Расчетно-графическое задание - Синтез аммиака контактным методом
Подождите немного. Документ загружается.
Федеральное агентство образования Российской Федерации
Белгородский Государственный Технологический
Университет им. В. Г. Шухова
Кафедра ОХТ
Расчетно-Графическое Задание
Тема: «Синтез аммиака контактным методом»
Выполнила:
студентка ИСМ
группы ХВ-41
Чуева А.
Проверил
Алексеев С. В.
Белгород 2005
Содержание
Введение
1. Сырьевая база азотной промышленности
2. Катализаторы синтеза аммиака
3. Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.
4. Метанирование.
5. Оборудование агрегата
6. Охрана окружающей среды в производстве аммиака.
7. Материальный баланс синтеза аммиака контактным методом
Список литературы
2
Введение
Аммиак — ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в
промышленности и сельском хозяйстве.
На схеме 1 показаны основные области применения аммиака. Состав аммиака был установлен К.
Бертолле в 1784 году. Аммиак NH
3
— основание, умеренно сильный восстановительный агент и
эффективный комплексообразователь по отношению к катионам обладающим вакантными
связывающими орбиталями.
Схема 1. Области применения аммиака.
Полимерные материалы
Сырьевая база азотной промышленности
Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности являются атмосферный
воздух и различные виды топлива. Одной из составных частей воздуха является азот,
который используется в процессах получения аммиака, цианамида кальция и других
продуктов азотной технологии. В некоторых схемах синтеза аммиака не требуется выделять
азот из воздуха в чистом виде; воздух дозируют в газовую смесь для достижения
стехиометрического соотношения N
2
: Н
2
— 1 : 3. В других схемах используют и чистый
жидкий азот для тонкой очистки синтез-газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его
в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух
подвергают разделению методом глубокого охлаждения.
Поскольку ресурсы атмосферного азота огромны, то сырьевая база азотной
промышленности в основном определяется вторым видом сырья - топливом, применяемым
для получения водорода или водородсодержащего газа. До 50-х годов ХХ века заводы нашей
3
страны использовали в качестве сырья в основном твердое топливо. В настоящее время
основным сырьем в производстве аммиака является природный газ. Природный газ ряда
месторождений содержит значительное количество соединений серы. Аппараты,
применяемые для сероочистки, могут быть как радиального, так и полочного или шахтного типа.
На рис. 2 приведена схема двухступенчатой сероочистки природного газа с использова нием
полочных адсорберов
Катализаторы синтеза аммиака.
Высокую каталитическую активность в процессе синтеза аммиака проявляют металлы VI, VII
групп периодической системы, Наибольшей активностью обладает Fe, Ru, Re, Os. В
промышленности нашли применение железные катализаторы, получаемые сплавлением оксидов
железа с активатора (промоторами) и последующим восстановлением оксидов железа. В качестве
активаторов применяют оксиды кислотного и амфотерного характера — Аl
2
О
3
, SiO
2
, ТiO
2
и др., а
также оксиды щелочных и щелочно-земельных металлов — К
2
О, Na
2
O, CaO, MgO и др.
Катализаторы синтеза аммиака необратимо отравляются сернистыми соединениями и хлором.
Их концентрация в газе в сумме не должна превышать 5-10%,
Кислородсодержащие соединения (Н
2
О, СО, СО
2
) и кислород, присутствующие в
азотоводородной смеси, являются сильными каталитическими ядами, снижающими активность
катализатора обратимо. Их отравляющее действие пропорционально содержанию в них
кислорода. Если в составе свежего газа имеются кислородсодержащие примеси или масло, газ
следует вводить в цикл перед вторичной конденсацией для удаления вредных соединений
конденсирующимся NH
3.
Технологическое оформление процесса синтеза аммиака.
