Материальный и тепловой баланс производства аммиака из азотоводородной смеси Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

наука без границ • № 4 (21) • 2018

технические науки

УДК 66-93

МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ПРОИЗВОДСТВА АММИАКА ИЗ АЗОТОВОДОРОДНОЙ СМЕСИ

Ермолаева Вера Анатольевна, кандидат химических наук, доцент,

Семочкина Ксения Юрьевна, студент, Муромский институт Владимирского государственного университета имени А. Г. и Н. Г. Столетовых, Муром, РФ.

Дана характеристика процесса производства аммиака из азотоводородной смеси Произведен практический расчет материального и теплового баланса производства. Рассчитано равновесное содержание аммиака, концентрация аммиака на выходе с колонны, количество образовавшегося аммиака в колонне. Для расчета теплового баланса использованы формулы прихода и расхода тепла в колонне синтеза аммиака, уравнение теплового эффекта реакции синтеза аммиака при высоком давлении. Результаты расчетов представлены в сводных таблицах. Изучена безопасность технологического процесса производства аммиака, вопросы охраны труда и окружающей среды.

Ключевые слова: аммиак; азотоводородная смесь; материальный и тепловой баланс.

MATERIAL AND HEAT BALANCE OF PRODUCTION OF AMMONIA FROM A MIXTURE OF NITRIC

Ermolaeva Vera Anatol'evna, PhD (Cand. Chem. Sci.), associate professor, Semochkina Kseniya Yur'evna, student, Murom Institute (branch) Vladimir State University, Murom, Russia

The characteristic of the process of ammonia production from nitric mixture is given. Practical calculation of material and thermal balance of production is made. The equilibrium content of ammonia, the concentration of ammonia at the outlet of the column, the amount of ammonia formed in the column are given. To calculate the heat balance, the formulas for the arrival and flow of heat in the ammonia synthesis column, the equation of the thermal effect of the reaction ofammonia synthesis at high pressure are used. The results of the calculations are presented in summary tables. Safety of technological process of production of ammonia, questions of labor protection and environment is studied.

Keywords: ammonia; nitric mixture; material and heat balance.

Для цитирования: Ермолаева В. А., Семочкина К. Ю. Материальный и тепловой баланс производства аммиака из азотоводородной смеси // Наука без границ. 2018. № 4 (21). С. 94-97.

Введение

Химия и промышленность связанного азота считается в настоящее время одной из основных ведущих технологических областей. Постройка новейших заводов и технологических линий осуществляется на основе наиболее оптимальных и совершенных научно-технических методик, используются наиболее устойчивые

конструкции технологических агрегатов и энергетических машин, более функциональные, избирательные и устойчивые катализаторы, растворители и поглотители. Увеличивается уровень автоматизации управления производством, применяются достижения химической физики, укрупняются силы отдельных аппаратов синтеза аммиака. Целью данной работы является

технические науки

наука без границ • № 4 (21) • 2018

практическим расчет материального и теплового баланса производства, равновесного содержания аммиака, концентрации аммиака на выходе с колонны, количества образовавшегося аммиака в колонне, содержания компонентов смеси.

Характеристика целевого продукта

В проведенной работе дана характеристика процесса производства аммиака из азотоводородной смеси. Произведена характеристика целевого продукта, аммиака. Аммиак - бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворяется в воде, спирте и ряде других органических растворителей. Синтезируют из азота и водорода. В природе образуется при разложении азотсодержащих органических соединений. Под обычным давлением аммиак сжижается при -33°С и затвердевает при -78°С. Теплота плавления МН3 составляет 6 кДж/моль. Критическая температура аммиака 132°С, критическое давление 112 атмосфер [1]. Жидкий аммиак является хорошим растворителем для очень большого числа органических соединений, а также многих неорганических.

Охарактеризовано исходное сырье. Исходным сырьем являются азот и водород. Азот - двухатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Один из самых распространённых элементов на Земле. Химически весьма инертен, однако реагирует с комплексными соединениями переходных металлов. Водород - лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен, нетоксичен. Растворим в этаноле и ряде металлов: железе, никеле, палладии, титане, платине.

Характеристика технологического процесса и балансовые расчеты

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс производства аммиака. Очищенный природный газ с давлением 25 атмосфер поступает в компрессор синтез газа. Газ сжимается и направляется в

подогреватели. Затем поступает в реактор гидрирования сероорганических соединений. Адсорбируется до Н^. Газ нагревается в трубчатой печи и переходит в шахтный конвертор. В паровой котел подается вода за счет применения электронасоса. Из данного резервуара вода по специальным отводным трубам стекает в коллектор. В конверторе находится СО и имеется абсорбер СО2. Для связывания диоксида углерода и влаги в линию газа перед холодильником насосами впрыскивается жидкий аммиак. Затем газ поступает в воздушный холодильник, в котором он охлаждается и потом направляется в конденсационную колонну. В теплообменнике газ нагревается и переходит в сепаратор, в котором производится отделение сконденсировавшейся жидкости из охлажденного газа.

