Производство аммиака. 2
Содержание
Введение
1 Аналитический обзор
2 Технологическая часть
2.1 Физико-химические основы
синтеза аммиака
2.2 Технологическая схема процесса
2.3 Расчет материального баланса процесса производства аммиака 9
2.4 Расчет теплового баланса
колонны синтеза
2.5 Расчет колонны синтеза
3 Экологическая часть
Заключение
Список использованных источников
Приложение
Введение
Аммиак относится к числу важнейших продуктов химической промышленности, ежегодное его мировое производство достигает 150 млн тонн. В основном используется для производства азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина), взрывчатых веществ и полимеров, азотной кислоты, соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности. Жидкий аммиак используют в качестве растворителя [1].
Целью курсовой работы является получение общих сведений о процессе производства аммиака, сырье, способах получения и использования. Важной задачей также является рассмотрение основной технологической схемы производства аммиака.
Технологическая часть включает задание на курсовую работу, материальный, тепловой баланс процесса производства аммиака, а также расчет основного аппарата − колонны синтеза.
Основой экологической части является описание газообразных выбросов, образующихся в процессе производства аммиака и методов проведения комплексных мероприятий по улучшению экологического влияния производства аммиака.
1 Аналитический обзор
Аммиак − одно из важнейших соединений азота. Азот, входящий в состав белков и нуклеиновых кислот, является одним из компонентов, составляющих основу жизни. Поэтому очень важно было научиться синтезировать химические соединения с азотом. Сначала использовали электричество, но этот способ оказался очень дорогим. Более простым способом явилась химическая реакция соединения азота, находящегося в воздухе, с водородом в химическое соединение – аммиак.
В промышленности получение аммиака связано с прямым его синтезом из простых веществ. Как уже отмечалось, источником азота служит воздух, а водород получают из воды.
3 + 2 + Q.
Реакция синтеза аммиака обратима, поэтому важно подобрать условия, при которых выход аммиака в химической реакции будет наибольшим. Для этого реакцию проводят при высоком давлении (от 15 до 100 МПа). В ходе реакции объёмы газов (водорода и азота) уменьшаются в 2 раза, поэтому высокое давление позволяет увеличить количество образующегося аммиака. Катализатором в такой реакции может служить губчатое железо. При этом интересно то, что губчатое железо действует как катализатор только при температуре выше 500. Но увеличение температуры способствует распаду молекулы аммиака на водород и азот. Для избежания распада молекул, как только смесь газов проходит через губчатое железо, образовавшийся аммиак сразу охлаждают. Кроме того при сильном охлаждение аммиак превращается в жидкость.
Получение аммиака в лабораторных условиях производят из смеси твёрдого хлорида аммония (Cl) и гашенной извести. При нагревании интенсивно выделяется аммиак.
2Cl + Ca Ca + 2 + 2O.
Аммиак при обычных условиях
- газ с резким и неприятным запахом. Аммиак
ядовит. При 20 в воде растворяется 700 л
аммиака. Полученный раствор называют аммиачной
водой. Из-за такой растворимости аммиак
нельзя собирать и хранить над водой.
Аммиак − активный восстановитель. Такое
свойство у него за счёт атомов азота,
имеющих степень окисления "-3". Восстановительные
свойства азота наблюдаются при горении
аммиака на воздухе. Так как для азота
наиболее устойчивая степень окисления
- 0, то в результате этой реакции выделяется
свободный азот.
Если в реакции горения использовать катализаторы (платину Pt и оксид хрома Cr2O3), то получают оксид азота.
4NH3 + 5 O2 4NO + 6H2O.
Аммиак может восстанавливать металлы из их оксидов. Так реакцию с оксидом меди используют для получения азота.
2NH3 + 3CuO 3Cu + N2 + H2O.
