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 NNH3 = 4.1856 + 5.98788/
P – 1099,544/(273 + tконд)
lg NNH3 = 4.1856 + 5.98788/250 – 1099.544/(273-23)
NNH3 = 3.4 об.%
- Михельса:
lg NNH3 = 2,35916 + 6,56799 /10,2*P – 1168.1288/(273+t)
NNH3 = 2.6 об.%
lg NNH3 = 2.423025 + 5.28048 /10,2*P – 1127.9013 / (273+t)
NNH3 = 5.1 об.%
lg NNH3 = 2.5814 + 3.39444 /10,2*P – 1094.7342 / (273+t)
NNH3 = 4.06 об.%
Найдем среднюю: NNH3 ср.= (3,4+2,6+5,1+4,06)/4
Отсюда NNH3 = 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 500оС.
Расчет равновесного содержание аммиака:
Kp = Pa / (PH23/2 * PN21/2)
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 Xраб.
Xраб= ζ * X*
Xраб=0,9*0.1221=0.11 моль NH3/моль
Концентрация аммиака на выходе с колонны:
Nа = (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:
ΔnNH3=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.
NNH3 = 44.643*0.038 = 1.696 кмоль
NH2 = 44.643*0.6195 = 27.656 кмоль
NN2 = 44.643*0.2065 = 9.218 кмоль
NAr = 44.643*0.039 = 1.741 кмоль
NCH4 = 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
NNH3 = 1.696 + 4.91 = 6.87 кмоль
Инертные газы остаются в том же количестве.
NAr = 44.643*0.039 = 1.741 кмоль
NCH4 = 44.643*0.097 = 4.331 кмоль
Соотношение N2 / H2 = 1/3. Количество азота и водорода в системе:
NH2 = 27,656 – 4,91*3/2 = 19,895 кмоль
NN2 = 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 -5оС.
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 NNH3 = 4.1856 + 5.98788/P – 1099,544/(273 + tконд)
lg NNH3 = 4.1856 + 5.98788/250 – 1099.544/(273-5)
Отсюда NNH3 = 6,48 об.%.
Количество сконденсировавшегося аммиака рассчитаем по уравнению:
NNH3 = (nам(2) – Δnж)/(∑ni – Δnж),
где nам(2) – количество аммиака после колонны синтеза;
∑ni – сумма количеств веществ смеси после колонны;
Δnж – количество сконденсировавшегося аммиака при первой конденсации.
0,0648 = (6,87 – Δnж)/(39,467 – Δnж)
Δnж = 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.
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.