Произвели практический расчет материального баланса производства по следующим исходным данным: состав газа поступающего в колонну: массовая доля - 3,8 %, Н2 - 61,95 %, N - 20,65 %, СН4 - 9,7 %, Аг - 3,9 %, давление в колонне - 25 атмосфер, температура - 500°С, степень использования - 0,9. Зная состав циркуляционного газа на входе, рассчитали содержание компонентов смеси. Для расчета содержания компонентов смеси воспользовались формулой:

где п - количество циркуляционного газа; а>^И3) - массовая доля аммиака.

Количество сконденсировавшегося аммиака рассчитали по уравнению:

где N 2 - количество аммиака после ко-

ам

лонны; £п. - сумма количеств веществ смеси после колонны; Ап - количество

ж

сконденсировавшегося КН3 при первой конденсации.

Составили материальный баланс пер-

наука без границ • № 4 (21) • 2018

технические науки

Таблица 2

Сводная таблица материального баланса первой конденсации

Таблица 1

Сводная таблица материального баланса колонны синтеза аммиака

Приход Расход

Статьи прихода кмоль кг об % Статьи расхода кмоль кг об %

Смесь 48,6000 100 Смесь 43,2540 100

Ж3 1,8468 31,3956 3,80 Ж3 7,1928 122,2776 16,63

Н2 30,1077 60,2154 61,95 Н2 22,0887 44,1774 51,06

N2 10,0359 281,0052 20,65 N2 7,3629 206,1612 17,02

Аг 1,8954 75,8160 3,90 Аг 1,8954 75,816 4,38

СН4 4,7142 75,4272 9,70 СН4 4,7142 75,4272 10,91

Итого: 523,8594 Итого: 523,8594

Приход Расход

Статьи прихода кмоль кг об% Статьи расхода кмоль кг об%

Цирк. газ 43,254 100 Цирк. газ 35,091 100

Ж3 7,193 122,278 16,63 МН3 2,493 42,381 7,10

Н2 22,089 44,177 51,06 Н2 19,895 39,790 56,70

N2 7,363 206,161 17,02 N2 6,631 185,668 18,90

Аг 1,895 75,816 4,38 Аг 1,741 69,640 4,96

СН4 4,714 75,427 10,91 СН4 Потеря газа 20 кг 4,331 Жидк. фаза 4,7 69,296 79,9 12,34

Итого: 523,859 Итого: 516,675

вой конденсации (табл. 2).

Невязка расчета материального баланса составила 0,014 %.

Произвели расчет теплового баланса производства по стадии сгорания природного газа. Исходными данными служат: температура в зоне реакции t = 500 °С, количество газовой смеси на входе в колонну V = 119025 нм3/ч, температура газовой смеси на входе t1 = 35 °С, количество газовой смеси на выходе из колонны V = 102329 нм3/ч, температура газовой смеси на выходе t2 = 110 °С. Рассчитали приход тепла в колонну синтеза аммиака, тепловой эффект реакции синтеза аммиака при высоком давлении, общее количество тепла, общий расход тепла. Результа-

ты расчетов представлены в табл. 3.

Охрана персонала и природной среды

Изучили охрану труда работающего персонала и находящейся вокруг среды. В производстве аммиака обширно применяются разнообразные установки, использующие электроэнергию. Рабочий персонал, связанный с обслуживанием этих устройств, проходит специальную подготовку. Изготовление аммиака считается взрыво- и пожароопасным. Для зданий такого производства необходимы наружные ограждения, системы которых выполняются легко сбрасываемыми при

« « ТЛ

воздействии на них взрывной волны. В изготовлении аммиака практически всё

технические науки

наука без границ • № 4 (21) • 2018

Таблица 3

Тепловой баланс колонны синтеза аммиака

Приход тепла Расход тепла

Статьи прихода кВт Статьи расхода кВт

Газовая смесь Реакция синтеза Охлаждающая вода 1291 10806 4452 Газовая смесь Охлаждающая вода Потери тепла 4620 8325,24 3603,76

Итого 16549 Итого 16549

главное техническое спецоборудование, за исключением компрессоров, а также все основные газопроводы находятся за пределами сооружения [2].

В производстве аммиака существуют стабильные и периодические сбросы газов в атмосферу, а также сбросы, вызванные нарушениями технического порядка. Регулярно в атмосферу выпускают газы из трубчатой печи, подогревателя естественного газа, а также через факельные конструкции. Используются все необходимые очистные установки, а также рассчитывается высота труб с учетом максимально допустимых приземных концентраций.

Заключение

Таким образом, в работе исследовали

технологический процесс производства аммиака, основное технологическое оборудование, рассчитали материальный и тепловой балансы. Проблема российских производств состоит в том, что существенная доля функционирующих мощностей технически стала неактуальной и в обстоятельствах стремительного увеличения стоимости на сырьевые материалы и энергоносители изготовляемый на них аммиак способен обладать значительной первоначальной стоимостью, чем производимый на современном оборудовании. Современное производство аммиака базируется на ресурсосберегающих и сохраняющих энергию разработках и осуществляется в многотоннажных безотходных формах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аммиак [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki.

2. Охрана труда [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://cinref.ru/razdel/.

REFERENCES

1. Ammiak [Ammonia]. Available at: https://ru.wikipedia.org/wiki.

2. Ohrana truda [Labour protection]. Available at: http://cinref.ru/razdel/.

Материал поступил в редакцию 02.04.2018 © Ермолаева В. А., Семочкина К. Ю., 2018