Разработка математической модели и оптимизации процесса производства аммиака

Сущность технологического процесса промышленного синтеза аммиака на установке 600 т/сутки. Анализ зависимости выхода аммиака от температуры, давления и времени контактирования газовой смеси. Оптимизация химико-технологического процесса синтеза аммиака.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

1. Разработка математической модели процесса

1.1 Описание технологического процесса

1.2 Получение математической модели процесса

2. Численное моделирование на ЭВМ

2.1 Выбор численного метода решения задачи моделирования

2.2 Разработка алгоритма блок-схема задачи

2.3 Составление программы и анализ результатов моделирования

2.3.1 Вид зависимости выхода аммиака от температуры

2.3.2 Вид зависимости выхода аммиака от давления

2.3.3 Вид зависимости выхода аммиака от соотношения реагирующих компонентов

2.3.4 Вид зависимости выхода аммиака от времени контактирования

3. Задача оптимизации технологического процесса

3.1 Выбор критерия оптимизации

3.2 Обоснование выбора метода оптимизации

3.3 Описание численного метода оптимизации

4. Решение задачи оптимизации на основе моделирования на ЭВМ

4.1 Разработка алгоритма и блок-схемы задачи

4.2 Разработка программы и анализ результатов моделирования

4.2.1 Оптимизация выхода аммиака от температуры

4.2.2 Оптимизация выхода аммиака от давления

4.2.3 Оптимизация выхода аммиака от соотношения реагирующих компонентов

4.2.4 Оптимизация выхода аммиака от времени контактирования

Заключение

Список использованных источников

Введение

промышленный синтез аммиак

Аммиак (NH3)-бесцветный газ с удушливым резким запахом и едким вкусом, раздражающе действующий на слизистые оболочки. Аммиак очень хорошо растворим в воде. При комнатной температуре и атмосферном давлении в 1 л воды растворяется около 750 л газообразного аммиака.

При обычной температуре аммиак устойчивое соединение. Диссоциация аммиака на N2 и H2 в газовой фазе становится заметной при 147 К и выше; в присуствии катализатора аммиак начинает диссоциировать при 570 К.Аммиак весьма реакцеонноспособное вещество, вступающее в реакции присоединения. Основное количество аммиака используется для производства азотных удобрений и солей.

Важно подобрать оптимальные параметры ведения процесса производства аммиака, т.к. потребление аммиака для получения азотных удобрений также необходимы для производства комплексных удобрений.

Для подбора оптимального режима ведения процесса необходимо детально разобраться во всех параметрах влияющих на него. Поэтому в данной курсовой работе подробно рассматривается стадия производства аммиака из азота и водорода с указанием влияющих на них технологических параметров. Далее приводится математическая модель процесса получения аммиака и проводиться её оптимизация.

1.Разработка математической модели процесса

1.1 Описание технологического процесса

Аммиак (NH3)-бесцветный газ с удушливым резким запахом и едким вкусом, раздражающе действующий на слизистые оболочки.

Основные физико-химические константы аммиака:

Температура, К

Кипения 237,6

Плавления 195,2

Критическая 405,4

Критическое давление, МПа 10,7878

Мольный объем, л 22,081

Плотность, г/см3 0,771

Теплота испарения жидкого аммиака

При 223 К 1415

При 273 К 1260

При 323 К 1056

Аммиак очень хорошо растворим в воде.При комнатной температуре и атмосферном давлении в 1 л воды растворяется около 750 л газообразного аммиака.

При обычной температуре аммиак устойчивое соединение. Диссоциация аммиака на N2 и H2 в газовой фазе становится заметной при 147 К и выше; в присуствии катализатора аммиак начинает диссоциировать при 570К. Аммиак весьма реакцеонноспособное вещество, вступающее в реакции присоединения, замещения и окисления.

Равновесие реакции синтеза аммиака

N2+H2=NH3+89.02 кДж

Смещается в право с понижением температуры и повышением давления. Концентрация аммиака в равновесной газовой смеси при объемном соотношении H2:N2 =3 показывает, что в условиях. Применяемых в процессе синтеза аммиака, полное превращение H2 и N2 в аммиак невозможно. Поэтому синтез аммиака ведут в замкнутых (циклических) установках, в которых образующийся в результате синтеза аммиак конденсируется и отделяется, а оставшийся газ циркуляционным компрессором снова возвращается в производственный цикл и присоединяется к свежему газу. Практически синтез аммиака проводится под давлением 10-90 МПа и при температуре 670-770 К.

