Конструкция аппарата

5. Конструкция аппарата

 

Конструкция аппарата приведена на рисунке

1-корпус; 2- крышка плоская; 3-днище эллиптическое; 4-опора; 5-тарелки ситчатые; 6-термопара

Рисунок3 – колонна синтеза карбамида.

6. Технологические расчеты

6.1 Материальный баланс

CO₂ + 2 NH₃ = NH₂COOONH₄ + 38ккал (1)

NH₂COOONH₄ = H₂O + NH₂CONH₂ (2)

1.Теоретический расход аммиака и двуокиси углерода на 1 т 100% - ой мочевины

m(NH3) = n ∙_MNH3 ∙m(CONH₂)₂/M_CO(NH2)2 [1 c.244]

где M_NH3 - молярная масса аммиака M_NH3 = 17 кг/кмоль

 m(CONH₂)₂ – масса карбамида m(CONH₂)₂ = 1000кг

 n – стехиометрический коэффициент n = 2

 M_CO(NH2)2– молярная масса карбамида, M_CO(NH2)2 = 60кг/кмоль

m(NH₃)= 2 ∙17 ∙1000/60 = 566,67 кг

m(CO₂) = M_CO2 ∙m(CONH₂)₂/M_CO(NH2)2 [1 c.244]

где Μ_CO2 – молярная масса углекислого газа, Μ_CO2 = 44 кг/кмоль.

Следовательно

m(СО₂) = 44 ∙1000/60 = 733,33 кг

2. Расход на 1 т. 98% - ой мочевины

m(NH₃) = 2 ∙17 ∙1000∙0,98/60 = 555,34 кг

m(CO₂) = 44 ∙1000∙0,98/60 = 718,66 кг

3. В колонне синтеза с учетом потерь на 1 т. готовой продукции должно получиться мочевины

980∙1,15 = 1127 кг.

На образование этого количества мочевины необходимо

m₁(NH₃) = m(NH₃) ∙1,15 = 555,34∙1,15 = 638,64 кг

m₁(CO₂) = m(CO₂) ∙1,15 = 718,66∙1,15 = 826,46 кг

4. Практический расход аммиака и углекислоты на 1 т. мочевины (без учета примесей в аммиаке и двуокиси углерода)

m₂(NH₃) = m(NH₃) ∙1,15∙n∙100/M_CO(NH2)2 = 555,34∙1,15∙2∙100/60 = 2128,8 кг

m₂(CO₂) = m(CO₂) ∙1,15∙100/M_CO(NH2)2 = 718, 66∙1,15∙100/60 = 1377,43 кг

5. В колонне образуется карбамата аммония

m(NH₂COOONH₄) = m₂(CO₂) ∙ M_NH2COOONH4/ M_CO2 [1 c.244]

где M_NH2COOONH4 – молярная масса карбамата аммония

M_NH2COOONH4 = 78 кг/моль

m(NH₂COOONH₄) = 1377,43 ∙78/44 = 2441,8 кг

6. На образование карбамата расходуется аммиака

m₃(NH₃) = m(NH₂COOONH₄) ∙ n ∙ M_NH3/ M_NH2COOONH4 [1 c.245]

m₃(NH₃) = 2441,8 ∙2 ∙17/78 = 1064,37 кг

Остается непрореагировавшего аммиака

m₂(NH3) - m₃(NH₃) = 2128,8 – 1064,4 = 1064,4 кг

7. Образуется мочевины из карбамата аммония

m(CONH₂)₂ = m(NH₂COOONH₄) ∙ M_CO(NH2)2/ M_NH2COOONH4 ∙M_CO(NH2)2/100

m(CONH₂)₂ = 2441,8∙60∙60/78∙100 = 1127 кг

Остается непрориагировавшего карбамата аммония

m₁(NH₂COOONH₄) = m(NH₂COOONH₄) ∙ (100- M_CO(NH2)2/100) [1 c.245]

m₁(NH₂COOONH₄) = 2441,8 ∙ (100-60/100) = 976,74 кг

8. При превращении карбамата аммония в мочевину по реакции (2) выделится вода

m(H₂О) = m(NH₂COOONH₄) ∙(М_H2О/M_NH2COOONH4) ∙(M_CO(NH2)2/100) [1 c.245]

m(H₂О) = 2441,8 ∙18/78 ∙600/100 = 388,09 кг

Приход			Расход
	кг/т	кг/ч		кг/т	кг/ч
Аммиак	2128	22167,4	Мочевина	1127	11740
Углекислота	1377,43	14348,7	Карбамат аммония	976,74	10174,7
			Вода	338,09	3521,88
			Аммиак избыточный	1064,4	11087,85
	3506,23	36516,1		3506,23	36524,4