Аммиак обладает свойствами оснований и щелочей. При растворении его в воде образуется ион аммония и гидроксид-ион. При соединения NH4OH - не существует. Формулу аммиачной воды лучше записать, как формулу аммиака. Аммиак реагирует с органическими веществами. Например, искусственные аминокислоты получают с помощью реакции аммиака и A-хлорзамещёнными карбоновыми кислотами. Выделяющийся в результате реакции хлороводород (газ HCl) связывают с избытком аммиака, в результате которого образуется нашатырь (или хлорид аммония NH4Cl). Многие комплексные соединения содержат в качестве лиганда аммиак, аммиачный раствор оксида серебра, который используется для обнаружения альдегидов, представляет собой комплексное соединение − гидроксиддиаммин серебра.
Ag2O + 4NH3 + H2O 2[Ag(NH3)2]OH.
Соли аммония − твёрдые кристаллические вещества, не имеющие окраски. Почти все они растворяются в воде и им характерны все те же свойства, которые имеют известные нам соли металлов. Они взаимодействуют со щелочами, при этом выделяется аммиак.
NH4Cl + KOH KCl + NH3 + H2O.
При этом, если дополнительно воспользоваться индикаторной бумагой, то эту реакцию можно использовать, как качественную реакцию на соли аммония. Соли аммония взаимодействуют с другими солями и кислотами. Например,
(NH4)2SO4 + BaCl2 BaSO4 + 2NH4Cl,
(NH4)2CO3 + 2HCl2 2NH4Cl + CO2 + H2O.
Соли аммония неустойчивы к нагреванию. Некоторые из них, например хлорид аммония (или нашатырь), возгоняются (испаряются при нагревании), другие, например нитрит аммония разлагаются
NH4Cl NH3 + HCl,
NH4NO2 N2 + 2H2O.
Последняя химическая реакция - разложение
нитрита аммония - используется в химических
лабораториях для получения чистого азота.
Аммиак - это слабое основание, поэтому соли, образованные аммиаком в водном растворе подвергаются гидролизу. В растворах этих солей имеется большое количество ионов гидроксония, поэтому реакция солей аммония кислая.
NH4+ + H2O NH3 + H3O+ .
Применение аммиака и его солей основано на специфических свойствах. Аммиак служит сырьём для производства азотосодержащих веществ, а также в составе солей широко применяется в качестве минеральных удобрений. Водный раствор аммиака можно купить в аптеках под названием нашатырный спирт.
2 Технологическая часть
2.1 Физико-химические основы синтеза аммиака
Практически реакция между азотом и водородом протекает только на катализаторах, в отсутствие их скорость реакции очень мала. Степень превращения и в аммиак зависит от условий проведения процесса (температуры, давления, продолжительности контакта, качества катализатора и конструкции контактного аппарата) и обычно колеблется в пределах 20 - 30 %.
Для увеличения степени превращения азотоводородной смеси в условиях промышленного синтеза аммиака применяется многократная циркуляция газа через катализатор с промежуточным выделением , так называемый круговой аммиачный цикл.
Реакция синтеза аммиака
N2 + 3H2 = 2NH3 + Q,
0,5N2 + 1,5H2 = NH3 + Q.
Обратимая, она протекает с выделением тепла и уменьшением объема. Поэтому, согласно принципу Ле-Шателье, при повышении давления равновесие этой реакции будет смещаться вправо, в сторону увеличения содержания аммиака в газовой смеси.
Тепловой эффект реакции мало зависит от температуры, его значение в рабочих пределах температур обычно принимают равным 54050 кДж/кмоль или 3184 кДж/кг.
Уравнение константы равновесия реакции при выражении концентрации реагирующих веществ через их парциальные давления имеет вид:
.
парциальные давления
Тепловой эффект реакции синтеза аммиака в реальных условиях проведения процесса состоит из двух слогаемых:
.
− тепловой эффект реакции при полном превращении азотоводородной смеси в аммиак
теплота смешения аммиака с азотовоородной смесью.
При низких давлениях теплоты смешения малы, при высоких они достигают значительных величины и не учитывать их было бы неправильным. Температура, необходимая для проведения синтеза , достигается путем предварительного подогрева азотоводородной смеси и за счет выделения реакционного тепла.
