Курсовая работа - Работа Синтез аммиака - файл n1.doc

Курсовая работа - Работа Синтез аммиака
Скачать все файлы (552.5 kb.)

Доступные файлы (1):
n1.doc553kb.17.02.2014 17:50скачать

n1.doc

Федеральное агентство по науки и образованию Российской Федерации.

НовГУ имени Ярослава Мудрого.

Кафедра Химии и Экологии.

Курсовая работа по химической технологии.

«Производство аммиака»

Выполнил׃

Студент ИСХиПР

Группы 6651

Сыров Константин Михайлович
Великий Новгород

2010 год

АГРЕГАТ СИНТЕЗА АММИАКА
Физико-химические основы синтеза аммиака

Реакция синтеза аммиака из газообразных азо­та и водорода является обратимой и протекает по уравнению

3H2+N2=2NH3+22 ккал.

При определенных условиях наступает состояние рав­новесия между прямым и обратным процессами, при ко­тором невозможно дальнейшее увеличение содержания ам­миака в газовой смеси. На практике стараются создать та­кие условия, при которых равновесие реакции сдвигает­ся в сторону образования аммиака из азота и водорода.

Так как реакция синтеза аммиака сопровождается умень­шением объема газовой смеси вдвое, то для сдвига равновесия

вправо, согласно принципу Ле Шателье, процесс следует проводить при повышенном давлении. В промышленности установки по производству синтетического аммиака рабо­тают под давлением 300—900 ат.

Реакция синтеза протекает с выделением тепла. Поэтому согласно принципу Ле Шателье, с повышением температуры равновесие реакции сдвигается влево, т. е. чем выше тем­пература, тем меньше азота и водорода вступают в реакцию. При низкой температуре реакция синтеза аммиака проте­кает более полно.

Однако с понижением температуры скорость большин­ства химических реакций, в том числе и скорость реакции синтеза аммиака, уменьшается. Поэтому для обеспечения значительной скорости образования аммиака реакцию необ­ходимо проводить при достаточно высокой температуре. Практически синтез аммиака ведется при температуре 450— 500° С, при которой реакция протекает достаточно быст­ро и содержание аммиака в газовой смеси сравнительно высоко.

По закону действия масс для сдвига равновесия реак­ции синтеза аммиака вправо необходимо в равновесной га­зовой смеси увеличить концентрацию азота и водорода или уменьшить концентрацию аммиака. Последнее осуществля­ется на практике. После того, как из азота и водорода об­разовалось некоторое количество аммиака, газовую смесь выводят из колонны синтеза и освобождают ее целиком или частично от аммиака. Затем к газовой смеси добавляют све­жие азот и водород и вновь пропускают ее через колонну синтеза. Повторяя этот процесс непрерывно, добиваются почти полного использования азотоводородной смеси.

Образовавшийся аммиак выделяется из газовой смеси путем конденсации его. Превращение газообразного амми­ака в жидкость, т. е. процесс конденсации, осуществляе­тся охлаждением газовой смеси водой и испаряющимся аммиаком. В системах синтеза аммиака, работающих при давлениях 300 ат и ниже, охлаждение газовой смеси про­изводится в две стадии: водой в скоростных холодильниках и испаряющимся жидким аммиаком - в аммиачных испа­рителях.

Содержание аммиака в газовой смеси на выходе из ко­лонны синтеза зависит еще и от объемной скорости. Чем больше последняя, тем меньше времени газовая смесь на­ходится в колонне синтеза аммиака, заполненной катализатором. С увеличением объемной скорости содержание аммиака в газовой смеси уменьшается.

Для каждого давления существует своя оптимальная объемная скорость газа, обеспечивающая максимальное ис­пользование катализатора и максимальную производитель­ность всех аппаратов, входящих в систему синтеза аммиака.

В зависимости от величины давления азотоводородной смеси системы синтеза аммиака делятся на три типа:

1. Системы, работающие при низких давлениях (90— 100 ат).

