Расчет материальных балансов.

В данном разделе ведется расчет технологических параметров синтеза аммиака, а в частности материальных балансов.

 

Принципиальная, упрощенная технологическая схема получения аммиака.

 

 

Рис. 3.1.

 

Содержание аммиака в газе, поступающем в колонну синтеза, определяется условиями вторичной конденсации. При температуре вторичной конденсации –5 °С и давлении 25 МПа (условия берем из регламента цеха производства аммиака завода «Череповецкий Азот») концентрация аммиака определится средней по результатам из формул

- Ларсона и Блека [7]:

lg N_NH3 = 4.1856 + 5.98788/P – 1099,544/(273 + t_конд)

lg N_NH3 = 4.1856 + 5.98788/250 – 1099.544/(273-23)

N_NH3 = 3.4 об.%

- Михельса:

lg N_NH3 = 2,35916 + 6,56799 /10,2*P – 1168.1288/(273+t)

N_NH3 = 2.6 об.%

lg N_NH3 = 2.423025 + 5.28048 /10,2*P – 1127.9013 / (273+t)

N_NH3 = 5.1 об.%

lg N_NH3 = 2.5814 + 3.39444 /10,2*P – 1094.7342 / (273+t)

N_NH3 = 4.06 об.%

Найдем среднюю: N_NH3 ср.= (3,4+2,6+5,1+4,06)/4

Отсюда N_NH3 = 3,8 об.%.

 

Расчет равновесного состава газа.

Состав газа поступающего в колонну:

 

NH₃ – 3,8 %

H₂ – 61,95 %

N₂ – 20,65 %

CH₄ – 9,7 %

Ar – 3,9 %

Давление в колонне 25 атмосфер, температура 500^оС.

Расчет равновесного содержание аммиака:

Kp = P_a / (P_H2^3/2 * P_N2^1/2)

Kp = (0.038 – X^*)*(1-X^*) / ((0.6195 – (3/2)*X^*)^3/2 * (0.2065-(1/2)*X^*)^1/2 * P)

Kp = (2074.8/T – 2.494*lg(T) – 1.256*10^-4 * T + 1.856*10^-7 + 3.214)

Kp = 0.05114 МПа^-1

X^*=0,1221 моль NH₃/моль

Степень приближения к равновесию ζ=0,9

Рассчитаем X_раб.

X_раб= ζ * X^*

X_раб=0,9*0.1221=0.11 моль NH₃/моль

Концентрация аммиака на выходе с колонны:

N_а = (0,038+0,11)/(1-0,11) = 0,1662 м.д. или 16,62 об%.

Материальный баланс считаем на 1000 нм³ газовой смеси.

1000 нм³ циркуляционного газа это 44,643 моля.

Количество образовавшегося аммиака в колонне:

Δn_NH3=44,643*0.11=4.91 кмоль NH₃/т.нм³ циркуляционного газа.

Рассчитаем материальный баланс колонны:

Расчет равновесного состава газа на входе в колонну синтеза:

Зная состав циркуляционного газа на входе сосчитаем содержание компонентов смеси.

N_NH3 = 44.643*0.038 = 1.696 кмоль

N_H2 = 44.643*0.6195 = 27.656 кмоль

N_N2 = 44.643*0.2065 = 9.218 кмоль

N_Ar = 44.643*0.039 = 1.741 кмоль

N_CH4 = 44.643*0.097 = 4.331 кмоль

Расчет газа на выходе из колонны синтеза:

Зная, что в колонне образовалось 4.91 кмоль аммиака, общее количество газовой смеси уменьшится.

44,643 – 4,91 = 39,467 кмоль

N_NH3 = 1.696 + 4.91 = 6.87 кмоль

Инертные газы остаются в том же количестве.

N_Ar = 44.643*0.039 = 1.741 кмоль

N_CH4 = 44.643*0.097 = 4.331 кмоль

Соотношение N₂ / H₂ = 1/3. Количество азота и водорода в системе:

N_H2 = 27,656 – 4,91*3/2 = 19,895 кмоль

N_N2 = 9.218 – 4,91*1/2 = 6,631 кмоль

Полученные данные заносим в таблицу №. 3.1.

