Разработка мероприятий по усовершенствованию технологии аммиака

%м3/сН272,58140,51- конвертированный газ116,72- циркуляционный газ23,79N223,1344,78- конвертированный газ41,04- циркуляционный газ3,74Ar0,571,1CH43,025,85- конвертированный газ0,75- циркуляционный газ5,1NH30,71,36Итого:100193,6Сокращение объёма газовой смеси вследствие синтеза аммиака рассчитывается по формуле:Общее количество газовой смеси на выходе из колонны синтеза: м3/сОбъем аммиака на выходе из колонны:NH3173,47 · 0,16 = 27,76м3/сСогласно производственных данных состав газа на выходе из колонны:Н2 = 56-58%;N2 = 17,5-19,2%; Ar = не более 4,9%;СH4 = не более 13,3%Таблица 5.3 – Состав и объем конвертированного газа на выходе в колонныКомпонентыСухой газоб. %м3/сН258100,61N21932,95Ar0,631,1CH46,3711,05NH31627,76Итого:100173,47Производительность водяного конденсатора: ,где – содержание аммиака в газовой смеси после водяного конденсатора, согласно производственных данных, не более 11,5%, принимаем 8 об. %.м3/сВ пересчёте на жидкий аммиак:м3/сгде595 кг/м3 – плотность жидкого NН3 при 30˚СОпределяем количество растворившихся компонентов газовой смеси в жидком NН3, сконденсировавшемся в водяном конденсаторе. При 30˚С и 9,81*104 Па (1 ат) их растворимость: Н2– 0,72 м3/м3; N2 – 0,081 м3/м3; Аr – 0,109 м3/м3; СН4 – 0,22 м3/м3.Если в азотоводородной смеси есть метан, его растворимость в жидком NН3 можно определить по уравнениюS = KP,гдеS – количество СН4, растворившегося в жидком NН3, см3 СН4 при 0˚С и 9,81*104 Па на 1 г NН3;Р – парциальное давление СН4 в циркуляционном газе, Па;К – коэффициент, значение которого приведено ниже:Температура конденса-ции NH3, ˚С -10 0 10 2025 30Коэффициент К 0,15 0,19 0,22 0,256 0,311 0,357В жидком NН3, сконденсировавшемся в водяном конденсаторе при 32,86·106 Па (335 ат), растворяются ещё и такие газы:Н2 м3/сN2 м3/сАr м3/сСН4 м3/сВсего:0,482 м3/cКоличество и состав газовой смеси после водяного конденсатора и сепаратора будет:NН327,76 – 15,09 = 12,67 м3/c, что составляет 8%Н2100,61 – 0,28 = 100,33 м3/c, что составляет 63,54%N2 32,95 – 0,103 = 32,85м3/c, что составляет 20,8%Аr1,1 – 0,005 = 1,095м3/c, что составляет 0,69%СН411,05 – 0,094 = 10,96м3/c, что составляет 6,94%Всего:157,905м3/c5.4Расчет теплового баланса синтеза аммиакаИсходные данные для расчёта: - по данным термодинамического анализа тепловой эффект реакции синтеза аммиака равен 81790 кДж;- температура газа, поступающего в колонну синтеза 1750С.- температура газа на выходе 3800С.Количество теплоты рассчитывается по формуле:Q = (V/22,4) · c · t,гдеV – расход газов,м3/c;с – средняя мольная теплоёмкость газовой смеси, кДж/моль*град;t – температура газа, 0ССреднюю мольную теплоёмкость газовой смеси можно рассчитать по правилу аддитивности:Сср = NN2CN2 + NH2CH2 + NCH4CCH4 + NArCAr+ NNH3CNH3,гдеNN2, NH2, NCH4, NNH3– доли компонентов;СN2, СH2, СCH4, СNH3– средние мольные теплоёмкости компонентов.Значения средних мольных теплоёмкостей компонентов при t = 380ºC в кДж/(кмоль*град):N2– 29,57; H2– 29,194; CH4– 44,888;Ar – 20,79; NH3– 41,89При t = 175ºC в кДж/(кмоль*град):N2 – 28,935; H2 – 29,03; Ar – 20,79; CH4 – 39,0; NH3 – 38,7Средняя мольная теплоёмкость газа, поступающего в колонну:Сср = 0,2313·28,935 + 0,7258·29,03 + 0,0302·39 + 0,0007·38,7 + 0,0057·20,79== 29,09 кДж/ кмоль*градСредняя мольная теплоёмкость газа, выходящего из колонны:Сср = 0,19·29,57 + 0,58·29,194 + 0,0637·44,888 + 0,16·47,89+ 0,0063·20,79 == 33,2 кДж/ кмоль*градКоличество теплоты с газом, поступающим в колонну синтеза:Q1 = (193,6/22,4) · 29,09 · 175 = 43998,625 кВтКоличество теплоты с газом, выходящее из колонны синтеза:Q2 = (173,47/22,4) · 33,2 · 380 = 97700 кВтРассчитаем количество тепла, выделяющегося в результате реакции, находится по формуле: Qр = (V/22,4) ·q,гдеV – количество полученного аммиака, 27,76 м3/c;q– тепловой эффект реакции, 81790 кДжQр = (27,76/22,4) ·81790 = 101361,2 кВтПотери тепла согласно исходных данных составляет 2%, рассчитаем:Qпот = 0,02· (Q1 + Qр) = 0,02· (43998,625 + 101361,2) =2907,2 кВтКоличество тепла, отводимое во встроенном теплообменнике:Qт/о = 101361,2 + 43998,625–97700 = 44752,625 кВтТаблица 5.4 – Тепловой баланс колонны синтезаПриход теплаРасход теплакВт%кВт%Тепло, приносимое синтез-газом в колонну синтеза43998,62530,3Тепло, уносимое газом из колонны синтеза9770067,2Тепло, выделяющееся в результате реакции101361,269,7Потери тепла2907,22,0Тепло, отводимое в теплообменнике44752,62530,8Итого:145359,825100Итого145359,8251006 РАСЧЕТ ОСНОВНОГО ОБОРУДОВАНИЯРасчет размеров аппарата сводится к нахождению объема катализатора. Производительность катализатора, т.