Оптимизация технологии вторичного риформинга агрегата синтеза аммиака

Этот процесс аналогичен "Kellogg".Сжатая азотно-водородная смесь охлаждается и промывается жидким аммиаком в конденсационной башне (позиция 605 рис.6)для удаления воды, углекислого газа и остатков масла. Затем она смешивается с циркулирующим газом после прохождения через компрессор и послевоздушный охладитель.Применение изображённой на рисунке 6605 действенно для обеспечения защиты катализатора от отравления водяным паром и также от отравления серой непосредственно в компрессорном сингазовом масле.В промышленной сфере деятельности мы знаем случаи, когда масляные уплотнения в компрессорах синтетического газа не работали должным образом или масло, налипало на катализатор в результате небрежной эксплуатации компрессора в период его запуска.Далее приведем рисунку 6, иллюстрирующий движение циркулирующего газа через различные компоненты системы:КомпонентДействиеТеплообменник в конденсационной башнеЦиркулирующий газ проходит через межтрубную полость и охлаждается, проходя трубную секцию аммиака 606.Сепарационная секция башни 605Газ поз. 606 смешивается со свежим газом в сепарационной секции башни.Удаленный теплообменник поз.612Циркулирующий газ направляется в удаленный теплообменник, где он нагревается до 195˚С за счет поступающего газа и передается в башню синтеза поз 601.Башня синтеза поз. 601Газовая смесь поднимается вверх через верхний теплообменник, отдавая часть тепла синтез-газу центрального хода.Подогреватель питательной воды поз. 603Газоваясмесь, с объемной долей аммиака 14,5%,и охлажденная до 310-340˚С поступает в подогреватель питательной воды,гдеонаохлаждается до температурыне более 240°C.Трубная полость выносного теплообменника поз. 602Реакционная смесь проходит через трубную полость выносного теплообменника, где дальше попадает в конденсатор воздушного охлаждения и конденсирует аммиак.Конденсатор воздушного охлаждения поз. 604В конденсаторе воздушного охлаждения газ охлаждается газом до 65-75˚С, происходит конденсация аммиака. Сконденсированный аммиак отделяется в сепараторе поз. 621.Сепаратор поз. 621Сепаратор отделяет сконденсированный аммиак, а газ с объемной долей аммиака около 11-12% направляется на всасывание циркуляционного колеса синтез-газ компрессора поз. 401Конденсационная колонна поз. 605Смешанныйгаз охлаждаетсявконденсационной колонне поз.605 иаммиачномхолодильномиспарителе,гдециркулирующийгазохлаждаетсяиспарениемаммиака. Конденсационная колонна конденсирует аммиак из охлажденного газа.Испаритель аммиака поз. 606Циркулирующийгаз поступает в конденсационную колонну поз. 605, проходитчерез трубчатый теплообменник,охлаждаетсясмесьюциркулирующегогазаисвежегосинтез-газа,и поступает вредкийиспаритель аммиака.Абсорбционныехолодильныеагрегаты (АХУ-А и АХУ-Г)Хладагент, газообразный аммиак из межтрубного пространства испарителя поз.606, направляется в два абсорбционных холодильных агрегата, где он охлаждается, сжижается и возвращается в испаритель поз.606.Рисунок 7 — движение циркулирующего газа через различные компоненты системы:Каждая строка рисунка представляет отдельный компонент, а столбцы содержат описания этапов прохождения газа через каждый компонент. 2.3 Технологические расчеты2.3.1. Термодинамический анализПроведем термодинамический анализ для реакции синтеза аммиака в производстве аммиака, ключевым компонентом реакции будет являться аммиак.Таблица 3. - Термодинамические параметры веществ.