Агрегаты синтеза аммиака в зависимости от применяемого давления можно разделить на три
4
группы: низкого давления (10.0—16,0 МПа): давления (80,0-100.0 МПа); среднего давления
(20,0—50МПа) Раньше на установках низкого давления процесс осуществляли под давлением
10,0 МПа и при низкой температуре (400 °С). Благодаря применению активного катализатора,
состоящего из комплексной соли, содержащей цианид железа, получали 8—13% аммиака. В
настоящее время схемы синтеза под низким давлением связывают с перспективой снижения
энергозатрат, так как одной из главных статей расхода в производстве аммиака является
компрессия технологического газа и его рециркуляция. В ряде новых схем синтеза аммиака
предусматривается вести при том же давлении, что и получение технологического газа (ниже 10
МПа).
Установки высокого давления имели широкое распространение в 30—40-е годы. Процесс вели
под давлением 90—100 МПа, что позволяло получать высокую степень превращения азотоводородной
смеси в аммиак (40%). В настоящее время системы высокого давления не строятся.
В мировой азотной промышленности наибольшее распространение получили установки среднего
давления. В России эксплуатируются системы, работающие под давлением 30—36 МПа, а также
несколько агрегатов под давлением 45 МПа; строящиеся системы рассчитаны преимущественно на
давление 32 МПа.
В современных агрегатах синтеза аммиака большой единичной мощности процесс ведут на
плавленых железных катализаторах при температурах 420—500°С, давлении 25—32 МПа, объемной
скорости 15—25 тыс./ч. Съем аммиака с 1 м
3
катализатора составляет 20— 40 т/сут.
На рис.3 приведена технологическая схема синтеза аммиака.
.Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжимается в центробежном
компрессоре до давления 32 МПа и после охлаждения в воздушном холодильнике (на схеме не
показан) поступает в нижнюю часть конденсационной колонны 8 для очистки от остаточных
примесей СО
2
, Н
2
О и следов масла. Свежий газ барботирует через слой сконденсировавшегося
жидкого аммиака, освобождается при этом от водяных паров и следов СО
2
и масла, насыщается
аммиаком до 3—5% и смешивается с циркуляционным газом. Полученная смесь проходит по трубкам
теплообменника конденсационной колонны и направляется в межтрубное пространство выносного
теплообменника 4, где нагревается до 185—195°С за счет теплоты газа, выходящего из колонны
синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну синтеза.
В колонне синтеза газ проходит снизу вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и
кожухом насадки и поступает в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного
в горловине корпуса колонны синтеза. В теплообменнике циркуляционный газ нагревается до
температуры начала реакции 400—440 °С за счет теплоты конвертированного газа и затем
последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в
газе повышается до 15%. Пройдя через центральную трубу, при температуре 500—515 С
азотоводородоаммиачная смесь направляется во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330 С.
Дальнейшее охлаждение газовой смеси до 215 С осуществляется в трубном пространстве
5
подогревателя питательной воды 3, в трубном пространстве выносного теплообменника 4 до 65
0
С за
счет холодного циркулирующего газа, идущего по межтрубному пространству, и затем в аппаратах
воздушного охлаждения 7 до 40 С, при этом часть аммиака конденсируется. Жидкий аммиак,
сконденсировавшийся при охлаждении, отделяется в сепараторе 6, а затем смесь, содержащая 10—
12% NH
3
, идет на циркуляционное колесо компрессора 5 азотоводородной смеси, где сжимается до
32 МПа.
Циркуляционный газ при температуре 50
0
С поступает в систему вторичной конденсации,
включающую конденсационную колонну 8 и испарители жидкого аммиака 15. В конденсационной
колонне газ охлаждается до 18
0
С и в испарителях за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве
до —5
0
С. Из трубного пространства испарителей смесь охлажденного циркуляционного газа и
сконденсировавшегося аммиака поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, где
происходит отделение жидкого аммиака от газа и смешение свежей азотоводородиой смеси с
циркуляционным газом. Далее газовая смесь проходит корзину с фарфоровыми кольцами Рашига, где
отделяется от капель жидкого аммиака, поднимается по трубкам теплообменника и направляется в
выносной теплообменник 4, а затем в колонну синтеза 2.
