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 + Q_x = Q₂,

где Q₁ – тепло, потока исходной газовой смеси;

Q₂ – тепло, потока газовой смеси, после колонны синтеза;

Q_х – тепло химической реакции;

Q₁ = t_б * ∑(n_i^н * Ср_i)

Q₂ = t_к * ∑(n_i^к * Ср_i)

Q_х = - ΔH_f (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 130^оС

ΔH_f (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

Q_x= - (- 46190)*4,91= 226792,9 кДж

Q₂ = 179352,7373 + 226792,9 = 406145,6

t_к = Q₂ / ∑(n_i^к * Ср_i) = 406145,6 / (6,87*41,03 +19,895*29,08+ 6,631*29,9+ 1,714*19,9 +4,331*45,15) = 315^оС

 

Расчет доли смеси газов идущих через байпас.

Составим тепловой баланс первой катализаторной полки и смешения с байпасом:

ζ * t₀₁ * ∑(n_i^н * Ср_i) + ( - ΔH_r ) * ΔN_NH3^I = Q₄

Q₄ + Q_б = Q₅,

где Q₄ – тепло выносимое газом с первой полки,

Q₅ – тепло уносимое газом на вторую полку,

Q_б – тепло вносимое байпасом,

ζ – доля газа на байпас,

ΔN_NH3^I – количество образовавшегося аммиака на первой катализаторной полке.

Q₄ = t_в * ∑(n_i^к * Ср_i)

Q_б = ( 1- ζ ) * t_б * ∑(n_i^н * Ср_i)

Q₅ = t_н * ∑(n_i^н2 * Ср_i),

где t_в – температура выхода газа с катализаторной полки, 470^оС,

t_н – температура входа на слой катализатора, 370^оС.

Решаем систему уравнений при помощи ПК (MathCAD):

ζ * t₀₁ * ∑(n_i^н * Ср_i) + ( - ΔH_r ) * ΔN_NH3^I = t_в * ∑(n_i^к * Ср_i)

t_в * ∑(n_i^к * Ср_i) + ( 1- ζ ) * t_б * ∑(n_i^н * Ср_i) = t_н * ∑(n_i^н2 * Ср_i)

Получаем:

ζ = 0,713

ΔN_NH3^I = 1,806 кмоль

Состав газа уходящего на вторую полку:

N_ам = 3,502 кмоль

N_H2 = 24,947 кмоль

N_N2 = 8,315 кмоль

N_Ar = 1.741 кмоль

N_CH4 = 4.331 кмоль

Аналогично на второй полке образуется 1,75 кмоля аммиака.

Температура после второй полки 440^оС.

Состав газа после второй полки:

N_ам = 5,252 кмоль

N_H2 = 22,322 кмоль

N_N2 = 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
Итого	684316,8			684316,8

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.