Производство аммиака

В колонне синтеза газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом  насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного в горловине корпуса  колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается  до температуры начала реакции 400-440°С за счет теплоты конвертированного газа и затем последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в газе повышается до 15%. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500-515°С азотоводородоаммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330°С, дольнейшее охлаждение газовой смеси до 215°С осуществляется в трубном пространстве подогревателя питательной воды 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65°С за счет холодного циркулирующего газа, идущего по межтрубному пространству, и затем в аппаратах воздушного охлаждения 7 до 40°С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10-12% NH₃, идет на циркуляционное колесо компрессора 5 азотоводородной смеси, где сжимается до 32 МПа.

Циркуляционный газ при температуре 50°С поступает в систему вторичной конденсации, включающую конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной колонне газ охлаждается до 18°С и в испарителя за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве до - 5°С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородной смеси с циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза.

Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр 16, где  из него выделяется катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем  его дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиака 11. В результате дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов Н₂, N₂, O₂, CH₄. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16-18% NН₃. Поэтому танковые газы направляют в испаритель 12 с целью утилизации аммиака путем его конденсации при - 25°С. Из испарителя танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступает в сепаратор 13 для отделения жидкого аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.

Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не превышающего 10%, производится продувка газа после первичной конденсации  аммиака (после сепаратора 6). Продувочные  газы содержат 8-9% NН₃, который выделяется при температуре - 25... -30°С в конденсационной колонне 9 и испарители 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака используется как топливный газ.

 

Материальный баланс

 

Расчет ведем на 1000 м³ свежей азотоводородной смеси.  В цикл синтеза поступает, кмоль:

H₂                 750/22,4 = 33,482

N₂                 248/22,4 = 11,071

Ar                  2/22,4 = 0,089

Всего           44,642

 

Введем обозначения:

u – количество NH₃, получаемого в конденсаторах, кмоль;

v – количество NH₃, сконденсированного в водяном конденсаторе, кмоль;

w – количество циркулирующих H₂ + N₂, кмоль;

х – количество NH₃, находящегося в цикле, кмоль;

y – количество Ar, находящегося в цикле, кмоль;

z – количество H₂ + N₂, вводимое с продувочными газами, кмоль.

Все количество поступаемого со свежей азотоводородной смесью аргона должно выводиться из цикла с продувочными газами. Продувочные газы содержат водород, азот, аргон:

z + 0,089 кмоль.

Продувочные газы вводятся после водяного конденсатора, поэтому они насыщены аммиаком при 40 °С, концентрацию которого определим по формуле:

  ;

  ;

= 10,433 % об.

Количество аммиака, уходящее с  продувочными газами:

 

Общее количество продувочных газов:

 

Так как содержание аргона после  водяного конденсатора в газе составляет 3% об. (то же, что и в продувочном газе), то можно записать:

;

откуда z = 2,5696 кмоль.

Общее количество продувочных газов: кмоль.

Количество аммиака, удаляемого с  продувочными газами:

кмоль.

Часть азотоводородной смеси растворяется в жидком аммиаке, выводимом после водяного и аммиачного конденсаторов. Растворением аргона пренебрегаем из-за весьма малого его количества. В 1 м³ жидкого аммиака растворяется при 40°С в пересчете на н.у. :

H₂             

N₂                   

где    0,03 и 0,10433 – содержание аргона и аммиака в газовой смеси, об. доли;

           35,438 и 38,4 –растворимость H₂ и N₂ в м³ на 1 м³ жидкого аммиака при 40°С и 300

           атм.

При 0°С в аммиачном конденсаторе растворяется в 1 м³ жидкого аммиака:

H₂            

N₂           

где       8,89 и 13,56 –  растворимости Н₂ и N₂ при 0°С;

              0,03162 – содержание аммиака (об. доли) в газе после аммиачного  испарителя при 0°С, найденное по формуле:   

= 3,162 % об.