ВеществаNH3 (г)-45,94192,66N2 (г)0191,5H2 (г)0130,61. Найдем изменение энтальпии реакции при стандартных условиях:;ΔН˚298 = -45,94+0+0=-45,94 2. Определим изменение энтропии реакции:;ΔS˚298 = 1* 192,66 - * 130,6 - * 191,5 = -98,87 3. Определим изменение энергии Гиббса:;ΔG˚273= -45940 -273 К * (-98,87)= -18948 ;ΔG˚373= -45940 -373 К * (-98,87)= -9061 ;ΔG˚473= -45940 -473 К * (-98,87)= 825 ;ΔG˚573= -45940 -573 К * (-98,87)= 10712 ;ΔG˚673= -45940 -673 К * (-98,87)= 20599 ΔG˚823= -45940 -823 К * (-98,87)= 35430 ΔG˚923= -45940 -923 К * (-98,87)= 45317 ΔG˚1023= -45940 -1023 К * (-98,87)= 55204 На основании полученных данных, построим график, отражающий зависимость ΔG от температуры (рис. 8).Рис. 8 – Зависимость ΔG от температуры Реакция обратима на интервале температур, поэтому рассчитаем температуру инверсии.Тинв. == = 465 КИз графика очевидно, что с увеличением температуры ΔG также увеличивается. Значит, при повышении температуры равновесие сдвигается в сторону обратной реакции, а при понижении температуры – в сторону прямой.2.3.2 Материальный баланс синтеза аммиакаОбъемная скорость смеси в колонне = 1000 Нм3/ч. Используя литературные данные, определим количество веществ, которые будут на входе в колонну синтеза и рассчитаем степень превращения, чтобы полученный материальный баланс совпал с литературными данными на выходе.Таблица 4. – Литературные данные материального балансаСырьеНа входеНа выходеNH3(г)2,8%17,5%H2 (г)66,0%54,3%N2(г)22,0%18,1%CH44,2%5,1%Ar5,0%5,0%Cумма100,0%100,0%Расчеты проводились с использованием программы Excel из пакета MS Office 2016.Таблица 5 – Результаты материального балансаНа входеНа выходеСырьемол.долиНм3/чкг/чНм3/чмол.долиNH3(г)2,80%2821,25150,257117,1%H2 (г)66,00%66058,93476,614454,3%N2(г)22,00%220275,00158,871518,1%Ar5,00%5089,29505,7%Сумма1,0000474,46100,0%Расход1000877,74 По итогам материального баланса мольное содержание сырья на выходе практически совпало с литературным.2.3.3. Тепловой баланс На основе материального баланса рассчитаем тепловой. Так как наша реакция является экзотермической и протекает в адиабатном реакторе, то для нас будет актуально данное уравнение:QФИЗ.ВХ + QХР = QФИЗ.ВЫХ + QПОТЕРЬ.Воспользуемся температурой, взятой из литературных данных, на входе: 128⁰С и на выходе 330⁰С. Полученная температура в тепловом балансе на выходе должна сойтись с литературной. Рассчитаем в Exсel теплоемкости для всех веществ, а также теплоты потоков для составления теплового баланса.Полученные данные приведены ниже:Таблица 6 – Результаты теплоемкостиРасчет теплоемкостиВход, Дж/моль*КВыход, Дж/моль*КNH3(г)38,9842,18H2 (Г)28,9029,14N2(г)29,5930,06CH441,5047,96Ar20,0020,00Ср смеси, Дж/моль*К29,4231,92Таблица 7 – Результаты теплового балансаПриходРасходкВт%кВт%Теплота, вносимая потоком146,2867,75Теплота, уносимая потоком211,6198,00Теплота химических реакций69,6532,25Потери4,322,00Итого215,93100Итого215,931002.3.4. Материальный баланс комбинированного реактораИсходные данные для расчета:Произво-стьуст-ки, тыс. т/сутки (Gобщ)1750Раб. дни330Показатель объемной скоростиазото-водородной смеси (WАВС), нм3/м3× ч 30000Давл.во время синтеза (Р)25 Мн/м2Темп. процесса синтеза (tсинтеза)350-5000ССодержание NH3 непосредственно в газе на выход. из колонны син-за:max (на свеж катализаторе) nтах17%min (перед осуществлением перезаряд-икатализат-й.кор-и) nтiп 10%Объем катализатора в катализаторной коробке колонны синтеза (Vкатализатора)4,8м3Включение инертных газов (СН4 + Ar) непосредственно в свеж. газе nCH4 в св.газе     0.3%Темпе—аперв.