Розділ 32.Розрахунок поличних колон синтезу аміаку

Алгоритм матеріального балансу процесу синтезу аміаку під середнім тиском [1] надано в розділах 12 і 22 даного навчального посібника. Він дозволяє, зокрема, розрахувати параметри потоків на вході і виході колони синтезу. Для поличних колон розроблено і реалізовано в середовищі MathCad алгоритм матеріальних, теплових і конструктивних розрахунків колон синтезу аміаку. На першому етапі передбачено визначення байпасних потоків за заданим температурним профілем шляхом розв‘язування системи 5 рівнянь (для 4-х поличної колони). За заданими концентраціями аміаку на виході полиці і визначеною витратою байпасу розраховується склад і витрата потоків на вході і виході кожної полиці. Отримані результати є вихідними даними для розрахунку об‘єму каталізатору на полицях.

Для розрахунку часу контактування (години) азото-водневої суміші з каталізатором наі-й полиці використовують одну з модифікацій рівняння Тьомкіна-Пижова [2]:

₍₁₎

де Х_i0, Х_i – реальна концентрація аміаку на вході і виході з полиці, частка; х_ri – рівноважна концентрація аміаку, частка; b – коефіцієнт; Ks – константа швидкості; Р – тиск, атм; - концентрація інертних газів, частка;

.

Для визначення рівноважної концентрації аміаку х_ri знаходять спочатку рівноважний ступінь перетворення за азотом х_рі з рівняння константи рівноваги, яке в загальному випадку має вид:

_{, (2)}

де L₁ = 0,5; L₂ = 1,5; L₃ = 1; d = -1 для реакції синтезу аміаку. Вхідні () концентрації компонентів надано у об‘ємних частках.

Значення константи рівноваги на і-й полці розраховують за рівнянням:

де β = 1,256∙10^-4 та І = -2,1986 – емпіричні коефіцієнти.

Рівноважна концентрація аміаку дорівнює:

₍₃₎

Вихідні дані

Таблиця 1 – Склад газу на вході в першу каталізаторну полицю

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	2,886∙105	64,745	2,577∙104	12,545
N2	9,621∙104	21,582	1,203∙105	58,545
CH4	3,288∙104	7,375	2,349∙104	11,432
Ar	1,421∙104	3,188	2,538∙104	12,355
NH3	1,386∙104	3,11	1,052∙104	5,122
Всього	4,458∙105	100	2,054∙105	100

Таблиця 2 – Склад газу на виході з першої каталізаторної полиці

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	2,529∙105	59,937	2,258∙104	10,994
N2	8,431∙104	19,979	1,054∙105	51,304
CH4	3,288∙104	7,791	2,349∙104	11,432
Ar	1,421∙104	3,368	2,538∙104	12,355
NH3	3,766∙104	8,925	2,858∙104	13,915
Всього	4,22∙105	100	2,054∙105	100

Таблиця 3 – Склад газу на вході в другу каталізаторну полицю

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	3,272∙105	60,964	2,921∙104	11,311
N2	1,091∙105	20,321	1,363∙105	52,785
CH4	4,133∙104	7,702	2,952∙104	11,432
Ar	1,787∙104	3,33	3,191∙104	12,355
NH3	4,123∙104	7,683	3,129∙104	12,116
Всього	5.367∙105	100	2,583∙105	100

Таблиця 4 – Склад газу на виході з другої каталізаторної полиці

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	2,985∙105	57,674	2,665∙104	10,319
N2	9,949∙104	19,225	1,244∙105	48,157
CH4	4,133∙104	7,987	2,952∙104	11,432
Ar	1,787∙104	3,453	3,191∙104	12,355
NH3	6,035∙104	11,662	4,58∙104	17,736
Всього	5,175∙105	100	2,583∙105	100

Таблиця 5 – Склад газу на вході в третю каталізаторну полицю

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	3,693∙105	58,907	3,297∙104	10,683
N2	1,231∙105	19,636	1,539∙105	49,852
CH4	4,94∙104	7,88	3,813∙104	11,432
Ar	3,407∙104	3,407	3,191∙104	12,355
NH3	6,375∙104	10,171	4,838∙104	15,677
Всього	6,268∙105	100	3,086∙105	100

Таблиця 6 – Склад газу на виході з третьої каталізаторної полиці

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	3,38∙105	55,777	3,018∙104	9,779
N2	1,127∙105	18,592	1,408∙105	45,635
CH4	4,94∙104	8,151	3,528∙104	11,432
Ar	2,135∙104	3,524	3,813∙104	12,355
NH3	8,457∙104	13,956	6,419∙104	20,798
Всього	6,06∙105	100	3,086∙105	100

Таблиця 7 – Склад газу на вході в четверту каталізаторну полицю

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	3,612∙105	56,277	3,225∙104	9,919
N2	1,204∙105	18,759	1,505∙105	46,291
CH4	5,204∙104	8,108	3,717∙104	11,432
Ar	2,25∙104	3,505	4,017∙104	12,355
NH3	8,569∙104	13,351	6,503∙104	20,002
Всього	6,418∙105	100	3,251∙105	100

Таблиця 8 – Склад газу на виході з четвертої каталізаторної полиці

Компонент	м3/год	%	кг/год	%
H2	3,446∙105	54,637	3,077∙104	9,465
N2	1,149∙105	18,212	1,436∙105	44,168
CH4	5,204∙104	8,25	3,717∙104	11,432
Ar	2,25∙104	3,566	4,017∙104	12,355
NH3	9,673∙104	15,335	7,341∙104	22,579
Всього	6,308∙105	100	3,251∙105	100

Таблиця 9 – Середня температура на і-й полці

Полиця №	1	2	3	4
Температура, К	758	751	745	734