| Параметр | Значение |
| Производительность | 250 т в сутки |
| Объемная скорость смеси в колонне | 25 000 нм3/м3*час |
| Давление в синтез колонне | 300 атм |
| Температура синтеза | 500 С0 |
| Обьем катализатора в колонне | 4,8 м3 |
| Содержания аммиака в газе на выходе из колоны синтеза | 16 % |
| Содержания газов метана и аргона в свежем газе | 0,2% |
| Содержания газов метана и аргона в циркуляционном газе при выходе с клоны синтеза | 2,5% |
| Температура первичной конденсации | 28 С0 |
| Температура вторичной конденсации | 0 С0 |
1.Производительность агрегата в час
250000/24=10416 кг/час
Дальнейший расчет производим на часовую производительность
2.Полезная производительность 1м3 катализатора в час
10416/4,8=21,7 кг/час на 1м3 катализатора
3.При объемной скорости на входе 25000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора объемная скорость на выходе составит около 22000 нм3 /ч на 1 м3 катализатора . При 500 С0 и 300 ат содержание аммиака в газе в лабораторных условиях 22 %
4.Содержание аммиака в газе ,поступающем в колонну синтеза , определяется условиями вторичной конденсации 0 С0 и давлении 280 ат концентрация аммиака определяется по формуле Ларсона и Блека:
lg4 CNH3=4,1856+5,987879/(P)1/2-1099.544/T=
=4,1856+5,987879/(2802-1099.544/273,15=0.5
4 CNH3=3.16%
5. Эффективное давление в колонне находим по уравнению
Pэф = 300 * (1 – 0,025) * (1 – 0,0316) = 283 ат
6. При 300 ат. и 5000С равновесная концентрация аммиака 26,44%, а при 283 ат она равна 25%.
7. Поправочный коэффициент на снижение эффективного давления. – 25/26,44 = 0,946
8. Концентрация аммиака на выходе из колонны с учётом поправочного коэффициента
CNH3=0,946 * 22 = 20,8%
9. Производительность 1 м3 катализатора. На каждый кубический метр катализатора поступает W нм3/ч газовой смеси.
Формула для определения количества образовавшегося в колонне аммиака имеет вид –
(6 СNH3-4СNH3-)*0.7710/100+1.03*6 СNH3кг NH3 на 1 нм3 поступающей газовой смеси.
Отсюда рпи поступлении 4Wнм3/ч газовой смеси производительность катализатора (в расчете на 1 м3) составит
(20,8—3,16)*25000*0,7710/100+1,03*20,8=2808 кг/ч
10.Для получения 10416 кг аммиака в колонну должно поступать газовой смеси
4v =10416(100+1,03*20,8)/(20,8-3,16)*0,7710=92736,3 нм3
11.Состав поступающей газовой смеси..По условию ,в газовой смеси,поступающей в колонну синтеза ,содержится 2,5 % аргона и метана.
Допустим ,что
4 САr= 1.05 и 4 CCH4=1,45
Концентрация аммиака 3,16% .Тогда сумма водорода и азота будет
100-(1,05+1,45+3,16)=94,3%
Допускаем,что на входе в колонну соотношения водорода и азота соответствует стехиометрическому, а с учетом нескольких больших потерь водорода по сравнению с азотом -3,007:1.Таким образом; концентрация азота
4СN2= 94.3/3.007+1=23.7
Водорода
4СH2= 94,3-23,7=70,6
В поступающем газе содержится :
Аммиака 4 vNH3=4v*4 vNH3=92736,3*0,0316=2930,5 нм3,или 2256,5кг
Водорода 4 vH2=92736,3*0,706 =65472 нм3,или 5827 кг
Азота 4 vN2=92736,3*0,237=21978,4 нм3,или27473 кг
Аргона 4 vАr 92736,3*0,0105=973 нм3или 1733 кг
Метана 4 vСH4=92736,3*0,0145=1344,6 нм3,или 964 кг
Общая масса газов -38254 кг
12.Состав газовой смеси после колонны синтеза. По условию ,в колонне синтеза образуется 10416 кг ,или 13527 нм3,тогда по реакции
xy 10416
N2 +3 H2 – 2NH3
28 32 2*17
X=28*10416/2*17=8577.9(кг)- количества азота или 6862 нм3 азота