газовой конденсации непосредственно на выход. из водяного холод-ка и сепар-аво время1-йконден-цииt1    280˚СТемп.2–й газовой конден-ции на выход. из 2-го (аммиачного) холодильника, а также сепаратора t2      0˚СОбъемный поток газа (V1 нм3/ч) в колонну синтеза (из сепаратора вторичной конденсации) определяется объемной скоростью (WАВС) и количеством заполненного катализатора (Vкатализатора). V1 = WАВС × Vкатализатора=30000*4.8=144000 нм3/чТаблица 8. Материальный баланс реактора комбинированного типаПриходм3/чРасходм3/чВодород (Н2)86574Водород (Н2)156789Угарный газ (СО)12345Угарный газ (СО)55436Углекислый газ (СО2)12876Углекислый газ (СО2)30987Метан (СН4)10876Метан (СН4)965Вода (Н2О)97654Вода (Н2О)1023454-х канальный смесительМетан (СН4)22000Кислород (О2)20000Углекислый газ (СО2)9000Вода (Н2О)9000ИТОГО280325ИТОГО346522Данный материальный баланс отражает конфигурацию КГ комбинированного реактора вовремя работы реактора с оптимальным соотношением пар: газ в первичном реформере. Таблица 9. Тепловой баланс комбинированного реактораПриход, кДжРасход, кДжΣQф = 401676ΣQф = 750943ΣНр=26489Qпотерь=6707ΣНр=329485757650757650Qпотерь=6707*100%/757650 = 0,88 %. Это означает, что тепловой расчет проведен, верно.ЗАКЛЮЧЕНИЕНа основании проанализированных данных сделаемтакие главные выводы:- среди схем синтеза аммиака наиболее подходящей для дальнейшей модернизации представляется схема производства давления (высокого уровня) и высокой производительности (1750 т/сутки);- были проведены расчеты материального, теплового и термодинамического анализа синтеза аммиака.СПИСОКИСПОЛЬЗОВАННЫХИСТОЧНИКОВАхметов,Н.С.Общаяинеорганическаяхимия[Текст]: учебноепособие/ Н.С.Ахметов.—М.:Высшая школа,2001.–337с.2. Балабоков О.С.Очисткагазоввхимическойпромышленности.Процессы и аппараты [Текст] / О.С. Балабоков, Л.Ш. Балтабаев. – М.:Химия,2011. –256с.3. Белов, С. В. Охрана окружающей среды [Текст]: учебное пособие / С.В.Белов.– М.:Высш.шк.,2011.–319с.4. Бродянский,В.М.Вопросытермодинамическогоанализа[Текст]:учебноепособие /В.М.Бродянский.-М.:“Мир”,2010.–275 с.5. Буданов Ю.Н. Инструкции по охране труда и пожарной безопасностидляработающих вОАО«Тольяттиазот».–Тольятти, 2002.– 136с.6. Гринберг, Я.И. Проектирование химических производств [Текст] / Я.И.Гринберг.М.:Химия, 2010.– 83с.7. ГумеровА.М.Математическоемоделированиехимико-технологических процессов [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А. М.Гумеров.-Изд.2-е,перераб.-Санкт-Петербург :Лань,2014.-176 с.:ил.8. Гущин, А.Д. Каталитическая конверсия природного газа [Текст] / А.Д.Гущин.– М.: “Химия”, 2010.– 232с.9. Демиденко,И.М.Катализаторыипроцессысихприменениемвазотнойпромышленности[Текст]/И.М.Демиденко.–Горловка,2018.– 183с.10. ДолинП.А.Справочникпо техникебезопасности[Текст]/П.А.Долин.–М: "Энергоиздат",2002.–303с.11. Дытнерский,Ю.И.Основныепроцессыиаппаратыхимическойтехнологии:пособиепопроектированию[Текст]/.Ю.И.Дытнерский.–М.:Химия,2013.– 546с.12. ДытнерскийЮ.И.Основныепроцессыиаппаратыхимическойтехнологии[Текст]/Ю.И.Дытнерский.− М.:Химия,2013.− 272 с.13. КиперманС.Л.Основыхимическойкинетикивгетерогенномкатализе[Текст]/ С.Л.Киперман.–М.:“Химия”,1979. – 352 с.:ил.14. Кобринец В.П.Автоматика,автоматизацияиавтоматизированныесистемыуправлениятехнологическимипроцессами[Текст]:учеб. -метод.пособие/В.П.15. Кобринец,В.Д.Лебедев,В.Я.Максимов.–Минск,БГТУ,2007. – 83с.16. КноррингГ.М.Справочнаякнигадляпроектированияэлектрическогоосвещения[Текст]/Г.М.Кнорринг.-СПб.: Энергия, 2016.– 384 с.17. Кощулько Л.П.,СуляеваН.Г.Производственноеосвещение[Текст]/Л.П.Кощулько, Н.Г.Суляева.– Алма-Ата,2009.– 186с.18. КузнецовЛ.Д.Синтезаммиака[Текст]/Л.Д.Кузнецов.–М.:“Химия”,2002. –296с.,ил.19. КутеповА.М.Общаяхимическаятехнология[Текст]/А.М.Кутепов.–М.: «Высшаяшкола»,2000. –522 с.20. Лейбуш,А.Г.Производствотехнологическогогазадлясинтезааммиака и метанола из углеводородных газов [Текст] / А.Г. Лейбуш. –М.:“Химия”,2011.– 288с.21. Основные процессы и аппараты химической технологии [Текст] / Подред.Ю.И.Дытнерского.– М.:Химия,2001.–496с.22. Охрана труда в химической промышленности [Текст] / Г.В. Макаров [идр.]; подобщ.ред.Г.В.Макарова.– М.:Химия,1989. –495с.23. Павлов,К.Ф.