 

 

Таблица 3.1.

Сводная таблица материального баланса колонны синтеза аммиака

Приход	Расход
Статьи прихода	кмоль	кг	об%	Статьи расхода	кмоль	кг	об%
Цирк.газ NH3 H2 N2 Ar CH4	44,643 1.696 27.656 9.218 1.741 4.331	28.832 55.312 258.104 69.64 69.296	3.8 61.95 20.65 3.9 9.7	Цирк.газ NH3 H2 N2 Ar CH4	39.467 6.87 19.895 6.631 1.741 4.331	116.79 39.79 185.668 69.64 69.296	17.41 50.41 16.8 4.41 10.97
Итого:		481.184		Итого:		481.184

 

Рассчитаем количество аммиака сконденсировавшегося на первой конденсации.

Температура конденсации -5^оС.

Давление 25 МПа = 250 атмосфер.

При температуре первичной конденсации -5 °С и давлении 25 атм (условия берем из регламента цеха производства аммиака завода «Череповецкий Азот») концентрация аммиака определится по формуле Ларсона и Блека [7]:

lg N_NH3 = 4.1856 + 5.98788/P – 1099,544/(273 + t_конд)

lg N_NH3 = 4.1856 + 5.98788/250 – 1099.544/(273-5)

Отсюда N_NH3 = 6,48 об.%.

Количество сконденсировавшегося аммиака рассчитаем по уравнению:

N_NH3 = (n_ам⁽²⁾ – Δn_ж)/(∑n_i – Δn_ж),

где n_ам⁽²⁾ – количество аммиака после колонны синтеза;

∑n_i – сумма количеств веществ смеси после колонны;

Δn_ж – количество сконденсировавшегося аммиака при первой конденсации.

0,0648 = (6,87 – Δn_ж)/(39,467 – Δn_ж)

Δn_ж = 4,61кмоль.

Количество газовой фазы уменьшится на количество сконденсировавшегося аммиака и станет: 6.87 – 4.61 = 2.26 кмоль.

Составим материальный баланс первой конденсации.

Таблица 3.2.

Сводная таблица материального баланса первой конденсации.

Приход	Расход
Статьи прихода	кмоль	кг	об%	Статьи расхода	кмоль	кг	об%
Цирк.газ NH3 H2 N2 Ar CH4	39.467 6.87 19.895 6.631 1.741 4.331	116.79 39.79 185.668 69.64 69.296	17.41 50.41 16.8 4.41 10.97	Цирк.газ NH3 H2 N2 Ar CH4	34.857 2.26 19,895 6,631 1.741 4.331 Жидк.фаза 4.61	38,42 39,79 185,668 69,64 69,296   78,37	6,484 57,076 19,023 4,995 12,422
Итого:		481.184		Итого:		481,184

 

 

Рассчитаем количество продувочных газов, синтез-газа и количество аммиака, сконденсировавшегося на второй конденсации.

Введем неизвестные:

X₁ – продувочные газы, кмоль.

X₂ – синтез-газ, кмоль.

Δn_Ж2 – количество жидкого аммиака, сконденсировавшегося на второй конденсации, кмоль.

1. Балансовое уравнение, конечного участка схемы, кмоль:

∑n_i³ – X₁ + X₂ - Δn_Ж2 – P_общ * (4.61 + Δn_Ж2) * ∑H_i*N_i = 44.643

2. Баланс по инертам всего отделения, кмоль.

X₂*N_i^сг = X₁*N_i + P_общ * (4.61 + Δn_Ж2) * ∑H_i*N_i

3. Общий баланс отделения, кг.

X₂ * (M_H2*N_H2^сг + M_N2*N_N2^сг . . . ) = X₁ * (M_H2*N_H2^3ст + M_N2*N_N2^3ст . . . ) + + (4.61 + Δn_Ж2) * M_i

Решая систему уравнений при помощи ПК (MathCAD), получаем:

X₁ = 0.828 кмоль.

X₂ = 11.153 кмоль.

Δn_Ж2 = 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.