2. Системы, работающие при средних давлениях (200— 350 ат).

3. Системы, работающие при высоких давлениях (500— 1000 ат).

Широкое распространение в Советском Союзе и за гра­ницей получили системы синтеза аммиака, работающие при средних давлениях. Системы низкого давления в виду их сложности в промышленности применяются мало.

Катализатор синтеза аммиака должен быть активным при определенных условиях в течение длительного времени и стойким к ядам.

Каталитическими свойствами по отношению к реакции синтеза аммиака обладают многие металлы. Наибольшее промышленное применение получили железные катализато­ры, являющиеся по сравнению с другими особенно актив­ными и дешевыми в изготовлении.

Железо приобретает каталитическую активность лишь в том случае, если оно приготовлено восстановлением окис­лов железа при определенных условиях.

Не вся масса катализатора обладает активными свой­ствами, а лишь отдельные его участки, называемые актив­ными центрами. Чем меньше частицы катализатора, тем более развита его поверхность, тем активнее катализатор.

К железному катализатору добавляют окись алюминия Аl2О3 и окись калия К2О, которые являются активаторами катализаторов. Активаторы не ускоряют реакцию синтеза аммиака, а улучшают физическую структуру катализатора, повышают его устойчивость, увеличивают число активных центров. Окись алюминия обволакивает кристаллы железа тонкой пленкой, которая мешает взаимодействию атомов же­леза и росту кристаллов. Однако окись алюминия облада­ет свойством адсорбировать, т. е. удерживать на своей по­верхности образовавшийся аммиак, что является крайне нежелательным. Для подавления адсорбционной активности окиси алюминия в катализатор вводят второй активатор К2О.

В дважды промотированных (содержащих два актива­тора) катализаторах отношение количеств Аl2О3 и К2О долж­но быть близким к 2 : 1 .

Сырьем для получения катализаторов являются железо и магнитная железная руда. Процесс приготовления ката­лизатора состоит из двух стадий: получения окислов желе­за и восстановления их водородом до металлического железа.

Технический процесс получения катализатора синтеза аммиака из железной руды осуществляется следующим об­разом: концентрат подвергают трехкратной сепарации, восстановлению в печи с помощью водорода и электроплав­ке в индукционных печах, затем плав окисляют, охлажда­ют и дробят. Готовый катализатор сортируют.

С июня 1967 г. введен первый ГОСТ на катализатор син­теза аммиака СА-1 (ГОСТ 12411—66). В соответствии с указанным ГОСТ лимитируется содержание промотирующих и примесных компонентов. Содержание окиси алюминия в катализаторе должно быть в пределах 3 — 4%. При содер­жании в катализаторе 2% Аl2О3 резко уменьшается его устойчивость, а при содержании 6% Аl2O3, значительно сни­жается активность катализатора. Оптимальное содержание К20 0,7—1%.

В катализаторе допускается наличие SiO2 — до 0,7% (примесь сырья) и МgО —до 0,7% (примесь, попадающая при проведении плавки в магнезитовых тиглях). Содер­жание вредных примесей (Си, Ni, S) должно быть мини­мальным.

С целью повышения механической прочности катализа­тора ГОСТ предусматривает уменьшение степени окисле­ния катализаторного плава (FеО —29—36%) и выпуск гранулированного катализатора с размером зерен (гранул) -не менее 3 мм.

Вторая стадия приготовления катализатора — восста­новление окислов железа до элементарного железа водо­родом — в большинстве случаев проводится в колоннах синтеза аммиака.

Процесс восстановления катализатора протекает по

уравнениям:

FеО + Н2 = Fе + Н2О;

2О3 + ЗН2 =2Fе + ЗН2О

304 + 4H2 =ЗРе + 4Н20.

Водяные пары конденсируются в конденсаторах и от­деляются от газовой смеси в сепараторах и в конденсаци­онной колонне. Реакции восстановления окислов железа эндотермичны и протекают лишь при нагревании, которое осуществляется с помощью электроподогревателя.