Примерыизадачипокурсупроцессовиаппаратовхимическойтехнологии[Текст]/К.Ф. Павлов,П.Г.Романков,А.А.Носков.– Л.:Химия, 2001.– 576с.24. ПавловК.Ф.Примерыизадачипокурсу«Процессыиаппаратыхимической технологии [Текст] / К.Ф. Павлов, А.А.Романков, А.А.Носков.– СПб.:“Химия”, 1981. –321с.25. Патент RU2695164C2 Процесс синтеза аммиака/ Российский патент 2019 года по МПК C01C1/04 C01B3/02 C01B3/32.26. Позин М.Е. Расчеты по технологии неорганических веществ [Текст]:учеб.пособие/Б.А.Копылев,Г.В.Бельченко,Л.Я.[идр.];подобщ.ред.М.Е.Позина.– Л.:Химия,1966. –640с.27. Полоцкий,Л. М.Автоматизацияхимическихпроизводств.Теория,расчетипроектированиесистемавтоматизации[Текст]:/Л.М.Полоцкий, Г.И. Лапшенков; под ред. Л.М. Полоцкого. – М.: Химия,2012.– 256с.28. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающихпод давлением [Текст]: МНПАГПАН–3.01.08.–Минск,2008–148с.29. Практическая химическая кинетика [Электронный ресурс]: Химическая кинетика в задачах с решениями: учеб. пособие / под общ. ред. М. Я.Мельникова. - Москва: Моск. гос. ун-т им. М. В. Ломоносова, 2006. - 591 c.:ил.30. Ривкин, С. Л.Термодинамические свойства газов[Текст]/С. ЛРивкин.–М.: Энергоатомиздат,2007.–288 с.31. Садчиков, И.А. и др. Экономика химической отрасли [Текст]: учебноепособие для вузов / И.А. Садчиков, и др. – СПб.: Химиздат, 2000. – 384с.32. СемиохинИ.А.Кинетикахимическихреакций[Текст]:учебноепособие/И.А.Семиохин,Б.В.Страхов,А.И.Осипов–М.:Изд-воМГУ,2015. – 351с.:ил.Семенов В.П. Производство аммиака [Текст] / В.П. Семенов. – М.:“Химия”,2015. -231с.33. СмышляеваЕ.Г.Экономическаяэффективностьпроектапореконструкции химического производства [Текст]: метод указания повыполнению курсовой работы / Е.Г. Смышляева. – Тольятти : ТГУ,2008.– 36с.34. СтепановА.П.Получениеводородаиводородсодержащихгазов[Текст]/ А.П.Степанов.– М.:“Науковадумка”, 2012.– 297 с.35. ТетеревковА.И.Оборудованиезаводовнеорганическихвеществ[Текст]:сборникзадач/А.И.Тетеревков,В.В.Печковский,Л.В.Новосельская.– Минск.: Высшаяшкола,1984.–96с.36. Халилов А.Ж. Разработка системы усовершенствованного управления процессом синтеза аммиака/ UDC 62-503.56 Вестник науки и образования № 13(91). Часть 3. 2020.37. Челноков А.А. Охрана труда [Текст] / А.А. Челноков, Л.Ф. Ющенко. –Минск:Высшая школа,2006. –463с.нормативныедокументы:38. PatilB.S, HesselV, SeefeldtLC, DeanDR, HoffmanBM, CookBJ, etal. Nitrogenfixation. In: Ullmann’s encyclopedia of industrial Chemistry; 2017.39. DmitriyAkishin, ArtemLebedskoy-Tambaev, Anton Korovyakov. Russian Gas Chemical Industry. Part 2. Ammonia: Proceed at Your Own Risk. July 2020.40. Gin, D. L., and Noble, R. D. (2011). Chemistry. Designing the next generation of chemical separation membranes. Science 332, 674–676. doi: 10.1126/science.41.Wu, Z., Faiz, R., Li, T., Kingsbury, B. F. K., and Li, K. (2013). A controlled sintering process for more permeable ceramic hollow fibre membranes. J. Membr. Sci. 446, 286–293. doi: 10.1016/j.memsci.2013.05.040.42. https://www.freepatentsonline.com/43.https://eclass.upatras.gr/modules/document/file.php/CMNG2109/3_Industrial%20production%20of%20NH3-HNO3-H2SO4_new.pdf44. https://proplast.ru/articles/tehnologiya-sinteza-ammiaka-apparatnoe-obespecheni/ПРИЛОЖЕНИЕПРИЛОЖЕНИЕПРИЛОЖЕНИЕПРИЛОЖЕНИЕТаблица 10.Патент: «Способы получение АВС из газов»Предмет поиска (тема, объект, его составные части)Цель поиска информации (для технических проблем(показателей))Страна поискаКлассификационный индексАвторы Наименование источниковСпособ получения азотоводородной смесиСнижение остаточного аммиака в выходящем газеРоссия,(СССР до 1992 г.),Опубликовано 15.10.1982г.SU 965488 A1Голосман Евгений Зиновьевич,Ефремов Василий Николаевич,Кондращенко Виталий Даниловичhttps://yandex.ru/patents/doc/SU965488A1_19821015