Определение оптимальной температуры процесса при синтезе аммиака

Итак, синтез аммиак проводят при повышенных давлениях на твёрдом катализаторе. Температура процесса 400 – 500 ºС. Как установили оптимальную температуру?

Рассмотрим зависимость выхода аммиака от температуры при различных объёмных скоростях, которая представлена ниже на Рис.3.

Объёмная скорость газа (W) – это количество газа в м3, проходящего через 1м3 катализатора за 1час (измеряется в м3/ м3.ч или в ч-1).

Из рисунка видно следующее:

  • с увеличением объёмной скорости (то же  самое, что «с уменьшением времени соприкосновения газа с катализатором») выход аммиака уменьшается;
  • для каждой объёмной скорости имеется оптимальная температура, которой соответствует МАКСИМАЛЬНЫЙ выход аммиака.

Почему при увеличении температуры возникает этот максимум объяснить можно следующим образом. Сначала, когда концентрации исходных веществ велики, скорость прямой реакции большая по сравнению с обратной, содержание аммиака в газовой смеси растёт, кроме того, увеличение температуры также способствует этому.

Зависимость выхода аммиака от температуры
Зависимость выхода аммиака от температуры

Рис. 3. Зависимость выхода аммиака от температуры при различных объёмных скоростях азотоводородной смеси (Р = 30 МПа)

При некоторой температуре (точка излома или максимум на кривой), в соответствии с принципом Ле-Шателье, сильнее ускоряется обратная реакция, соответственно содержание аммиака уменьшается.

Для разных объёмных скоростей на рисунке (Рис.3) можно определить интервал оптимальных  температур. Он составляет
450 – 500 ºС.

Как определить, с какой объёмной скоростью наиболее эффективно вести процесс?

Дл этого рассмотрим влияние объёмной скорости на концентрацию аммиака в газовой смеси, представленной в следующей таблице.

Объёмная скорость

м33 ·ч

Содержание NH3, %(об.) при различных
температурах, °С
450 475 500
15000 19,6 21,6 23,0
30000 14,6 17,7 18,2
45000 12,7 15,2 16,5

 

Из таблицы следует:

  • при увеличении объёмной скорости происходит снижение концентрации аммиака в газе;
  • в интервале температур 450 – 500 ºС при определённой объёмной скорости содержание аммиака в газе увеличивается (далее с увеличением температуры выход аммиака уменьшается).

Несмотря на то, что с увеличением объёмной скорости (то же самое, что «при уменьшении времени соприкосновения молекул газа с катализатором») уменьшается содержание аммиака в газе, процесс предпочитают вести с большими объёмными скоростями. Почему?

Потому, что это уменьшение не пропорционально увеличению объёмной скорости.

Действительно, например, при увеличении объёмной скорости от 15000 ч-1 до 45000 ч-1 , то есть в 3 раза, концентрация аммиака при 450 ºС снижается от 19,6% до 12,7%, то есть не в
3 раза, а всего в 1,54 раза (19,6/12,7 = 1,54).

Более того, при увеличении объёмной скорости количество аммиака на единицу объёма катализатора должно возрастать.

Действительно, объём аммиака, получаемого с 1м3 катализатора в час, составляет:

при W = 15000 ч-1                         15000.0,196 = 2850 м3;

при W = 45000 ч-1                         45000.0,127 = 5715 м3.

(45000/15000 = 3 … 5715/2850 = 2)

Таким образом, увеличение объёмной скорости в три раза от
15000 ч-1 до 45000 ч-1 привело к удвоению активности катализатора. Отсюда ВЫВОД о целесообразности работы контактных аппаратов при высоких объёмных скоростях.

В современных установках синтеза аммиака объёмные скорости достигают значений 30000 – 40000 м3/ м3·ч.

Можно ли ещё больше увеличивать объёмную скорость? Или есть ограничения?

Есть ограничения, которые вызваны следующим:

  • при более высоких объёмных скоростях, когда через катализатор проходит большое количество газа, может не хватить тепла, выделяющегося по реакции, для поддержания необходимой температуры, то есть нарушается автотермичность процесса;
  • с ростом объёмной скорости увеличивается расход энергии на подачу газа;
  • в связи с увеличением размеров аппаратуры увеличивается расход металла.

На Рис.4 представлена зависимость производительности контактной массы от объёмной скорости при различных давлениях.

Зависимость производительности катализатора от объёмной скорости
Зависимость производительности катализатора от объёмной скорости

Рис.4. Зависимость производительности катализатора от объёмной скорости при различных давлениях (t = 500°C)

Производительность катализатора – это съём аммиака (кг) с 1м3 контактной массы в течение одного часа.

m = 0,77 .·W . ω(NH3) , где

0,77 – масса 1м3 аммиака при н.у.;

ω(NH3) – молярная доля аммиака в газе после катализа;

W – объёмная скорость газа.

Из Рис.4  следует:

  • увеличение объёмной скорости газа приводит к росту производительности всей установки в целом;
  • увеличение давления также увеличивает производительность агрегата.

Однако даже при указанных условиях синтеза:

  • высокая температура;
  • высокое давление;
  • высокая объёмная скорость
  • наличие катализатора;

не весь азот и водород вступают в реакцию. В газовой смеси, выходящей из контактного аппарата, содержится всего
(18 – 20) % (об.) аммиака, остальное – не прореагировавшая АВС.

Как отмечалось в первой части курса, процессы с неблагоприятным состоянием химического равновесия, то есть с низкой степенью превращения, целесообразно проводить по циклической схеме. Схема цикла синтеза аммиака представляется следующим образом:

Схема цикла синтеза аммиака
Схема цикла синтеза аммиака

Газовую смесь, выходящую из контактного аппарата, охлаждают до температуры сжижения аммиака. Аммиак выводят из цикла, а смесь водорода и азота, не вступившую в реакцию, возвращают в контактный аппарат.

Способы выделения аммиака из газовой смеси зависит от применяемого давления.

В системах с высоким давлением аммиак выделяется из газовой смеси при охлаждении только в водяных холодильниках (первичная конденсации газа). Причём всю продукцию получают в виде жидкого аммиака.

В системах, работающих при средних давлениях, применяют водяное и аммиачное охлаждение. В этом случае часть продукции (30 – 40) % отводится в виде жидкого аммиака, а остальная часть (60 – 70) % в газообразном состоянии.

В установках, работающих при более низких давлениях, весь аммиак получают в газообразном состоянии.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector