логометры, мосты сопротивления, милливольтметры и потенциометры – показывающие, автоматические регистрирующие одновременно несколько показаний и сигнализирующие.
Для измерения температуры до 500°С широко применяют ртутные термометры, однако более удобны в производственных условиях термометры сопротивления. Принцип их действия основан на измерении электропроводимости металлов при различной температуре.
Для измерения более высоких температур (300-1800°С) применяют термопары, состоящие из двух спаянных проволочек, выполненных из различных металлов или сплавов).
Измерение давления и разрежения
Измерение давления и разрежения осуществляется с помощью U-образных (двухтрубных) и чашечных (однотрубных) манометров, вакуумметров и микроманометров, заполненных водой, ртутью или какой-либо другой жидкостью. О разрежении или давлении судят по разности уровней жидкости в трубах.
Такие манометры применяются для измерения избыточного давления воздуха и газов до 7 кПа, и 0,1 МПа, а тягомеры для измерения разрежения до 0,101 МПа.
Измерение расхода
Объём проходящих газов или жидкости обычно измеряют при помощи диафрагмы – металлического диска с отверстием посредине. Диафрагма закрепляется между двумя фланцами трубопровода. Отверстие диафрагмы меньше диаметра трубопровода, поэтому при прохождении газа (жидкости) создаётся сопротивление, которое тем больше, чем выше скорость газа (жидкости) в трубопроводе.
Коррозионная стойкость материалов для основного и вспомогательного оборудования
Рациональный выбор материалов для изготовления аппаратуры имеет большое практическое значение и в значительной степени определяет экономические показатели химического производства. Материал должен быть прежде всего достаточно стойким к воздействию аммиака
Коррозионная активность аммиака по отношению к материалам зависит главным образом от её концентрации, температуры и наличия примесей.
При выборе материалов для изготовления химической аппаратуры учитывается не только их стойкость к коррозии, но и прочность, устойчивость при высокой температуре, возможность обработки и сварки материала, его доступность и стоимость. Если чёрные металлы достаточно стойки к коррозии в условиях работы данного аппарата или технологического узла, то эти материалы используются в первую очередь, так как они весьма прочны, доступны и достаточно дёшевы. Часто применяются также легированные чёрные металлы (содержащие легирующие добавки) или специальные сплавы, обладающие повышенной коррозийной стойкостью. Однако специальные сплавы обычно дороги и в условиях, часто используют неметаллические химически стойкие материалы.
В аммиачной промышленности неметаллические материалы применяются особенно широко, так как многие из них весьма стойки к действию аммиака в широком диапазоне её концентраций и температур.
Почти все важнейшие аппараты в производстве аммиака изготовляют из стали и чугуна, в большинстве случаев изнутри их футеруют или покрывают кислостойкими материалами- керамикой, природными кислотоупорами, каменным литьём, кислотоупорным бетоном, органическими кислотостойкими покрытиями. , содержащие хром, молибден, никель и другие добавки. .