Восстановление окислов железа проводят при постепен­ном повышении температуры и давления. Объемная скорость водорода при восстановлении катализатора должна быть не ниже 10 000 м3 на 1 м3 катализатора в час. Режим вос­становления катализатора контролируется по часовому количеству воды, выделяющейся в сепараторах. Процесс восстановления катализатора в колонне синтеза аммиака протекает в течение 5—6 суток.

О готовности катализатора судят по количеству выде­лившейся реакционной воды и по содержанию аммиака в ней. Общее количество выделившейся аммиачной воды при полном восстановлении 1 м3 катализатора должно составлять 0,6—0,8 м3. Содержание аммиака в воде 80— 90% вес.

В последнее время разработана методика восстановления катализатора синтеза аммиака непосредственно в цехах приготовления катализаторов. Процесс восстановления осу­ществляется под давлением 10—15 ат при объемной ско­рости водорода 2000—3000 м3 на 1 м3 катализатора в час. Восстановление катализатора длится в течение 4 суток с по­вышением температуры от 380 до 500° С (через каждые 12 ч —на 25°). После восстановления катализатор азоти­руют и пассивируют при температуре 200° С, а затем про­изводят его поверхностное окисление при содержании в газе 0,2% кислорода.

В процессе работы катализатор может отравляться катализаторными ядами, в результате чего его активность сни­жается или полностью исчезает.

Отравление катализатора, как известно, бывает времен­ным и постоянным. Такие вещества, как кислород, окись углерода, углекислый газ и пары воды вызывают временное отравление катализатора. Последний под действием этих веществ теряет свою активность и вновь восстанавливает ее при пропускании чистой азотоводородной смеси, не со­держащей указанных веществ. Постоянное отравление ка­тализатора является необратимым. Оно наступает при дей­ствии мышьяка, фосфора и соединений серы. Восстано­вить активность катализатора при отравлении его этими веществами путем пропускания чистой азотоводородной смеси не удается.

При попадании на катализатор паров воды металличе­ское железо окисляется и теряет свою активность. Про­цесс отравления катализатора водяными парами протекает по уравнениям:

Fе + Н2О = FеО + Н2;

2Fе + ЗН2О = Fе2О3 + ЗН2.

При пропускании через катализатор азотоводородной смеси, не содержащей паров воды, идет обратный процесс восстановления окислов. Содержащиеся в азотоводородной смеси окислы углерода реагируют с водородом по урав­нениям

СО +ЗН2=СН4 + Н2О

CO2+4H2=СН4+ 2Н20.

Образующиеся водяные пары взаимодействуют затем с железом катализатора. Содержание окиси углерода в азотоводородной смеси не должно превышать 0,002%, дву­окиси углерода — 0,0001%.

Отрицательное действие на активность катализатора оказывают также масла, уносимые свежей азотоводородной смесью из компрессоров высокого давления и циркуляци­онным газом — из поршневых циркуляционных насосов. Поэтому газ после сжатия в поршневых машинах должен подвергаться тщательной очистке от капелек масла.

Срок непрерывной работы колонны синтеза зависит от ряда факторов: степени очистки азотоводородной смеси от катализаторных ядов, режима восстановления катализатора и состояния насадки колонны. Замена катализатора про­изводится один раз в два года. Однако в практике нередки случаи, когда срок непрерывной работы колонны превы­шает три года.



Схема агрегата высокого давления.
На рисунке представ­лена схема агрегата синтеза аммиака под давлением 500 ат с использованием тепла, выделяющегося в результате ре­акции, для получения водяного пара.

