По объемам производства аммиак занимает одно из первых мест; ежегодно во всем мире получают около 100 миллионов тонн этого соединения. Аммиак выпускается в жидком виде или в виде водного раствора - аммиачной воды, которая обычно содержит 25% NH₃. Огромные количества аммиака далее используются для получения азотной кислоты, которая идет на производство удобрений и множества других продуктов. Аммиачную воду применяют также непосредственно в виде удобрения, а иногда поля поливают из цистерн непосредственно жидким аммиаком. Из аммиака получают различные соли аммония, мочевину, уротропин. Его применяют также в качестве дешевого хладагента в промышленных холодильных установках.

Аммиак используется также для получения синтетических волокон, например, найлона и капрона. В легкой промышленности он используется при очистке и крашении хлопка, шерсти и шелка. В нефтехимической промышленности аммиак используют для нейтрализации кислотных отходов, а в производстве природного каучука аммиак помогает сохранить латекс в процессе его перевозки от плантации до завода. Аммиак используется также при производстве соды по методу Сольве. В сталелитейной промышленности аммиак используют для азотирования - насыщения поверхностных слоев стали азотом, что значительно увеличивает ее твердость.

Медики используют водные растворы аммиака (нашатырный спирт) в повседневной практике: ватка, смоченная в нашатырном спирте, выводит человека из обморочного состояния. Для человека аммиак в такой дозе не опасен. Тем не менее этот газ токсичен. К счастью, человек способен почувствовать запах аммиака в воздухе уже в ничтожной концентрации - 0,0005 мг/л, когда еще нет большой опасности для здоровья. При повышении концентрации в 100 раз (до 0,05 мг/л) проявляется раздражающее действие аммиака на слизистую оболочку глаз и верхних дыхательных путей, возможна даже рефлекторная остановка дыхания. Концентрацию 0,25 мг/л с трудом выдерживает в течение часа даже очень здоровый человек. Еще более высокие концентрации вызывают химические ожоги глаз и дыхательных путей и становятся опасными для жизни. Внешние признаки отравления аммиаком могут быть весьма необычными. У пострадавших, например, резко снижается слуховой порог: даже не слишком громкие звуки становятся невыносимы и могут вызвать судороги. Отравление аммиаком вызывает также сильное возбуждение, вплоть до буйного бреда, а последствия могут быть весьма тяжелыми - до снижения интеллекта и изменения личности. Очевидно, аммиак способен поражать жизненно важные центры, так что при работе с ним надо тщательно соблюдать меры предосторожности.

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности является атмосферный воздух и различные виды топлива.

В число постоянных составляющих воздуха входят следующие газы (в% по объему): азот - 78,16; кислород - 20,90; аргон - 0,93; гелий, неон, криптон, ксенон и другие инертные газы - 0,01. В технических расчетах принимают, что воздух содержит 79% азота и 21% кислорода [2].

Для синтеза аммиака в некоторых схемах необходима азотоводородная смесь в соотношении N₂:H₂=1: 3. Азот получают разделением воздуха или же совместно с водородом в виде азотоводородной смеси. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез - газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения.

Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым для получения водорода или водородсодержащего газа.

Синтез - газ из углеводородных газов (природного, попутного, газов переработки других топлив) в настоящее время является основным источником получения аммиака.

Кислородсодержащие соединения являются ядами для катализаторов синтеза аммиака и метанола. Кислородсодержащие примеси (Н₂О, СО, СО₂ и О₂) в синтез-газе отравляюще действуют на катализатор синтеза аммиака, снижая его производительность. Допустимое содержание различных кислородсодержащих примесей в азотоводородной смеси, направляемой на синтез аммиака, не должно превышать 0.002%, хотя количество отдельных компонентов может колебаться [2].

Технологический газ перед очисткой содержит в своем составе 15-30% СО₂ и 0.3 -4.0% СО, кислород после паровой конверсии оксида углерода (2) полностью отсутствует, а водяной пар конденсируется при охлаждении.

Поэтому следующей стадией технологического процесса является очистка газа от СО и СО₂. Для очистки газа от этих соединений применяются как физические, так и химические методы. Физические методы очистки от диоксида углерода основаны на повышенной растворимости его в жидкостях или на конденсации СО₂ при умеренном охлаждении. СО удаляется физическим способом при глубоком охлаждении газа и при промывке его жидким азотом. Большинство химических методов основано на абсорбции этих примесей растворами химических реагентов, а в случае тонкой очистки - на каталитическом восстановлении их Н₂ до СН₄. Почти все способы удаления СО₂ дают возможность получить СО₂ в качестве побочного продукта, используемого в производстве карбамида.