Катализаторами ускоряющий процесс образования аммиака, являются железо, уран, молибден, марганец и другие металлы. Катализатор должен быть активным в течении длительного времени, стойким к действию каталитических ядов-примесей. Которые могут поступать в колоннусинтеза с азотоводородной смесью.

Поэтому в процессе синтеза аммиака необходимо использовать АВСвысокой чистоты, что особенно важно в связи со строительством и внедрением в промышленность мощных агрегатов синтеза аммиака.

Высокой активностью обладает пористое железо, полученное восстановлением магнитного смешанного оксида железа Fe2O3 при температуре 570-670 К. При этом образуется кристаллические структуры, присущей Fe2O3, не содержащих атомов кислорода. Чтобы при длительной работе катализатора воспрепятствовать переходу его активных центров в неактивное состояние. В состав катализатора вводят активаторы. Например оксид алюминия, который трудно восстанавливается и обволакивает образовавшиеся кристаллы железа тонкой оксидной пленкой, затрудняющей взаимодействие между атомами железа и поэтому замедляющий рост кристаллов.

С.С Лачинов с сотрудниками полагают, что активные участки катализатора синтеза аммиака представляют собой не кристаллическое железо, а комплексы сложного химического состава, состоящие из металлического железа и промотирующих Al2O3 и SiO2.повышенную активность трижды промотированного катализатора объясняется большой концентрацией свободных электронов в образцах со слабой связью и высокой электропроводимостью слоя промоторов и их соединений, находящегося на поверхности металлического железа.

В промышленности применяются следующие марки катализаторов:СА-1,СА-1В.Катализатор СА-1В не требует длительного восстановления в колоннах синтеза, в результате чего при его перегрузках продолжительность непроизводительной работы агрегата сокращается по сравнению с катализатором СА-1 на 5-8 дней.

Синтез аммиака из газообразного азота и водорода протекает с измеренной скоростью только при участии твердых катализаторов. Механизм реакции синтеза аммиака можно представить следующим образом. Адсорбированные молекулы азота реагируют с атомами железа, образуя нитриды FeN. Молекулы водорода, взаимодействуя на поверхности катализатора с нитридами железа, образуя ряд промежуточных комплексных соединений FexNH, FexNH2 вплоть до FeNH3.Комплекс FeNH3 является нейтральным, и его разложение приводит к образованию аммиака, молекулы которого десорбируются с поверхности катализатора в газовый объем.

В зависимости от применяемых давлений азотоводородной смеси известны следующие системы синтеза аммиака:

1. Системы, работающие при низком давлении (9-19 МПа)

2. Системы, работающие при среднем давлении (25-31 МПа)

3. Системы, работающие при высокого давлении (44-98 МПа)

Установки синтеза, работающие при низких давлениях, аппаратурно громоздки, требуют дополнительных затрат электроэнергии на процессе конденсации аммиака из аммиачно-азотоводородной смеси, поэтому не нашли применения.

Установки синтеза, работающие при высоких давлениях, также не получили широкого применения, поскольку требуют сложного конструктивного оформления применяемой аппаратуры.

Наиболее распространенные в химической промышленности получили установки синтеза аммиака работающие под средним давлением. Данные установки работают под давлением 22-30 МПа. Эксплуатируются крупнотоннажной установки единичной мощности 600, 1360 и 1420 т/сут.

Рисунок 1.1-Схема установки синтеза аммиака среднего давления производительностью 600 т/сут.

Свежая, очищенная от всех примесей АВС сжимается в оппозитных многоцелевых компрессорах 1, в котором компримируется АВС, циркуляционный газ, аммиак, холодильной установки. Пять таких компрессоров - по два рабочих на каждую линию производства аммиака и один общий резервный - соединены по коллекторно-агрегатной схеме, чтобы дать возможность работать двум агрегатам получения синтез-газ и любому одному агрегату синтеза аммиака.

Сжатая до давления 26 МПа свежая ABC смешивается с циркуляционным газом, идущим в трубки холодного теплообменника 7.Проходя по трубам теплообменника, циркуляционный газ охлаждается от 303 до 290 К газом, проходящим по межтрубному пространству после сепаратора аммиачного испарителя 8.Из теплообменника 7 газовая смесь направляется а испаритель жидкого аммиак 9 для дальнейшего охлаждения....