X2 – синтез-газ, кмоль.
ΔnЖ2 – количество жидкого аммиака, сконденсировавшегося на второй конденсации, кмоль.
1. Балансовое уравнение, конечного участка схемы, кмоль:
∑ni3 – X1 + X2 - ΔnЖ2 – Pобщ * (4.61 + ΔnЖ2) * ∑Hi*Ni = 44.643
2. Баланс по инертам всего отделения, кмоль.
X2*Niсг = X1*Ni + Pобщ * (4.61 + ΔnЖ2) * ∑Hi*Ni
3. Общий баланс отделения, кг.
X2 * (MH2*NH2сг + MN2*NN2сг . . . ) = X1 * (MH2*NH23ст + MN2*NN23ст . . . ) + + (4.61 + ΔnЖ2) * Mi
Решая систему уравнений при помощи ПК (MathCAD), получаем:
X1 = 0.828 кмоль.
X2 = 11.153 кмоль.
ΔnЖ2 = 0,476 кмоль.
Таблица 3.3.
Сводная таблица материального баланса отделнния получения аммиака.
|
Приход |
Расход |
||||||
|
Статьи прихода |
кмоль |
кг |
об% |
Статьи расхода |
кмоль |
кг |
об% |
|
Синтез-газ H2 N2 Ar CH4 |
11.15 8.24 2.75 0.03 0.12 |
16.49 76.95 1.38 1.96 |
100,0 73.93 24.64 0.31 1.1 |
Продув.газ NH3 H2 N2 Ar CH4 Жидкий аммиак Растворен-ные газы H2 N2 Ar CH4 |
0,83 0,05 0,59 0,04 0,04 0,10 5,086 0,14 0,11 0,02 0,003 0,01 |
0,91 4,41 0,94 1,64 1,66 86,46 0,76 0,21 0,31 0,12 0,12 |
100,0 6,40 72,40 3,90 4,90 12,40 |
|
Итого |
96,79 |
Итого |
96,79 |
||||
В разделе сосчитан баланс колонны синтеза аммиака, рассчитаны составы газа после колонны синтеза, первой конденсации, и всего отделения синтеза аммиака.
3.3.2. Расчеты тепловых процессов.
В данном разделе проводится расчет теплового баланса колонны синтеза аммиака, баланс смешения газа с байпасом.
Принципиальная схема колонны синтеза.
Рис. 3.2.
Тепловой баланс колонны синтеза аммиака имеет вид
Q1 + Qx = Q2,
где Q1 – тепло, потока исходной газовой смеси;
Q2 – тепло, потока газовой смеси, после колонны синтеза;
Qх – тепло химической реакции;
Q1 = tб * ∑(niн * Срi)
Q2 = tк * ∑(niк * Срi)
Qх = - ΔHf (298) * Δn
Средние теплоемкости газов [11]:
Ср (NH3) = 41.03 Дж/(моль*град)
Ср (H2) = 29.08 Дж/(моль*град)
Ср (N2) = 29.90 Дж/(моль*град)
Ср (Ar) = 19.9 Дж/(моль*град)
Ср (CH4) = 45.15 Дж/(моль*град)
Температура байпаса 130оС
ΔHf (298) = - 46190 Дж / моль
Δn – количество аммиака, образующееся в колонне синтеза.
Δn = 4.91 моль.
Q1=130*(27,656*29,08+9,218*29,9+1,741*19,9+4,331*45,151+1,696*41,03) =
= 179352,7373 кДж
Qx= - (- 46190)*4,91= 226792,9 кДж
Q2 = 179352,7373 + 226792,9 = 406145,6
tк = Q2 / ∑(niк * Срi) = 406145,6 / (6,87*41,03 +19,895*29,08+ 6,631*29,9+ 1,714*19,9 +4,331*45,15) = 315оС
Расчет доли смеси газов идущих через байпас.
Составим тепловой баланс первой катализаторной полки и смешения с байпасом:
ζ * t01 * ∑(niн * Срi) + ( - ΔHr ) * ΔNNH3I = Q4
Q4 + Qб = Q5,
где Q4 – тепло выносимое газом с первой полки,
Q5 – тепло уносимое газом на вторую полку,
Qб – тепло вносимое байпасом,
ζ – доля газа на байпас,
ΔNNH3I – количество образовавшегося аммиака на первой катализаторной полке.
Q4 = tв * ∑(niк * Срi)
Qб = ( 1- ζ ) * tб * ∑(niн * Срi)
Q5 = tн * ∑(niн2 * Срi),
где tв – температура выхода газа с катализаторной полки, 470оС,
tн – температура входа на слой катализатора, 370оС.
Решаем систему уравнений при помощи ПК (MathCAD):
ζ * t01 * ∑(niн * Срi) + ( - ΔHr ) * ΔNNH3I = tв * ∑(niк * Срi)
tв * ∑(niк * Срi) + ( 1- ζ ) * tб * ∑(niн * Срi) = tн * ∑(niн2 * Срi)
Получаем:
ζ = 0,713
ΔNNH3I = 1,806 кмоль
Состав газа уходящего на вторую полку:
Nам = 3,502 кмоль
NH2 = 24,947 кмоль
NN2 = 8,315 кмоль
NAr = 1.741 кмоль
NCH4 = 4.331 кмоль
Аналогично на второй полке образуется 1,75 кмоля аммиака.
Температура после второй полки 440оС.
Состав газа после второй полки:
Nам = 5,252 кмоль
NH2 = 22,322 кмоль
NN2 = 7,44 кмоль
Инерты в том же количестве.
На третьей полке образуется 1,354 кмоль аммиака.
Сводная таблица теплового баланса первой полки колонны.
Таблица 3.1
|
Приход |
Расход |
||||
|
Статьи прихода |
кДж |
% |
Статьи расхода |
кДж |
% |
|
1. Тепло газа с первой полки 2. Тепло байпаса |
632842,8 51474,07 |
92,48 7,52 |
1. Тепло газа на вторую полку |
684316,8 |
100 |
|
Итого |
684316,8 |
100 |
684316,8 |
100 |
|
Таким образом по результатам расчетов расчетов доля газа поступающего на байпас 0,713. Количество аммиака, образующегося на первой полке 1,806 кмоль. Получены составы газа после катализаторных полок.
3.3.3 Конструктивные расчеты основного аппарата.
В данном разделе производится расчет теплообменника, служащего для подогрева свежей газовой смеси, поступающей на синтез аммиака. Он располагается между второй и третьей катализаторной полкой.
Примем количество трубок равное 400, наружный диаметр 19 мм, толщину 2 мм (реальные размеры теплообменника, заказанного для производства).
Производительность колонны равна 1600 т./сут. или
1600*103/(17*22,4*4,91) = 800 нм3/ч.
По межтрубному пространству проходит газ, идущий со второй полки,
а по трубам свежий газ.
Рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле: Re = u*d/ν,
где u – линейная скорость газа, м/с;
d – внешний диаметр трубок, м
ν – коэффициент вязкости, кг/(м*с).
u = V/F,
Где V – объемный расход газа, м3/с;
F – площадь проходного сечения, м2.
Fм/т = π/4 * (DН2 – Dвн2) – π/4 * dн2 * hт
Fм/т = 3.14/4 * (0.782 – 0.332) – 3.14/4 * 0.0192*400 = 0.28 м2
Fт = π/4 * dвн2 * 400
Fт = 3,14/4*(0,019-0,002*2)2 * 400 = 0,069 м2
Расчет средней температуры нагрева свежего газа и охлаждения газа после второй полки в теплообменнике.
Рис 3.3. Зависимость температуры от длины теплообменника.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.