Жидкий аммиак из первичного сепаратора проходит магнитный фильтр 16, где из него выделяется
катализаторная пыль, и смешивается с жидким аммиаком из конденсационной колонны 8. Затем его
дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиака 11. В результате
дросселирования жидкого аммиака до 4 МПа происходит выделение растворенных в нем газов Н
2
, N
2
,
О
2
, СН
4
. Эти газы, называемые танковыми, содержат 16—18% NH
3
. Поэтому танковые газы направляют
в испаритель 12 с целью утилизации аммиака путем его конденсации при —25
0
С. Из испарителя
танковые газы и сконденсировавшийся аммиак поступают в сепаратор 13 для отделения жидкого
аммиака, направляемого в сборник жидкого аммиака 11.
Для поддержания в циркуляционном газе постоянного содержания инертных газов, не
превышающего 10%, производится продувка газа после первичной конденсации аммиака (после
сепаратора 6). Продувочные газы содержат8-9% NH
3
, который выделяется при температуре -25...-30 X.
в конденсационной колонне 9 и испарителе 10 продувочных газов. Смесь танковых и продувочных
газов после выделения аммиака используют как топливный газ.
Рис. 3. Технологическая схема блока синтеза аммиака
6
1 — подогреватель газа; 2 — колонна синтеза аммиака; 3 — подогреватель воды; 4 — выносной
теплообменник- 5 — циркуляционное колесо компрессора; 6—сепаратор жидкого аммиака; 7 —
блок аппаратов воздушного охлаждения; 8 — конденсационная колонна:9 — конденсационная
колонна продувочных газов; 10 — испаритель жидкого аммиака на линии продувочных газов;
11 - сборник жидкого аммиака; 12— испаритель жидкого аммиака на линии танковых газов;
13 - сепаратор;14 - промежуточная дренажная емкость; 15 испарители жидкого аммиака; 16 —
магнитный фильтр
Метанирование.
Тонкую очистку азотоводородной смеси от СО и СО
2
на современных установках синтеза ведут
каталитическим гидрированием этих соединений до метана в агрегате метанирования. Процесс
основан на следующих реакциях:
СО + ЗН
2
= СН
4
+Н
2
О; Н = —206,4кДж
СО
2
+4Н
2
= СН
4
+ 2Н
2
О; Н= —165,4 кДж
0,5О
2
+ Н
2
= Н
2
О; Н= -241,6 кДж
Гидрирование осуществляют на катализаторе при 250—350 °С. В этих условиях реакции
практически необратимы и идут до конца с выделением большого количества теплоты. В
качестве катализатора метанирования применяют предварительно восстановленный никель-
алюминиевый катализатор. Катализатор выпускают в виде таблеток размером от 4—5 до 8-10 мм
Схема процесса метанирования: газ под давлением 2,7—2,8 МПа подается в теплообменниках
до 300 °С парогазовой смесью и подается сверху в реактор метанирования . Это вертикальный
цилиндрический сосуд диаметром 3,8 м и высотой 7,6 м, в котором размещают до 40 м
3
катализатора. Очищенная азотоводородная смесь нагревается за счет теплоты реакции
гидрирования до 350 С. свою теплоту, проходя последовательно подогреватель воды высокого
давления, подогреватель воды низкого давления и воздушный холодильник. Затем газовую
смесь направляют во влагоотделитель для удаления воды, сконденсировавшейся при
охлаждении. При температуре 35°С азотоводородная смесь поступает на сжатие в компрессор
высокого давления и далее на синтез аммиака.
Процесс метанирования отличается простотой, легкостью управления, хорошо сочетается с
энерготехнологической схемой синтеза аммиака.
Оборудование агрегата.
Колонна синтеза. Наибольшее распространение получили аксиальные четырехполочные
насадки с предварительным теплообменником и трехполочные с выносным теплообменником.
Четырех полочная колонна с аксиальными насадками. Основной поток газа поступает в
7
колонну снизу, проходи по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом катализатор ной
коробки и поступает в межтрубное пространство теплообменника . Здесь синтез-газ нагревается
конвертированным газом до 420—440°С и проходит последовательно четыре слоя катализатора,
между которыми подается холодный байпасный газ. После четвертого слоя катализатора газовая
смесь при 500—515 °С поднимается по центральной трубе, проходит по трубкам теплообменника ,
охлаждаясь при этом до 320—350 °С, и выходит из колонны.