У=10416*3*2/2*17=1839,1 (кг)- количества водорода или 20653 нм3водорода
В газовой смеси на выходе из колонны содержится
Аммиака------------2256,5+10416=12672,5 кг или 2930,5+13527=16457,5 нм3
Водорода------------5827-1838,1=3988,9 кг или 65472-20653=44919 нм3
Азота-----------------27473-8577,9=18895,1 кг или 21978,4-6862=15116,4 нм3
Аргона -------------- 1733 кг или 973 нм3
Метана-------------- 964 кг или 1344,6 нм3
Общий объем газовой смеси—78710,5 нм3
13.Количество аммиака ,конденсирующегося в водяном холодильнике, и количество растворенных в нем газов .В газовой смеси , при температуре 28 и давлении с учетом потерь 290 атм ,должно содержатся 7,66 NH3
Объем газов ,кроме NH3, 78710,5-16457,5=62253 нм3
Объем газообразного NY3 62253*7,66/100-7,66=476858/92,34=5164,15 нм3
Конденсируется 16457,5-5164,15=11293,35 нм3,или 8696 кг NH3
Общий объем несконденсировавшихся газов : 62253+5164,15=67417,15 нм3
Парциальные давления газов( в ат)
H2----------290*44819/67417,15=192,8
N2-----------290*15116,4/67417,15=65
Ar-----------290*973/67417,15=4,19
СH4---------290*1344,6/67417,15=5,79
При 280 С и найденных парциальных давления в 1000 кг жидкого NH3 растворяется 19,57 нм3 водорода, 6,35 нм3 азота ,0,65 нм3 аргона 1,72 нм3 метана.
Тогда в 8696 кг NH3, растворяется ;
Водорода ------8696*19,57/1000=170 нм3
Аргона-----8696*0,65/1000=5,65 нм3
Азота----------8696*6,35/1000=55,2 нм3
Метана------8696*1,72/100=15 нм3
Остается в газообразном виде ;
H2----------44819-170=44649 нм3
N2-----------15116,4-55,2=15061,2 нм3
Ar-----------973-5,65=967,36 нм3
СH4---------1344,6-15=1329,6 нм3
Общий объем газов -62007,15 нм3
Объем NH3 ,присутствующий в газообразном виде 62007,15*7,66/100-7,66=5144 нм3 или 3961 кг
Конденсируется 16457,5-5144=11313,5 нм3 или 7603,5 NH3
Общий объем газов : 62007,15 +5144=67151,15 нм3
Парциальные давления газов (в ат):
H2----------290*44649/67151.15=192.9
N2-----------290*15061,2/67151,15=65
Ar-----------290*967,35/67151,15=4,17
СH4---------290*1329,6/67151,15=5,74
Таким образом, после водяного холодильника паро-жидкостная смесь имеет следующий состав
| Компонент | жидкость | газ | |||
| кг | нм | кг | нм | % по объему | |
| Аммиак | 7635 | 11313,5 | 3961 | 5144 | 7,66 |
| Водород | 15,13 | 170 | 3974 | 44649 | 66,5 |
| Азот | 69 | 55,2 | 18826,5 | 150261,2 | 22,4 |
| Аргон | 9 | 5,05 | 1722 | 967,35 | 1,4 |
| Метан | 11 | 15 | 953 | 1329,6 | 2,04 |
| Всего | 8815,13 | 11558,75 | 29439,5 | 67151,6 | 100 |
14 Количество газов,растворенных в жидком аммиаке ,вторичной конденсации .Принимаем ,что из 10416 -7635=1705 кг NH3,которые ещё должны быть выделены ,92,5%
выводятся из системы в испаритель жидком виде .При этом допущении в виде ждкости выводится 1705*0,925=1577 кг NH3
Ориентировочно можно принять ,что в таком количестве NH3 растворится 17 нм3 H2, 6 нм3N2, 1 нм3 Ar, 3 нм3 СH4
15.Количество продувочных газов . Для получения 10416 кг NH3 нужно 20653 нм3H2 и 6862 нм3N2.Всего надо 27515 нм3 смеси H2 и N2. или
27515*100/74,29+24,75=27781 нм3 свежей водородной смеси
Обозначим резервный объем через х .Тогда общий объем свей смеси
27 781+ x, где
H2----------20650+x*0.7429 нм3
N2-----------6965+x*0.2475 нм3
Ar-----------104+x*0.0038 нм3
СH4--------162+x*0.0058 нм3
Всего 27781+х
Из этого количества расходуется на синтез аммиака и удаляется с растворенными газами.