Азотоводородная смесь под давлением 520 ат поступает в фильтр 2, где очищается от масла, и направляется в ин­жектор 7. Циркуляционный газ подсасывается в инжектор струей свежего газа. Газовая смесь подается в колонну син­теза 6, состоящую из катализаторной коробки с теплоотводящими устройствами, теплообменника и электроподогревателя. Из колонны газ, содержащий около 18—21% аммиака, при температуре 100—120° С поступает в водяной конденсатор 8, где охлаждается до 35° С. При этом конден­сируется весь аммиак. Из конденсатора 8 газ направляется в сепаратор 9, где отделяется жидкий аммиак, поступающий затем в сборник 10. Циркуляционный газ после сепара­тора возвращается во всасывающую линию инжектора 7. Тепло, выделяющееся в результате реакции синтеза, используется для получения пара по двухконтурной схеме, аналогичной описанной выше. Пар получается в котле-утилизаторе 5. Циркуляция бидистиллята осуществляется насосом 3, давление в контуре поддерживается с помощью уравнительного сосуда 4. Уровень бидистиллята в котле-утилизаторе поддерживается дозировочным насосом 1.


Расчет ведем на 1000 м3 свежей смеси, с которой поступает (в кмоль):

H2 746/22,4 =33,30

N2 249/22,4=11,116

CH4 5/22,4=0,223

-------------------------------------

Итого 44,639
а) Количество и состав продувочных газов. Количество продувочных газов определяется.
Х = 100*0,223/5= 4,460 кмоль на 1000 м3 свежей смеси.

Содержание NН3 в них при Р = 80 Мн/м2 и t=16°С равно 4% . Следовательно, состав продувочных газов: 5% СН4, 4% NН3 и 91% (ЗН2+ N2). Отсюда на 1000 м3 смеси продувается газа, т. е. выходит из цикла (в кмоль):

СН4 5*4,460/100=0,223

NH3 4*4,460/100=0,178

Смеси N2 и H2 91*4,460/100=4,059

-------------------------------------

Итого. . . 4,460

б) Количество циркуляционной смеси в цикле (у кмоль) и количество газа, выходящего из колонны синтеза, (z кмоль) на 1000 м3 (44,639 кмоль) свежей смеси.

Пусть d кмоль — количество аммиака,выводимого через сепаратор.

Тогда z=(y+d+4,460) кмоль

С другой стороны, количество газовой смеси (г кмоль) составится из суммы циркулирующей смеси в цикле (у кмоль) и свежей азото-водородной смеси (44,639 кмоль) минус уменьшение объема газа в процессе синтеза. Согласно уравнению реакции синтеза аммиака (ЗН2 +N2 =2NH3), из 2 кмоль азото-зодородной смеси образуется 1 кмоль МН3. Следовательно, если обозначить через е количество кмоль NН3, образовавшегося в колонне синтеза, то и объем газовой смеси после реакции уменьшится на е кмоль.

Отсюда имеем

z = (y + 44,639 — е) кмоль.
Приравнивая 2 уравнения друг к другу, получим:

d = (40,179— е) кмоль.

Синтез протекает таким образом, что количество аммиака, образующегося в колонне (е кмоль), должно быть равно количеству его, выводимому из цикла через сепаратор (d кмоль) и с продувочными газами (0,178 кмоль). Следовательно,

е = (d+0, 178) кмоль.

Совместное решение уравнений дает:

e=20.179 d=20.001

Количество газовой смеси на выходе из колонны (z кмоль) и количество циркулирующей смеси (у кмоль) определится из следующего. В газовой смеси содержится 25% NН3 и в циркулирующем газе (так же, как и в продувочном) 4% NНз. Все количество NНз, содержащееся в газовой смеси (25%), распределяется в дальнейшем ходе процесса так:

выводится из цикла через сепаратор в виде жидкого NН3 (аммиака-продукта) 20,001 кмоль;

выводится из цикла с продувочными газами 0,178 кмоль;

уходит с циркулирующей смесью b кмоль.
Отсюда общее количество NНз определится

3 = 20,001 +0,178 +b -= (20,179 +b) кмоль.

Это количество NНз должно составить 25% по отношению ко всей смеси (г кмоль).