Ниже приведена технологическая характеристика колонны:
Давление, МПа................................. 31,5
Рабочая температура, °С............... 300—520
Диаметр (внутренний), мм......... 2400
Высота, м........................................... 32
Толщина стенок, мм........................ 250
Объем катализатора по полкам I—IV, м
3
. . 7 ; 8.4; 12,8; 14,7
Конденсационная колонна — вертикальный цилиндрический аппарат с внутренним
диаметром 2м и высотой 18,89м состоит из теплообменника и сепаратора, размещенного под
теплообменником. Охлаждаемый газ идет по межтрубному пространству, а газ после
сепарации аммиака — по трубкам.
Газ, охлажденный в испарителе, через нижний штуцер поступает в сепарационное устройство, в
котором создается вращательное движение; при этом частицы жидкости отделяются от газового
потока, собираются в нижней части аппарата и непрерывно выводятся. Газ поднимается вверх,
проходит отбойник 3, состоящий из слоя колец Рашига, и, проходя трубное пространство, отдает
свой холод. Свежий газ, входящий через боковой штуцер в нижней части аппарата, барботирует
через слой жидкого аммиака, освобождаясь от паров воды и CO
2
.
Охрана окружающей среды в производстве аммиака.
Крупнотоннажное производство аммиака характеризуют следующие выбросы в окружающую
среду:
1) газовые, содержащие в своем составе аммиак, оксиды азота и углерода и другие примеси;
2) сточные воды, состоящие из конденсата, продуктов промывки реакторов и систем
охлаждения;
3) низкопотенциальную теплоту.
Относительная концентрация токсичных примесей производства аммиака в виде оксида
углерода и оксидов азота в отходящих газах насадки невысока, но для устранений даже
незначительных выбросов разрабатываются специальные мероприятия. Полное исключение
токсичных выбросов возможно при использовании каталитической очистки в присутствии газа-
восстановителя, когда происходит восстановление оксидов азота до элементного азота.
8
В результате воздушного охлаждения и замены поршневых. компрессоров турбокомпрессорами
значительно уменьшилось потреб воды на 1 т NH
3
, что привело к существенному снижению
количество сточных вод
(~ в 50 раз).
Низкопотенциальную теплоту удается утилизировать поышением ее потенциала; это
достигается вводом некоторого количества высокопотенциальной теплоты. Но этот путь получения
механической энергии связан с увеличением загрязненности воздушного бассейна дымовыми
газами.
Одним из способов уменьшения выбросов и повышения эффективности производства аммиака
является применение энерготехнологической схемы с парогазовым циклом, в котором в качестве
рабочей теплоты используется не только теплота водяного пара, но и продуктов сгорания
топлива
Материальный баланс синтеза аммиака контактным методом
Исходные данные:
Степень превращения NH
3
= 0,85
Производительность 60 т/сут.
Получение аммиака контактным методом протекает по реакции: N
2
+3H
2
= 2NH
3
(1)
Расчет:
Производительность составляет 60 т/сут. = 60000/24 = 2500 кг/час жидкого аммиака
Тогда количество образовавшегося аммиака с учетом степени превращения составляет:
G (NH
3
) = 2500/0.85 =2941.17 кг/час.
Количество затраченного азота и водорода рассчитаем в соответствии с уравнением реакции (1)
G (N
2
) =G(NH
3
)*M(N
2
)/2M (NH
3
) =2941.17*28/2*17 = 2422.14 кг/час
G (H
2
) = 3G(NH
3
)*M(H
2
)/2M (NH
3
) = 3*2941.17*2/2*17 = 519.03 кг/час
Материальный баланс получения аммиака контактным методом
приход Кг/час расход Кг/час
NH
3
2941,17 N
2
2422.14
H
2
519.03
кг
сумма 2941,17 сумма 2941,17
9
Список литературы
1. Кутепов А. М.,Бондарева Т. И. Общая химическая технология – М.: Высшая школа, 1990.
2. Атрощенко В. И., Каргин С. И. Технология аммиака - М. Химия, 1970.
10