Абсорбционная очистка предусматривает удаление из газа основного количества СО₂. В связи с тем, что в последующей стадии метанирования на гидрирование одного объема СО₂ тратится четыре объема водорода и образуется метан, который выдувается на стадии синтеза, желательно добиться возможно низкой остаточной концентрации СО₂ в газе.

Абсорбционные методы очистки являются циклическими процессами. На стадии абсорбции СО₂ поглощается растворителем и газ направляется на дальнейшую переработку. Насыщенный СО₂ раствор подается на регенерацию, которая осуществляется либо сбросом давления, либо нагревом раствора, либо и тем и другим одновременно.

Оценка промышленных способов очистки конвертированного газа от СО₂ показывает, что если энергоматериальные затраты по 2-х-ступеньчатой МЭА очистке принять за 100%, то затраты по очистке активной К₂СО₃ составляют 138%.

Эффективность процесса абсорбции СО₂ горячим раствором К2СО3 зависит от температуры, парциального давления СО₂ и водяного пара над раствором, концентрации активирующей добавки и щелочности раствора.

Целью нашей курсовой работы является рассмотрение стадии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, анализ технологии, выявление проблем и разработка методики их устранения.

Объект исследования: стадия очистки конвертированного газа от диоксида углерода при производстве аммиака.

Предмет исследования: модернизация системы очистки конвертированного газа от диоксида углерода.

Задачи исследования:

- Рассмотреть технологию производства аммиака, стадии производства;

- Дать характеристику исходному сырью при производстве аммиака, продукту синтеза;

- Рассмотреть стадию очистки конвертированного газа от диоксида углерода;

- Провести анализ технологии очистки конвертированного газа от диоксида углерода, выявить существующие проблемы в очистке конвертированного газа и разработать решение выявленных проблем;

- Обосновать экономическую эффективность предложенных мероприятий.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению:

N₂+3H₂-2NH₃; ДH<0

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (ДH298 = - 91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (ДH725 =-112,86 кДж/моль). Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае тоже отрицательно (ДS298=-198,13 кдж/моль К) и не благоприятствует протеканию реакции.

Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению реакции 4 моль исходных газообразных компонентов образуют 2 моль газообразного продукта. В условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

Оценка условий термодинамического равновесия позволяет сделать вывод, что максимального выхода аммиака можно достичь, проводя процесс при высоком давлении и низкой температуре. Однако даже при очень высоких температура (выше 1000°С) процесс синтеза в гомогенной газовой фазе практически не осуществим.

Синтез аммиака протекает с заметной скоростью только в присутствие катализатора, причем катализаторами данной реакции служат твердые вещества. Гетерогенный - каталитический синтез аммиака имеет сложный механизм, который может быть описан следующими стадиями:

диффузия молекул азота и водорода к поверхности катализатора;

хемосорбция молекул реагентов на поверхности катализатора;

поверхностная химическая реакция с образованием неустойчивых промежуточных комплексов и взаимодействия между ними;

десорбция продукта;

диффузия продукта реакции (аммиака) в газовую фазу.

Исследование кинетики и механизма реакции позволило сделать вывод о том, что лимитирующей стадией процесса является хемосорбция азота. Тогда механизм синтеза аммиака в сокращенной схеме:

N₂+Z - ZN₂

ZN₂+3H₂ - NH₃+Z

N₂+3H₂ - 2NH₃

где Z - свободный центр поверхности катализатора, ZN₂ - хемосорбированная частица.

Скорость обратимой реакции получения аммиака из элементов на большинстве известных катализаторов описывается уравнением Темкина-Пыжева [1]:

где k1 и k2 - константы скоростей образования и разложения аммиака; PN, PH, PNH - парциальные давления азота, водорода, аммиака; б - постоянная, удовлетворяющая неравенству 0<б<1 и характеризующая степень покрытия поверхности катализатора азотом.

При проведении процесса при атмосферном давлении величина а для промышленных катализаторов в интервале температур 400-500°С равна 0,5.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от температуры, давления и реакционной смеси. Оптимальными считают такие значения указанных параметров, при которых скорость процесса максимальна. Чтобы определить оптимальную температуру синтеза Тm, надо продифференцировать по температуре кинетическое уравнение (1), приравнять полученное выражение нулю и найти Тm. Выполнив эти действия, получим формулу:

Из формулы (2) следует, что с увеличением содержания в циркуляционном газе аммиака и уменьшением содержания азотоводородной смеси оптимальная температура падает.

Из уравнения Темкина-Пыжева видно, что скорость прямой реакции синтеза пропорциональна P1,5, а скорость обратной реакции пропорциональна P0,5. Отсюда очевидно, что с ростом давления наблюдаемая скорость процесса увеличивается.

И термодинамические, и кинетические факторы свидетельствуют в пользу проведения процесса при высоких давлениях (увеличивается равновесный выход, повышается скорость синтеза). Конденсация аммиака также улучшается при высоком давлении. Вместе с тем повышение давления увеличивает расход электроэнергии на компрессию, повышает требования к машинам и аппаратам.

Присутствие инертных примесей в реакционной смеси снижает общее давление, и с увеличением содержания метана, аргона и гелия в смеси уменьшает скорость реакции синтеза. Анализируя кинетическое уравнение (1), видим, что скорость прямой реакции обратно пропорциональна парциальному давлению аммиака, а для обратной реакции характерна прямая пропорциональность. Таким образом, с повышением содержания аммиака общая скорость реакции падает. Увеличение объемной скорости смеси приводит к уменьшению скорости прироста содержания аммиака и, тем самым, к увеличению средней скорости и повышению производительности процесса.

Реакция синтеза аммиака обратимая, поэтому полного превращения азота и водорода в аммиак за время их однократного прохождения через аппарат не происходит. Условия равновесия процесса и кинетические закономерности его протекания на железных катализаторах обуславливают возможность превращения в аммиак только 20-40% исходной реакционной смеси. Для более полного использования реагентов необходима их многократная циркуляция через колонну синтеза.

Чтобы выделить аммиак, азотоводородную смесь вместе с аммиаком охлаждают до температуры сжижения аммиака. Достичь полной конденсации аммиака не удается; небольшая часть его остается в азотоводородной смеси. Не прореагировавшая азотоводородная смесь с остаточным аммиаком вновь возвращается на синтез аммиака.

Обоснование выбора давления процесса синтеза аммиака.

Выбор давления процесса синтеза аммиака диктуется рядом соображений. Термодинамические и кинетические факторы (равновесное содержание аммиака и скорость реакции) свидетельствуют в пользу высоких давлений. Конденсация аммиака из газовой смеси также облегчается при высоких давлениях. Однако при этом имеет место значительный расход энергии на компрессию и повышенные требования к машинам, аппаратам и арматуре. При пониженных давления упрощается аппаратурное оформление процесса, снижается расход энергии на компрессию, при этом несколько увеличиваются энергозатраты на циркуляцию газа и выделение аммиака.

В качестве критерия оптимальности в работе были приняты приведенные затраты, которые складываются из себестоимости продукта и доли капиталовложений с учетом нормального коэффициента эффективности

З = С + Е К/П (3)

где З - приведенные затраты, руб./т; С - себестоимость аммиака, руб./т; К - капитальные затраты на агрегат, руб.; Е - нормативный коэффициент эффективности, год; П-производительность агрегата по аммиаку, т/год.

Проведенные расчеты показали, что при принятых исходных данных наиболее экономичным является среднее давление порядка 30 МПа. Приведенные затраты с понижением давления увеличиваются, что связано с большими энергоматериальными и капитальными затратами на стадиях выделения аммиака из газовой смеси.

Известно, что по мере увеличения объемной скорости газового потока содержание аммиака в выходящем газа уменьшается. Однако производительность катализатора увеличивается с увеличением скорости газа, так как снижение процентного содержания аммиака в выходящем газе компенсируется влиянием увеличения количества образующегося аммиака.

Катализаторы синтеза аммиака. Высокую каталитическую активность в синтезе аммиака проявляют металлы VI, VII и VIII групп периодической системы. Наибольшей активностью обладают Fe, Ru, Re, Os. В промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов железа с активаторами (промоторами) и последующими восстановлением оксидов железа. В качестве активаторов применяются оксиды кислотного и амфотерного характера - Al₂О³. SiО₂. TiО₂ и др., а также оксиды щелочных и щелочноземельных металлов-К₂О, Na₂О, CaO, MgO и др.

По своему действию промотирующие добавки делятся на две группы:

структурообразующие (Аl₂О₃, SiO₂, TiO₂, MgO и др.), способствующие получению катализатора с высокоразвитой поверхностью, и модифицирующие (К₂О, Na₂O, CaO и др.), обуславливающие высокую активность поверхности катализатора.

Количество и соотношение добавляемых промоторов оказывает решающее значение в получении промышленных катализаторов высокой активности и устойчивости.

Кроме промотирующих соединений в катализаторе содержится небольшое количество примесей (S, Р, Сu, Ni и т.д.), снижающих его активность, поэтому сырье для приготовления катализатора должно быть возможно более чистым.

Активность катализатора, его структура и состав поверхности в значительной степени определяются условиями восстановления.

Процесс восстановления катализатора можно описать суммарным уравнением:

Fe₃O₄ + 4H₂ > 3Fe + 4H₂O; H>0

Катализатора синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором. Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5-10%.

Кислородосодержащие соединения (H₂O, СО, СО₂) и кислород, присутствующие в азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них кислорода. Если в составе свежего газа имеются Кислородосодержащие примеси или масло, газ следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений конденсирующимся NH3.

Для получения катализатора высокой активности при восстановлении необходимо предотвращать повышение концентрации паров воды в газовой фаза. Поэтому процесс восстановления катализатора проводят при высокой объемной скорости, низком давлении, постепенном повышении температуры и высокой степени очистки газа восстановителя, поступающего на катализатор.

В промышленных колоннах катализатор восстанавливают циркуляционной азотоводородной смесью при объемной скорости 5000-10000 ч^-1 и давлении 50-100 ат. Концентрация водяного пар в газе, выходящем из колонны синтеза, не должна превышать 3000 см³/м³.

Основные условия высокой стабильной производительности установок синтеза аммиака:

высокая степень очистки азотоводородной смеси от каталитических ядов и инертных примесей;

поддержание соотношения N₂:H₂ близкого к 1:3;

оптимальная температура процесса по длине каталитической зоны;

снижение содержания аммиака на входе в контактный аппарат;

совершенная конструкция контактного аппарата (колонна синтеза).

Основные принципы управления процессом синтеза аммиака.

Эксплуатация систем синтеза аммиака сложна из-за наличия многочисленных прямых и обратных связей между регулируемыми и регулирующими параметрами процесса.

Наибольшая эффективность достигается при оптимизации таких параметров процесса, как давление, температурный режим, объемная скорость, состав газа, подаваемого в реактор синтеза аммиака, по основным компонентам (Н₂, N₃, NН₃) и примесям (яды, инерты):

1) Факторы, изменение которых приводит к изменению давления в системе. Изменение температурного уровня в реакторе влечет за собой изменение одновременно двух величин: равновесного содержания аммиака и скорости реакции. Причем увеличение температуры приводит к снижению равновесного содержания и ускорению реакции синтеза аммиака. Поэтому в промышленных условиях, обеспечивающих предельную для данных условий степень превращения (близкую к равновесной), подъем температуру приводит к пропорциональному снижению степени превращения. Изменение газовой нагрузки на входе в реактор влияет на давление в системе следующим образом: при уменьшении нагрузки степень конверсии увеличивается, что вызывает повышение температуры в зоне катализа и, в свою очередь, к увеличению давления в системе. И наоборот, увеличение газовой нагрузки на реактор (в известных пределах) приводит к снижению давления в системе. Кроме того, при повышении объемных скоростей, с одной стороны, снижается степень конверсии, а с другой - температурный уровень в зане катализа и увеличивается производительность реактора по аммиаку. Последнее связано с тем, что уменьшение производительности реактора от снижения концентрации аммиака в выходящем газе компенсируется увеличением объемной скорости, так как в процентах это увеличение значительно больше снижения концентрации аммиака.

Расход свежего синтез - газа в соотношении N₂: H₂=1: (2,5-3) зависит от режима работы, активности катализатора, заданной производительности установки. Синтез - газ, удаляемый из систему в виде аммиака и продувочных и танковых газов, непрерывно поступает от компрессора. При избытке синтез-газа давление в реакторе синтеза повышается до допустимого предела компрессора, а избыток его сбрасывается. Если же расход синтез - газа уменьшается (или недостаточен), вращение компрессора уменьшается и давление в системе снижается до достижения баланса между поступающим на синтез газом и получающимся аммиаком.

Скорость реакции синтеза аммиака зависит от состава газовой смеси. оптимальным составом при равновесии, согласно закону действующих масс, является стехиометрический. Отклонение от равновесия ведет к более низкому значению оптимального соотношения вследствие влияния кинетических факторов. Максимальная скорость реакции в промышленных условиях наблюдается при соотношении Н₂:N₂=2,5-2,8. Поэтому в промышленных условиях при работе систем синтеза с предельным выходом аммиака (близким к равновесному) отклонение состава от оптимального соотношения приводит к снижению скорости процесса синтеза и, соответственно, к увеличению давления.

Увеличение содержания аммиака в газе на входе в реактор (повышение температуры вторичной конденсации) приводит к увеличению давления, так как снижается скорость реакции синтеза за счет торможения процесса продуктом реакции (аммиаком). Уменьшение начальной концентрации аммиака приводит более высоким степеням превращения и соответственно к снижению давления в системе.

Изменение содержания инертных газа в синтез - газе на входе в реактор приводит к изменению давления в системе за счет изменения эффективного давления, определяемого по уравнению:

Рэфф=Робщ (1-i)

где i - содержание инертных газов, доли от общего объема.

Изменение эффективного давления приводит соответственно к изменению степени конверсии и скорости реакции синтеза аммиака. Причем с ростом содержания инертных газов давление в системе синтеза увеличивается, а при их снижении - уменьшается.

Изменение активности катализатора также приводит к изменению давления в системе.

Температура, скорость процесса, чистота синтез - газа является основными причинами, приводящими к изменению активности катализатора. Так, при работе даже на чистом синтез - газе активность катализатора, подвергшегося действию высоких температур (530°С) в течении длительного времени, снижается необратимо за счет постоянно протекающих в катализаторе ре-кристаллизационных процессов.

Оптимальным в системе синтеза аммиака является возможно более низкое давление, обеспечивающее заданную производительность агрегата по аммиаку с учетом затрат на выделение продукта из циркуляционного газа.

2) Изменение температурного уровня в зоне катализатора возможно за счет следующих факторов.

Изменение давления. При повышении давления температурный уровень в реакторе повышается, так как возрастает степень превращения и соответственно тепловыделение, идущее на повышение температуры. Уменьшение давления приводит к снижению температуры.

Изменение расхода свежего синтез - газа. При поступлении избыточного давления свежего синтез - газа наблюдается рост давления и соответственно повышение температуры в зоне катализа. При уменьшении расхода синтез - газа снижаются давление и температурный уровень в реакторе.

Изменение газовой нагрузки на реактор. При снижении газовой нагрузки увеличивается степень конверсии и соответственно повышается температурный уровень в реакторе. Наоборот, увеличение газовой нагрузки снижает температуру в реакторе.

Содержание аммиака на входе в реактор. Уменьшение содержания аммиака повышает температурный уровень в зоне катализатора, так как при этом увеличивается степень конверсии, а увеличение содержания аммиака во входящем газе наоборот снижает температурный уровень в реакторе.

Содержание инертных газов в синтез - газе. Уменьшение содержания инертных газов приводит к повышению эффективного давления и соответственно повышение скорости процесса и степени конверсии, в результате чего температурный уровень в реакторе повышается. При увеличении содержания инертных газов температурный уровень в реакторе понижается.

Технологическое оформление процесса синтеза аммиака

Принципиальная технологическая схема синтеза аммиака в агрегате мощность 1360 т/сут представлена на рис. 1.2.

Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных примесей СО₂, Н₂О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО₂ и масла, насыщается аммиаком до 3-5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника 4, где нагревается до 185-195⁰С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонны синтеза 2.

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. дольней шее 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.

Технологическая схема крупнотоннажного производства аммиака, работающая на ОАО «Азот», в цехе амиак 1, включает следующие стадии процесса:

- компримирование и сероочистку природного газа,

- паровую конверсию метана (первичный реформинг),

- паровоздушную конверсию метана (вторичный реформинг),

- конверсию оксида углерода,

- очистку конвертированного газа от диоксида углерода,

- тонкую очистку газа от СО и СО₂ (метанирование),

- синтез аммиака,

- процесс гомогенного восстановления оксидов азота в дымовых газах,

- аммиачно-холодильную установку,

- систему производства и потребления пара,

- установку получения деминерализованной воды.

Как уже было отмечено во введении, объектом исследования нашей курсовой работы является стадия очистка конвертированного газа от диоксида углерода, но прежде чем перейти к рассмотрению вышеобозначенной стадии в производстве аммиака произведем расчет материального баланса процесса.

Расчет материального баланса процесса

Таблица 1.4. Исходные данные для расчета

Расчет концентраций аммиака в потоке по формуле Ларсена и Блэка [4]

, где

- концентрация аммиака в потоке, % (по объему)

pi и Ti давление, ат. и температура, К газа

=0,883, =101,181=7,65%=0,0765

=0,374 =100,714=2,37%=0,0237

Материальный баланс [4]:

По колонне синтеза:

По азотоводороднои смеси

1)

По сепаратору I ступени:

По азотоводороднои смеси

2)

По аммиаку

3)

По сепаратору II ступени:

По азотоводородной смеси

4)

По аммиаку

5)

По танку:

По азотоводородной смеси

6) +=

По аммиаку

7) +=

П - расчетное количество аммиака.

- растворимость авс в жидком аммиаке

Таблица 1.5. Соответствие переменных потокам

Получаем уравнения

1) 1,0237X1-1,15X2=0

2) 0,85X2-0,9235X3-0,001281X6=0

3) 0,15X2-0,0765X3-0,0588X6=0

4) - 0,9763X1+0,9235X3+X4-0,000786X7=0

5) - 0,0237X1+0,0765X3-0,0588X7=0

6) - 0,61X5+0,001281X6+0,000786X7=0

7) - 0,39X5+0,0588X6+0,0588X7=94,12

Таблица 1.6. Составим матрицу коэффициентов при Х и столбец свободных членов:

Решаем систему уравнений матричным методом в программе Excel, умножая матрицу, обратную матрице коэффициентов но вектор свободных членов.

Заполняем таблицу потоков.

1. Расчет количеств азота и водорода в АВС.

N03=X4=432,7 кмоль

=N03Vm=432,722,4 = 9692,48 м³

Отношение H₂: N₂ =3: 1Wоб(H2) =0,75Wоб(N2) =0,25

=0,75 9692,48 = 7269,36 м³

=0,25 9692,48 = 2423,12 м³

m(H₂) =

m(N₂) =

Общая масса АВС

m(АВС) =m(H2) +m(N2) =649,05+3028,90=3677,95

Массовые доли азота и водорода:

Wмас(H₂) = =17,6%

Wмас(N₂) ==82,4%

2. Расчет количеств водорода, азота и аммиака в танковых газах.

=N402Vm=6,60922,4 = 148,04 м³

Количество водорода и азота:

NАВС=N402 (1-) =6,609(1-0,39) =4,031 кмоль

=NАВСVm=4,03122,4 = 90,30 м³

=0,75 90,30 = 67,72 м³

=0,25 90,30 = 22,57 м³

m(H₂) =Wмас()==0,16%

m(N₂)=Wмас()==0,77%

Количество аммиака в танковых газах.

NNH₃=N402=6,6090,39=2,577 кмоль

V(NH₃) =NNH3Vm=2,57722,4=57,73 м³

m(NH₃) = Wмас() ==1,19%

Количество жидкого аммиака.

m(NH₃) =3600 кг Wмас() ==97,88%

N(NH₃) =211,76 кмоль

V(NH₃) =N(NH₃) Vm=211,7622,4=4743,42 м³

Общая расходная масса

M==3600+43,81+6,05+28,22=3678,08 кг

Масса танковых газов:

mтг= M-=3678,08-3600=78,08 кг

Wмас (т. г) ==2,12%

Невязка

=mавс - M=3677,95-3678,08=0,13 Wмас(невязки) 0

Общий расходный объем (при н. у)

V==4743,42+57,73+67,72+22,57=4891,44 м³

Таблица 1.7. Материальный баланс системы. Базис расчета 3600 кг NH₃

Расчет основных технологических показателей

Выход аммиака

Расходные коэффициенты по сырью.

По азоту

а) теоретический

б) практический

По водороду

а) теоретический

б) практический