Отсюда:

z=(20.179+b)/0.25=(80.716+4*b) кмоль

С другой стороны, содержание NНз в циркулирующей смеси 4%, а всего смеси получается

у кмоль. Отсюда:

y=b/0.04=25*b кмоль.

Вычитая одно равенство из другого, получим:

z-y=(80/716-21*b) кмоль

z-y=(44.639-e)=24.460 кмоль

b=56.256/21=2.679 кмоль

Таким образом, в циркулирующей смеси постоянно находится 2,679 кмоль NН3. Количество этой смеси:

у = 25*2,679 = 66,975 кмоль ,

а количество газовой смеси после колонны синтеза

z = 80.716 + 4*2,679 = 91,432 кмоль.


В циркулирующей смесь входит 5 % CH4

66.975*0.05=3.337 кмоль
Материальный баланс цикла синтеза Аммиака.

Колонна Синтеза.

Приход.

Свежая Азото-водородная смесь׃

3 H2+N2 44,416 кмоль

CH4 0.223 кмоль

Итого 44,639 кмоль
Циркулирующая смесь ׃
3 H2+N2 60,959 кмоль

CH4 3,337 кмоль

NH3 2.679 кмоль

Итого 66,975 кмоль
Всего поступает в колонну синтеза ׃
3 H2+N2 105,375 кмоль

CH4 3,560 кмоль

NH3 2.679 кмоль

---------------------------------------

Итого 111,614 кмоль

Расход.


Газовая смесь при выходе из колонны׃

(3 H2+N2 )=z-(22.680+3.560) 65,194 кмоль

CH4 3,560 кмоль

NH3 =(2.679+d) 22.680 кмоль

Итого 91,434 кмоль

Уменьшение числа молей за счёт реакции синтеза 20,179 кмоль

-----------------------------------------

Итого 111,613 кмоль
Сепаратор.

Приход.
3 H2+N2 65,194 кмоль

CH4 3,560 кмоль

NH3 22,680 кмоль

------------------------------------

Итого 91,434 кмоль

Расход.

Жидкий NH3 (Готовый продукт) 20,001 кмоль

Циркулирующая смесь 66,975 кмоль

Продувочные газы ׃

3 H2+N2 4,059 кмоль

CH4 0,223 кмоль

NH3 0,178 кмоль

--------------------------------------------

Итого 91,436 кмоль

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака.

Получено аммиака за счет реакции׃

22,89 - 2,68 = 20,21 кмоль.

При этом выделяется тепла

Q1 = 11010*20,21 = 221301 ккал

Количество тепла, которое несет с собой газ при выходе из

реакционного пространства׃

NH3 22 ,89*10,44*530 =126655 ккал

H2 48,83*7,02*530=181677 ккал

N2 16,23*7,22*530 =62106 ккал

CH4 3,53*12,14*530=22713 ккал

Итого ……………….. 393151 ккал

Потери тепла составят׃

Q3 =0,05*393151= 19658 ккал

Теплосодержание газовой смеси при входе ее в реакционное пространстзо колонны синтеза определится:

Q3= (393151- 221301) + 19658 = 191508 ккал.

Это количество тепла газовая смесь получает в теплообмен­нике от прореагировавшего газа.

Приход.

Теплота реакции 221301 ккал

Тепло, получаемое га­зом в теплообменнике 191508 ккал

-------------------------------

Итого 412809 ккал
Расход.

Тепло, отдаваемое газом в теплообменнике 191508 ккал

Тепло, уносимое газом из теплообменника 201643 ккал

Потери тепла в окружаю­щую среду 19658 ккал

-------------------------------

Итого 412809 ккал

Список используемой Литературы.


  1. «Производство аммиака из природного газа»

Ведерников М. И. 1970 год

  1. «Справочник азотчика» 1967 год

  2. «Технология связанного азота» 1967 год.
Учебный текст
© perviydoc.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации