Замена радиальной колонны синтеза аммиака с промежуточными байпаса на аксиально-радиальную колонну с промежуточным теплообменом между слоями катализатора, страница 9

 МДж/ч.

            Тепло химической реакции

 МДж/ч.

            Потери тепла принимаем 0,5 % от прихода тепла. Тогда потери тепла составят

Q_п = (91280+153644)×0,005= 1225 МДж/ч.

            Отводимое в тепло

Q_то = 91280+153644–242855–1225 = 814 МДж/ч.

Таблица 3.4

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход

МДж/ч

%

Расход

МДж/ч

%

1. Тепло с исходным газом

91280

37,27

1. Тепло с газовой смесью

242855

99,16

2. Тепло химической реакции

153644

62,73

2. Отводимое тепло

814

0,33

3. Потери тепла

1225

0,50

Итого

244924

100

Итого

244924

100

            Тепловой баланс 1-ого слоя колонны синтеза аммиака имеет вид

Q₀ + Q_xp = Q₁ + Q_п,

где      Q₀ – физическое тепло, вносимое исходной газовой смесью;

            Q_хр – тепло химической реакции;

            Q₁ – физическое тепло, уносимое газовой смесью;

            Q_п – потери тепла в окружающую среду.

Температура на входе в первый слой катализатора составляет 390°С. Тогда тепло, вносимое с исходной газовой смесью составит

 МДж/ч.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе из 1-ого слоя колонны при температуре 500 °С, или 773 К

             ЧГУ.З.РК.240301.000.004.ПЗ

Лист

26

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

 

метан              ,

азот                ,

водород          ,

аммиак           .

            Тепло химической реакции

 МДж/ч.

            Потери тепла принимаем 0,5 % от прихода тепла. Тогда потери тепла составят

Q_п = (91280+151622)×0,005= 1215 МДж/ч.

            Тогда тепло с газовой смесью на выходе из 1-ого слоя колонны синтеза составит

 МДж/ч.

            Таким образом, получаем уравнение:

203625 + 151622 = 760,61×t₁ + 1215.

            Решая полученное уравнение, имеем

t₁ = 495 °С,

а физическое тепло, уходящее с 1-ой полки:

Q₁ = 760,61×495 = 354032 МДж/ч.

            Для охлаждения газа после 1-ой полки подается байпас с температурой 130 °С. Температура газа на входе во 2-ой слой не должна превышать 460 °С.

            Тепловой баланс примет следующий вид

Q₁ + Q_б = Q₂

где      Q_б – тепло, вносимое байпасом;

            Q₂ – тепло приходящее на 2-ую полку.

Тепло, приходящее с байпасом, можно представить как

.

Q_б = (0,6991×1,290 + 0,2095×1,321 + 0,0154×1,743 + 0,0969×1,865)×130/1000×V_б = 0,180×V_б

Теплоемкости компонентов на входе во 2-ой слой после смешения с байпасом при температуре 460 °С (733 К)

 

           ЧГУ.З.РК.240301.000.004.ПЗ

Лист

27

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

метан              ,

азот                ,

водород          ,

аммиак           .

            Тогда тепло, вносимое с газом на 2-ую полку (после смешения с байпасом), можно представить как

Q₂ = (224667×1,329 + 73095×1,384 + 76987×2,150 + 49769×2,767)×460/1000 +

+ (0,6991×1,329 + 0,2095×1,384 + 0,0154×2,150 + 0,0969×2,767)×460/1000×V_б =

= 247230 + 0,699×V_б

            Таким образом, получаем уравнение

354032 + 0,180×V_б = 247230 + 0,699×V_б

            Решая полученное уравнение, имеем

 нм³/ч.

            3.3.3. Конструктивный расчет основного аппарата

4.5.1. Расчет 1-ого слоя катализатора

Расчет объема катализатора

            Кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака

или

 

           ЧГУ.З.РК.240301.000.004.ПЗ

Лист

28

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

           ЧГУ.З.РК.240301.000.011.ПЗ

Лист

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

где      k₀ – предэкпонента константы скорости;

Е – энергия активации;

Р – общее давление.

Рассчитаем средние концентрации компонентов в слое

 об.%;

 об.%;

 об.%.

Средняя температура в слое

 °С.

Средние парциальные давления:

 МПа;

 МПа;

 МПа.

Тогда

 МПа^-1

Константа равновесия при средней температуре

Откуда

К_р = 0,026 атм^–1

          ЧГУ.З.РК.240301.000.004.ПЗ

Лист

29

Из

Лист

№ докум.

Подп.

Дата

Предэкспонециальный множитель составляет 1,5×10³; энергия активации 80 кДж/моль. Тогда скорость реакции

 

Нагрузка на катализатор

 кмоль/с

Тогда объем катализатора

 м³.

            Принимаем объем катализатора 4,7 м³.

Расчет сопротивления слоя катализатора

            Перепад давления в слой катализатора рассчитываем по формуле [10]:

,

где      d_э – эквивалентный диаметр частиц;

            G_г – массовая скорость газа (кг/м²с);

            m_г – вязкость газа.