На процесс синтеза аммиака значительное влияние оказывает применяемое при этом давление. Однако общее давление газовой смеси еще не характеризует эффективного давления процесса синтеза, фактическое давление азотоводородной смеси. Величина эффективного давления зависит от содержания инертных примесей в газе.
2.2 Технологическая схема процесса
Технологическая схема производства аммиака из природного газа представлена на рисунке в приложении А.
Аппараты соединены между собой различными связями, в том числе обратными. Так, часть реакционной смеси (около 10 %) после первой ступени компрессора 19 направляется в смеситель 1, где она смешивается с исходным сырьем – природным газом, что обеспечивает работу реактора 2. Смесь, вышедшая из колонны синтеза аммиака 23, проходит конденсаторы 24 и 25, а также сепаратор 20, где отделяется целевой продукт – жидкий аммиак, и направляется опять в колонну синтеза, т.е. происходит рециркуляция. В теплообменниках 13 и 21 и в предварительном теплообменнике колонны синтеза 23 обменивается теплом реакционная смесь различного состава и температуры. Так, аппараты от конвертора метана 5 до абсорбера 12 соединены последовательно. Два трубчатых конвертора метана 4 работают параллельно. Колонны синтеза аммиака 23, водяной конденсатор 24, теплообменник 21, аммиачный конденсатор 25, сепаратор 20 и циркуляционный насос 22 объединены в замкнутый контур и образуют рецикл.
2.3 Расчет материального баланса процесса производства аммиака
Реакция синтез
+ 3= 2.
Для расчета состава реакционной смеси решается уравнение изотермы реакции синтеза для константы равновесия
.
Для определения используется температурная зависимость в виде уравнения
=.
Для температуры синтеза T = 537+273=810 K
.
Расчет равновесного и фактического состава равновесной смеси на основании стехиометрии реакции и значения производится для 100 м³ исходной азотоводородной смеси. Принято, что количество превращенного к моменту равновесия составит X кмолей. Расчет приведен в таблице 33.
Таблица 33 – Равновесный и фактический составы равновесной смеси
Компонент |
Исходная смесь |
Равновесная смесь | |||
м³ |
кмоль |
кг |
кмоль |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
74,8 |
74,8/22,4=3,339 |
3,3392=6,678 |
3,339-3X |
||
23,7 |
23,7/22,4=1,058 |
1,05828=29,624 |
1,058-X |
||
1,5 |
1,5/22,4=0,067 |
0,06716=1,072 |
0,067 |
_ | |
Продолжение таблицы 33 | |||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
0 |
0 |
0 |
2X |
||
Итого |
4,464 |
|
4,464-2X |
P | |
Подставляют значения парциальных давлений компонентов в уравнение изотермы реакции и решают его относительно X
.
По условию конверсия составляет 0,8 равновесного значения. Следовательно, фактическое значение
.
Состав реакционной смеси после реактора приведен в таблице 34.
Таблица 34 Состав реакционной смеси после реактора
Компонент |
Реакционная смесь | ||
кмоль |
кг |
мас. д. | |
3,339-30,699=1,242 |
1,242=2,48 |
2,48/37,398=0,0663 | |
1,058-0,699=0,36 |
0,3628=10,08 |
10,08/37,398=0,2695 | |
0,067 |
0,06716=1,072 |
1,072/37,398=0,0287 | |
20,699=1,398 |
1,39817=23,766 |
23,766/37,398=0,6355 | |
Итого |
3,067 |
37,398 |
1,0 |
Находят величины потоков газа и товарного аммиака , выходящих из сепаратора. Газовый поток можно рассчитать исходя из 4 % содержания в нем несконденсировавшегося аммиака. Тогда на долю остальных компонентов (, и) приходится 96 %
=(1,24+0,36+0,067)/0,96=1,7364 кмоль,
в том числе несконденсировавшегося аммиака
1,7364 (1,24 + 0,36 + 0,067) = 0,0694 кмоль.
Поток товарного аммиака
=1,398−0,0694=1,3286 кмоль.
Газовый поток , выходящий из сепаратора, делится на два потока: рецикла и газов продувки . Количество газов продувки за один проход через реактор определяют исходя из предельно допустимого по условиям синтеза содержания метана в газовом рецикле (5 %). При этом предполагается, что весь метан (0,067 кмоль), вошедший в реактор со свежей порцией сырья, полностью выдувается (0,067 кмоль составляет в абгазе 5 %, весь абгаз принят за 100 %)
кмоль.
Для того чтобы рассчитать массу газов продувки, необходимо знать состав газового потока, выходящего из сепаратора, который будет идентичен составу газов продувки и рецикла. Молярный состав газового потока приведен в таблице 35.
Таблица 35 – Молярный состав газового потока
Компонент |
Кмоль |
Масса, кг |
Мол. д. |
1,24 |
1,242=2,48 |
1,24/1,7364=0,7141 | |
0,36 |
0,3628=10,08 |
0,36/1,7364=0,2073 | |
0,067 |
0,06716=1,072 |
0,067/1,7364=0,0386 | |
0,0694 |
0,069417=1,18 |
0,0694/1,7364=0,04 | |
Итого |
1,7364 |
14,81 |
1 |
Определяют массу газов продувки. Результаты приведены в таблице 36.
Таблица 36 – Масса газов продувки
Компонент |
Мол. д. |
Кмоль |
Масса, кг |
Водород |
0,7141 |
0,71411,34=0,9569 |
0,95692=1,9138 |
Азот |
0,2073 |
0,20731,34=0,2778 |
0,27782=0,5556 |
Метан |
0,0386 |
0,03861,34=0,0517 |
0,051716=0,8272 |
Аммиак |
0,04 |
0,041,34=0,0536 |
0,053617=0,9112 |
Итого |
1,0 |
1,34 |
4,2078 |
Рассчитывают массу газового рецикла, для чего из газов сепаратора вычитают газы продувки (по каждому компоненту)
.
Результаты представлены в таблице 37.
Таблица 37 – Масса газового рецикла
Наименование компонента |
Масса, кг |
Водород |
2,48-1,9138=0,5662 |
Азот |
10,08-0,5556=9,5244 |
Метан |
1,072-0,8272=0,2448 |
Аммиак |
1,18-0,9112=0,2688 |
Итого |
10,6042 |
Определяют массу твердого аммиака, получаемого при работе установки по прямой схеме (за один проход свежей порции сырья через реактор)
кг.
Для расчета величины потоков сырья, рецикла, газов продувки и отводимого с установки продукта — товарного аммиака находят коэффициент рециркуляции . С этой целью определяют массовую долю рецикла в загрузке реактора (таблице 38).
Таблица 38 – Массовая доля рецикла в загрузке реактора
Наименование потока |
Масса, кг |
Мас. д. |
Товарный аммиак |
22,5862 |
22,5862/29,4266=0,7675 |
Газы продувки |
4,2078 |
4,2078/29,4266=0,143 |
Газовый рецикл |
10,6042 |
10,6042/29,4266=0,3604 |
Итого |
37,3982 |
1,000 |
Рассчитывают коэффициент рециркуляции
.
Полная загрузка реактора при работе установки по циркуляционной схеме составит
.
Определяют массовое количество газового рецикла
.
Находят массовое количество газов продувки при работе установки с рециркуляцией непревращенного сырья
.
Рассчитывают выход аммиака при работе установки с рециркуляцией
%.
Тогда количество отводимого товарного аммиака составит
.
Составляют материальный баланс синтеза аммиака на 10 м³ исходной смеси (свежего сырья) при работе установки с рециркуляцией газового потока (таблице 39).
Таблица 39 – Материальный баланс синтеза аммиака на исходной смеси
Приход |
Расход | ||||
компонент |
кг/ч |
м³/ч |
компонент |
кг/ч |
м³/ч |
Исходная смесь газов, в том числе:
|
37,374
6,678 29,624 1,072 |
100 |
Товарный аммиак |
29,0208 |
30,11 |
Газы рециркуляции, в том числе:
|
21,0794
3,3769 15,8095 0,3373 1,6231 |
Газы продувки, в том числе:
|
8,3534
1,3299 6,2625 0,1369 0,6232 |
9 | |
Итого |
58,4534 |
Газы рециркуляции, в том числе:
|
21,0794
3,3769 15,8095 0,3373 1,6231 |
||
Итого |
58,4534 |
||||
Для пересчета баланса на заданную производительность установки требуется найти коэффициент пересчета. Для этого находят часовую производительность установки
,
затем коэффициент для пересчета
.
Материальный баланс синтеза аммиака в окончательной форме представлен в таблице 40.
Таблица 40 – Материальный баланс синтеза аммиака в окончательной форме
Приход |
Расход | ||||
компонент |
кг/ч |
м³/ч |
компонент |
кг/ч |
м³/ч |
Исходная смесь газов, в том числе:
|
3737,4
667,8 2962,4 107,2 |
10000 |
Товарный аммиак |
2902,08 |
3011 |
Газы рециркуляции, в том числе:
|
2105,52
337,30 1579,14 33,69 162,12 |
Газы продувки, в том числе:
|
835,34
132,99 626,25 13,69 62,32 |
900 | |
Итого |
5842,92 |
Газы рециркуляции, в том числе:
|
2105,52
337,30 1579,14 33,69 162,12 |
||
Итого |
5842,85 |
||||
Рассчитать технологические показатели процесса производства, т/т
− теоретические расходные коэффициенты:
по водороду
азоту
− фактические расходные коэффициенты:
по водороду
;
азоту
.
Выход аммиака по сырью
%.
Теоретический выход определяют исходя из поданного на установку водорода
;
.
2.4 Расчет теплового баланса колонны синтеза
Для нахождения теплосодержания газа на входе в катализаторную коробку или, что тоже, на выходе из теплообменника составляют тепловой баланс катализаторной коробки колонны синтеза.
Количество теплоты, выделяемой в результате реакции синтеза аммиака
.
,
где 21,13 − количество аммиака, полученного в колонне синтеза, кмоль.
Теплота, уносимая газом из катализаторной коробки Q, кДж/моль, при температуре 500 °C рассчитывают по уравнению
,
где − молярное количество газа после колонны синтеза, равное 166,85 моль;
− средняя удельная теплоемкость газа при температуре 500 °C, кДж/(мольград).
Состав газа и удельные теплоемкости компонентов приведены в таблице 41.
Таблица 41 – Состав газа и удельные теплоемкости компонентов
Наименование компонента |
Мол. д. |
Удельная теплоемкость, кДж/(мольград) |
Аммиак |
0,04 |
43,7 |
Метан |
0,0091 |
48,2 |
Водород |
0,7132 |
29,2 |
Азот |
0,2377 |
29,8 |
.
.
Тепловые потери в верхней части колонны синтеза принимают равными 1 % от теплосодержания газа на выходе из катализаторной коробки
2508735,70,01=25087,3 кДж.
Количество теплоты, вносимое газом, входящим в катализаторную коробку , находим как разность между энтальпией уходящего газа плюс теплопотери и количеством тепла, выделившегося в результате реакции
.
Температура газа, входящего в катализаторную коробку t, °C, рассчитывают по формуле
,
где − массовое количество азотоводородной смеси на входе в колонну синтеза, равное 197,98 моль;
− средняя теплоемкость азотоводородной смеси, кДж/(кмольград)
Состав азотоводородной смеси приведен в табл. 42
Наименование компонента |
Об. д., % |
Кмоль |
Водород |
71,32 |
133,84 |
Азот |
23,77 |
44,61 |
Аммиак |
4,0 |
4,94 |
Метан |
0,91 |
4,59 |
Всего |
100 |
Из практики известно, что при температуре катализатора 500 °C ,температура газовой смеси на входе в катализаторную коробку составляет 300- 350 °C . Среднюю теплоемкость газа , рассчитывают для температуры 300 °C .
.
Температура газа на входе в катализаторную коробку или, что тоже, на входе из теплообменника
