Выбор реактора для проведения процесса окисления монооксида азота

Курсовой проект - Химия

Другие курсовые по предмету Химия

·атор обратимо, но очень сильно.

Очень большое значение для правильного проведения процесса синтеза аммиака в промышленности имели и имеют исследования кинетики этой реакции, т. е. определение зависимости скорости реакции от концентрации реагирующих веществ, или в применении к реакциям между газами от парциальных давлений реагирующих газов в газовой реакционной смеси.

Промышленные системы синтеза аммиака в зависимости от применяемого давления азотоводородной смеси подразделяются на:

. Установки, работающие при низких давлениях (100-200 aт).

. Системы, работающие при средних давлениях (280-350 aт).

. Системы, работающие при высоких давлениях (450-1000 aт).

Наиболее распространены системы, работающие при среднем давлении, так как при этих условиях удачно решаются вопросы выделения аммиака при достаточной скорости процесса в контактном аппарате. Азотоводородная смесь при прохождении через слой катализатора не полностью превращается в аммиак. В газе на выходе из контактного аппарата содержании аммиака составляет 14-20%. Газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, охлаждается, аммиак конденсируется и отделяется от газа, а непрореагировавшая азотоводородная смесь при помощи циркуляционного компрессора возвращается вновь в контактный аппарат. Свежая азотоводородная смесь в количестве, отвечающем массе образовавшегося в контактном аппарате аммиака, добавляется к оборотной смеси.

Содержание аммиака можно вычислить по формуле:

 

 

где С - объемное содержание аммиака в азотоводородной смеси,%.

Расход свежего газа находится из следующего уравнения:

 

 

где VT- теоретический расход смеси;VP - количество газов, растворенных в аммиаке;Vпр - количество удаляемых из цикла азотоводородной смеси, метана и аргона.

Объем газовой смеси на входе в колонну синтеза (м3):

 

 

где V- объемная скорость,ч-1; g- производительность катализатора.

Объем газовой смеси на выходе из колонны

 

 

где VNH3- объем образовавшегося в колонне аммиака.

Производительность колонны синтеза аммиака (м3/ч):

 

 

где С1 - объемное содержание аммиака на входе в колонну, %; а С2 - объемное содержание аммиака на выходе из колонны.

Колонна синтеза - основной, наиболее важный аппарат установки для получения синтетического аммиака. Конструкция колонны должна быть надежной и обеспечивать безопасную и длительную работу. Водород и аммиак, содержащиеся в газовой смеси, при повышенной температуре действуют на сталь, снижая ее прочность. Особенно опасно обезуглероживание стали при высоких температурах под действием водорода, проникающего в сталь.

Основные условия высокой и стабильной производительности установок синтеза аммиака:

)высокая степень очистки азотоводородной смеси от каталитических ядов и инертных примесей;

)поддержание соотношения N2: H2 , близкого к 1:3;

)оптимальная температура процесса по длине каталитической зоны;

)снижение содержания аммиака на входе в контактный аппарат;

)совершенная конструкция аппарата (колонна синтеза).

 

Тепловой и материальный баланс адиабатических РИВ и РПС

 

Материальный баланс РИВ

Реактор идеального вытеснения - такой реактор, в котором отсутствуют продольное, радиальное перемещение, а осуществляется только диффузия, концентрация реагентов изменяется в результате химического превращения.

Рассмотрим реакцию aA+ bB=cC+dD ,

за начальные условия примем V=const, zА= const, хА=0, через некоторое время степень превращения в реакторе станет равной хА+dxA, тогда

 

GFPA = V zAxA MA/22.4,

- физический приход, кг/с; V-объем смеси, м/с; 22.4-молярный объем, м/кмоль;

MA - масса молярная вещества А, кг/кмоль; zA(1-xA) - концентрация оставшегося реагента, кг/кмоль; zAхА- концентрация прореагировавшего реагента, кг/кмоль.

GFRA= V zA(1-xA) dxA MA/22.4 -физический расход, кг/с

GCRA= UdVMA -количество вещества А, которое прореагировало в результате химической реакции, где U -скорость реакции, кмоль/ мс; dV-изменение объема смеси, м/с.

По закону сохранения действующих масс- приход равен расходу вещества в ходе реакции:

GFPA= GFRA + GCRA , или

V zA/22.4 - V zA хА/22.4 = UdV + V zA/22.4 - V zA хА/22.4 - V zA dхА/22.4,

сократим и получим уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения:

V zA dхА/22.4 = UdV.

Обозначим, что Vr- объем реактора, м; тогда Vr= Vt,

где V-расход смеси, м/с; t-время, с. Изменение объема реактора: dVr=Vdt,

т.к. V=const, то zA dxA/22.4=Udt, преобразуем и получим

dxA/dt=U22.4/ zA - уравнение МБ в дифференциальной форме.

Время, необходимое для достижения заданной степени превращения найдем по формуле, отсюда следует, что чем больше скорость, тем меньше время:

 

 

Тепловой баланс РИВ

Рассмотрим реакцию, протекающую без изменения числа молей

 

aA+ bB=cC+dD ,

 

Т0 - начальная температура на входе в реактор,град; хА=0 - начальная степень превращения, х-конечная степень превращения; Т-температура в реакторе, град; Т+dT- изменение температуры в ходе реакции, град; V=const - расход смеси считаем постоянным, м/с; zA -концентрация вещества А, кг/кмоль,и удельная теплоемкость

Cp,Дж/(моль град), также постоянные величины, тогда

HFP-энергия, приносимая исходной газовой смесью в объем реактора, кДж/с:

 

HFP =VCp(T-273),

 

HFR= VCp(T+dT-273) - энергия(теплота) на выходе из реактора, кДж/с;

HСR=UHUCRdV -тепловой эффект химической реакции, кДж/с.