9. Выделившаяся в колонне вода взаимодействует с избыточным аммиаком с образованием гидрата аммония в количестве:

m(NH₄OH) = m(H₂О) ·M_NH4OH/ М_H2О [1 c.245]

m(NH₄OH) = 338,09 ·35/18 = 657,4 кг

10. На образование гидрата аммония затрачивается аммиака:

m₄(NH3) = m(NH₄OH) ·М_NH3/ M_NH4OH [1 c.245]

m₄(NH3) = 657,4 ·17/35 = 319,31 кг

Остается избыточного аммиака:

m_изб(NH₃) = m₃(NH₃) - m₄(NH3) [1 c.245]

m_изб(NH₃) = 1064,4 – 319,31 = 745,09 кг

6.2 Тепловой баланс

1.Приход тепла

1.1 Тепло, поступающее с СО2:

Q₁ = m₂(CO₂)·C(CO₂)·T [1 c.249]

где C(CO₂) – теплоемкость СО₂ при Т

C(CO₂) = 0,208 ккал/кг ·град; Т = 35°С

Q₁ = 1377,4 ·0,208 ·35 = 10080 ккал

1.2 Тепло, поступающее с жидким аммиаком:

Q₂ = m₂(NH3) ·С(NH₃) ·Т [1 c.249]

где С(NH₃) – теплоемкость NH₃ при Т

С(NH₃) = 1,054 ккал/кг ·град; Т = 25 °С

Q₂ = 2128,8 ·1,054 ·25 = 56093,9 ккал

1.3 Тепло образования карбамата аммония:

Q₃ = m₁(NH₂COOONH₄)/ M_NH2COOONH4 ·(q₁ – q₂) [1 c.249]

где q₁ – теплота образования твердого карбамата аммония из газообразных NH₃ и CO₂

q₁ = 38000 ккал/кг ·моль

q₂ – теплота плавления карбамата

q₂ = 18 500 ккал/кг ·моль

Q₃ = 2441,8/78 ·(38000 – 18500) = 610450 ккал

1.4 Тепло образования гидрата аммония

Q₄ = m(NH₄OH)/M_NH4OH ·q₃ [1 c.249]

где q₃ – теплота образования гидрата аммония

 q₃ = 2538 ккал/кг ·моль

Q₄ = 657,4/35 ·2538 = 47671 ккал

1.5Суммарный приход тепла

Q_пр = Q₁+ Q₂+ Q₃+ Q₄ [1 c.249]

Q_пр = 108 00+56093,9+610450+47671 = 754295 ккал

2. Расход тепла

2.1 На образование мочевины:

Q₁ = m(CONH₂)₂/ MCO(NH₂)₂ · q₄ [1 c.250]

где q₄ – теплота образования мочевины

 q₄ = 4400 ккал/кг ·моль

Q₁ = 1127/60 ·4400 = 74300 ккал

2.2 На подогрев образующегося карбамата аммония:

Q₂ = m₁(NH₂COOONH₄) · С(NH₂COOONH₄) ·(Т_к - Т_см) [1 c.250]

где С(NH₂COOONH₄) – теплоемкость карбамата аммония

 С(NH₂COOONH₄) = 0,466 ккал/кг ·град

 Т_к = 200 °С; Т_см = 170 °С

Q₂ = 2441,8 ·0,466 ·(200-170) = 34136,4 ккал

 2.3 На подогрев избыточного аммиака:

Q₃ = m_изб(NH₃) · C(NH₃) ·(Т_к - Т_см) [1 c.250]

где m_изб(NH₃) – избыточная масса аммиака

 m_изб(NH₃) = 745,09 кг

 C(NH₃) – теплоемкость аммиака

 C(NH₃) = 0,54 ккал/кг ·град

Q₃ = 745,09 ·0,54 ·(200 - 170) = 12070,1 ккал

 2.4 На подогрев гидрата аммония

Q₄ = m(NH₄OH) ·(Т_к - Т_см) [1 c.250]

Q₄ = 657,4 ·(200-170) = 19722 ккал

 2.5 На подогрев аммиака от 25 °С до 132,9 °С

Q₅ = m₂(NH₃) · С(NH₃) ·(Т* - Т) [1 c.250]

где Т* - температура образования карбамата аммония

 Т* = 132,9 °С

 Т = 25 °С

Q₅ = 2128,8 ·1,054 ·(132,9 - 25) = 242101,18 ккал

 2.6 На подогрев двуокиси углерода от 35 °С до 132,9 °С

Q₆ = m₂(CO₂) · C(CO₂) ·(Т* - Т) [1 c.250]

где Т = 35°С

Q₆ = 1377,43·0,208·(132,9 - 35) = 28700 ккал

2.7 Тепло, уходящее с плавом при температуре t_x

Q₇ = m_пр·С_р· t_x [1 c.251]

С_р = 0,322 ·0,321+0,2785 ·0,466+0,0965 ·1+0,303 ·0,54 = 0,493 ккал/кг·град

Q₇ = 1727·t_x