е. количество аммиака (в кг), снимаемого с 1 м3 катализатора в 1 единицу времени, можно определить по уравнению:g = 0,758·W2·a·гдеg - производительность катализатора, кг/(м3*ч);W2 - объемная скорость газа на входе в колонну, для колонн синтеза при производительности 1360 т/ч составляеь17900 ч-1;а - количество вновь образовавшегося аммиака, % об; находится по формуле:А1,А2 - содержание аммиака на выходе и входе в колонне, %- уменьшение объема смеси вследствие реакции синтеза, 0,896Вследствие чего получаем: g = 0,758·17900·0,152·0,896 = 1847,9 кг/(м3·ч);Тогда необходимый объем катализатора в колонне будет равен:м3гдеG - заданная производительность колонны, 15, 74 кг/с = 56666,7 кг NH3/ч.Объёмный расход газа на входе составляет 193,6 м3/с.Принимаем, что линейная скорость равна Vлин = 57,2 м/с.Находим площадь колонны в зоне загрузки катализатора по формуле:м2Определим диаметр колонны в зоне загрузки катализатора по формуле: мДействительный диаметр колонны синтеза составляет 2170 мм, значит расчет верен (чертеж аппарата приведен на формате А1).7 ВЫБОР ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯСтабильная эксплуатация производства аммиака при заданной мощности может быть обеспечена при непрерывной работе всего оборудования, но особенно важна стабильная работа компрессора.В настоящее время для компримирования и циркуляции газовых смесей используют высокопроизводительные компрессоры с приводом от электродвигателей или от паровых турбин.Производительность компрессоров определяется мощностью агрегатов синтеза или всего производства аммиака.Из водяных холодильников-конденсаторов в агрегатах синтеза аммиака широко распространены конденсаторы типа «труба в трубе», основным преимуществом которых является высокий коэффициент теплопередачи. Однако такие конденсаторы громоздки и имеют большое гидравлическое сопротивление.В настоящее время на крупных агрегатах, как при высоком, так и при низком давлении широко применяют более эффективные холодильники-конденсаторы воздушного охлаждения. Для охлаждения газа, проходящего внутри оребрённых труб, подаётся воздух, нагнетаемый вентиляторами. Устройство аппарата и рациональная система подачи охлаждённого воздуха обеспечивает высокую эффективность работы, компактность и небольшую металлоёмкость.Отделение сконденсировавшегося жидкого аммиака осуществляется в горизонтальном сепараторе. Разделение смеси происходит за счёт резкого снижения скорости газового потока и изменении его направления на входе в аппарат.Вторичная, более полная конденсация аммиака происходит в испарителях жидкого аммиака (горизонтальный кожухотрубчатый аппарат с U-образными трубками) и конденсационной колонне. Конденсационная колонна объединяет в себе теплообменник и сепаратор жидкого аммиака. Достигаемое за счёт теплообменника конденсационной колонны повышение температуры газа на входе в колонну синтеза позволяет сократить (на 5-6%) поверхность теплообмена последней. Правда, металлоёмкость систем с конденсационной колонной повышается на 10-13%, но эта дополнительная затрата стали окупается за сравнительно короткий период в результате значительной экономии холода.При расчёте количества вспомогательных аппаратов принимают, что эффективное время работы всего оборудования равно эффективному времени работы колонны синтеза (всё производство останавливается одновременно).Количество вспомогательных аппаратов рассчитывается по формуле:n = M/q, гдеM – требуемый часовой расход, м3/час;q – производительность единицы оборудования, м3/час.