В 1 кмоль NH₃ растворяется, кмоль:

Н₂           

N₂           

Всего      0,0404

где 587,932 – плотность жидкого  аммиака при 40°С, кг/м³

При  0°С в 1 кмоль NH₃ растворяется, кмоль:

Н₂             

N₂             

Всего          0,0112

где 640,378 – плотность жидкого  аммиака при 0°С, кг/м³

Количество Н₂ и N₂, растворяющееся в жидком аммиаке, кмоль:

- в водяном конденсаторе  v0,0404

- в аммиачном конденсаторе (u – v)0,0112

Количество газовой смеси (в  кмоль) на выходе из колонны синтеза равно сумме Н₂ + N₂ + NH₃ + Ar, находящихся постоянно в цикле, плюс образовавшийся аммиак в колонне, плюс продувочные газы и Н₂ + N₂ , растворившиеся в жидком аммиаке в водяном конденсаторе, т. е.

w + x + y + u + 1,116z + 0,099 + 0,0404v

В этой смеси находится аммиака, в кмоль: x +u + 1,116z + 0,01

Концентрация аммиакав газе, в об. долях:

 (1)

Содержание аммиака после колонны синтеза определяем по формуле:

    (2)

Для этого находим значение при 500°С по уравнению:

 

 

Решая уравнение (2), находим (об)

Так как по условию равновесие достигается  на 0,6 , то действительная концентрация аммиака в газе равна

 

 

 

 

 

 

Тепловой баланс водяного конденсатора аммиака

 

В водяной конденсатор газ поступает  с температурой 75 °С и охлаждается до 40 °С, при этом конденсируется 28,096 т/час аммиака (10,1399 кмоль).Теплота, выделяющаяся при конденсации 1 кмоль аммиака, составляет 20315 кДж. Теплота, выделяющаяся при конденсации 1 кг аммиака, составляет 20315/17 = 1195 кДж/кг. Теплота, выделяющаяся при конденсации в водяном конденсаторе   

Теплота газа, поступающего в конденсатор:    

а)  Значение средней удельной теплоемкости компонентов при 75

     

      

      

      

б)  Количество и масса газа на выходе из колонны:

                                                        кмоль                      кг                             % (масс.)

NH₃                                                26,7726                   455,1342                24,957

Ar                                                    4,8002                     192,008                   10,529

H₂                          138,822 =  104,12                      208,24                     11,397

N₂                          138,822 =  34,70655                 971,7843                 53,117

                                                        Всего                       1827,1665               100

Средняя теплоемкость газа составит:

  = 14,74

 

Теплота газа, уходящего из конденсатора:   

а) Значение средней удельной теплоемкости компонентов при 40 :

      

      

      

      

б) Состав газа после холодильника:

                                                                кмоль                             кг                               % (масс.)

NH₃               (26,7726 – 10,1399) = 16,6327                           282,757559             17,123

Ar                                                            4,8002                            192,008                    11,628

H₂              103,812                           207,624                    12,573

N₂              34,604                             968,912                    58,676

                                                              Всего                                1651,2999                 100

  14,91  

Q_вых = 1651,29992,92425540 = 193152,88

Теплота жидкого аммиака: 

где 4,19 – теплоемкость жидкого  аммиака,

Теплота, уносимая охлаждающей водой:

 

Теплота, поступающая в конденсатор, составляет:

Теплота, выходящая из конденсатора:

 

Расчет поверхности  водяного конденсатора

 

Основное уравнение теплопередачи: , откуда

Средний температурный напор (для  противотока):

 

 

, следовательно           

 

 

Охрана  окружающей среды в производстве аммиака

Крупнотоннажное производство аммиака  характеризуют следующие выбросы  в окружающую среду:

1) газовые, содержащие в своем  составе аммиак, оксиды азота  и углерода и другие примеси;

2) сточные воды, состоящие из  конденсата, продуктов промывки  реакторов и систем охлаждения;

3) низко потенциальную теплоту.

Относительная концентрация токсичных  примесей производства аммиака в виде оксида углерода и оксидов азота в отходящих газах невысока, но когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота, для устранения даже незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-восстановителя.

В результате воздушного охлаждения и замены поршневых компрессоров турбокомпрессорами значительно уменьшилось потребление воды на 1 т NН_з, что привело к существенному снижению количества сточных вод (а в 50 раз).

Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать повышением ее потенциала: это достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми газами. Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака является применение энерготехнологической схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания топлива.

Операторная схема

1 - колонна синтеза, 2 – теплообменники, 3 – теплообменники, 4 - сепаратор первой ступени, 5 - сепаратор второй ступени, 6 - сборник жидкого NH₃, 7 - сепаратор

Блок  схема

1 - колонна синтеза, 2 - сепаратор первой ступени, 3 - сепаратор второй ступени, 4 - танк

 

Типы контрольно-измерительных  приборов

1. 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.