20653+170+17=20840 нм3 водорода
6862+55,2+6=6932,2 нм3азота
5,65+1=6,65 нм3аргона
15+3=18 нм3 метана
При продувке должно быть удалено :
20650+x*0.7429 нм3-20840= x*0.7429-190 нм3 водорода
6965+x*0.2475 нм3-6923,2= x*0.2475-58,2 нм3 азота
104+x*0.0038 нм3-6,65= x*0.0038 +97,35 нм3аргона
162+x*0.0098 нм3-18= x*0.0058+144 нм3 метана
Обозначим общий объем продувочных газов через у .Тогда количество удаляющихся газов:
Аммиака---у*0,0766 нм3
H2----------у*0,665 нм3
N2-----------у*0,224 нм3
Ar-----------у*0,014 нм3
СH4--------у*0,0204 нм3
Приравниваем количество продувочных газов ,выраженных через х и у .
Получим
для H2---------- x*0.7429-190= у*0,665 нм3
для N2----------- x*0.2475-58,2 нм3= у*0,224 нм3
для Ar----------- x*0.0038 +97,35= у*0,014 нм3
для СH4-------- x*0.0058+144 нм3= у*0,0204 нм3
x*0.7429-190= у*0,665 x*0.2475-58,2 нм3= у*0,224
x*0.0038 +97,35= у*0,014x*0.0058+144 нм3= у*0,0204
у=9275 нм3 у1=9563 нм3
х=8558 нм3 х1=8890 нм3
Определим среднее значение х=8724 нм3
У=9419 нм3
В объеме 9419 нм3 содержится
NH3—0,0766*9419=721 нм3 или 555,5 кг
H2—0,665*9419=6263 нм3 или 557,4 кг
N2---0,224*9419=21709 нм3 или 2637 кг
Ar—0,014*9419=131 нм3или 234 кг
СH4—0,0204*9419=192 нм3 или 137,7 кг
16.Количество циркулирующего газа :
NH3—5144-721=4423 нм3 или 3961-555,5=3405,5 кг
H2—44649-6263=38386 нм3 или 3974-557,4=3416,6 кг
N2---15061,2-2109=1295,2 нм3 или 18826,5-5637=16189,5 кг
Ar—967,35-131=833,35 нм3 или 1722-234=1488 кг
СH4—1329,6-192=137,6 нм3 или 953-137,7=815,3 кг
17.Количество свежей азотно-водородной смеси, подающийся на синтез.
Общий объем 27781+8874=36505 нм3
В ней содержится
H2—0,7429*36505=27120 нм3 или 2413 кг
N2---0,2475*36505=9035 нм3 или 11293 кг
Ar—0,038*36505=138,71 нм3 или 246,9 кг
СH4—0,0058*36505=211,72 нм3 или 151,8 кг
8000 нм3 -1 кг H2О
36505 нм3-х кг H2О х=36505*1/8000=4,56 или 6,08 нм3 паров воды
18.Количество водородной смеси после смещения циркулирующего и свежего газов;
NH3—4423 нм3 или 3405 кг
H2—38386+27420=65506 нм3 или 3416,6+2413=5829,6 кг
N2—12952,2+9035=21987,2 нм3 или 16189,5+11293 кг=27482,5
Ar—836,35+138,71=975,06 нм3 или 246,9+1488=1734,9 кг
СH4—1137,6+211,72=1349,32 нм3 или 151,8+815,3=967,1 кг
Общий объем газов – 94241 нм3
19. Количества аммиака ,конденсирующегося в колонне.
Учитывая ,что объем газов, за исключением аммиака ,составляет 94241-4423=89818 нм3,находим объем газообразного аммиака;
89818*3,16/100-3,16=2930,86 нм3
Конденсируются в жидкость
4423-2930,86=1492,14 нм3 или 1148,94 кг, аммиака
Объем оставшихся газов