Рассчитаем количество сепараторов:n = 624492/568458 = 1,09, гдеM – расход газа, выходящего из колонны, по таблице матбаланса 173,47 м3/с = 624492 м3/час;q – производительность сепаратора, по таблице матбаланса 157,905 м3/с = 568458 м3/часПринимаем 1 сепаратор.Характеристики сепаратора:Горизонтальный аппарат высокого давления.Внутри аппарата расположено сепарирующее устройствоДиаметр внутренний - 2400 ммДлина общая - 9420 ммВместимость - 28 м³Толщина стенки - 248 ммсреда - азотоводородная смесь, аргон, метанрабочее давление - 32 МПа (320 кгс/см²)рабочая температура - 40ºССрок службы 20 лет.Вспомогательное оборудование приведено в таблице 7.1.Таблица 7.1 – Характеристика вспомогательного оборудованияНаименование оборудованияКол-воХарактеристикаВстроенныйтеплообменник1Аппарат кожухотрубного типаВысота корпуса - 9564 ммДиаметр внутренний - 1000 ммТолщина стенки - 110 ммЧисло трубок - 1920 шт.Диаметр трубок - (12х1,5) ммДлина - 7664 ммТрубное пространство:среда - циркуляционный газрабочее давление – не более 27 МПа (не более 270 кгс/см²)рабочая температура - 335ºС..530ºСрасчетное внешнее давление насадки (перепад)- 2,0 МПа (20 кгс/см²)поверхность теплообмена - 475 м²Межтрубное пространство:среда - АВС, циркуляционный газрабочее давление – не более 27 МПа (не более 270 кгс/см²)рабочая температура на входе - 180ºС..190ºСрабочая температура на выходе - 400ºС..440ºССрок службы 20 летТеплообменник промежуточный1Внутренний теплообменник кожухотрубного типа между 2 и 3 полкамиВысота корпуса – 6050 ммДиаметр - 770х6 ммКоличество трубок – 628 штукДиаметр трубок – 15,875х2,770 ммДлина трубок – 6050 ммВыносной теплообменник1Вертикальный кожухотрубный аппаратВысота общая - 17890 ммДиаметр внутренний - 1600 ммВ корпусе высокого давления располагается насадкаДиаметр трубок - (12 х 1,5) ммДлина - 14000 ммЧисло трубок - 7106 шт.Трубное пространство:среда - циркуляционный газрабочее давление - 29,6 МПа (296 кгс/см²)рабочая температура на входе - 220ºСрабочая температура на выходе - 80ºСВместимость трубного пространства - 8 м³Межтрубное пространство:среда - циркуляционный газрабочее давление - 32,0 МПа (320 кгс/см²)рабочая температура на входе - 45ºСрабочая температура на выходе - 200ºСВместимость межтрубного пространства - 20 м³Поверхность теплообмена - 3200 м²Срок службы 20 летПодогреватель воды1Вертикальный аппарат высокого давленияВысота общая - 16705 ммДиаметр внутренний - 1600 ммДиаметр трубок - (21,7 х 3,5) ммДлина - 10100 ммЧисло трубок - 1722 шт.Трубное пространство:среда - азотоводородноаммиачная смесьрабочее давление - 32,0 МПа (320 кгс/см²)рабочая температура на входе - (320-350)ºСрабочая температура на выходе - (200-215)ºСВместимость трубного пространства - 3,5 м³Межтрубное пространство:среда - водарабочее давление - 13,0 МПа (130 кгс/см²)рабочая температура на входе - (102-120)ºСрабочая температура на выходе - 330ºСВместимость межтрубного пространства - 16 м³Поверхность теплообмена - 925 м²Срок службы 15 летСписок использованной литературыРасчеты по технологии неорганических веществ / Под ред. М.Е. Позина. – Л.: Химия, 1977. – 496 с. Расчеты по технологии неорганических веществ /Под ред. П.В. Дыбиной. – М.: Высшая школа, 1967. – 524 с. Методы расчетов по технологии связанного азота / В.И. Атрощенко и др. Под ред. В.И. Атрощенко. – Киев: Вища школа, 1978. – 312 с. Справочник азотчика. Кн. 1. – М.: Химия, 1985. – 404 с. Производство аммиака / Под ред. В. П. Семенова. – М.: Химия, 1985. – 368 с.Аммиак. Вопросы технологии / Под общей ред. Н.А. Янковского. - Донецк: ГИК “Новая печать”, ООО “Лебедь”. 2001. - 497 c (электронный ресурс).Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. Производство аммиака, минеральных удобрений и неорганических кислот. Введ. 01.03.2020. - М.: Бюро НДТ, 2019. – 836 с.Л. Д. Кузнецов, Л. М. Дмитренко, П. Д. Рабина, Ю. А. Соколинский. Синтез аммиака, М: 1982гВ.Муравский В.А. Катализаторы для процессов производства водорода и синтеза аммиака, М: 1972г