Материал: ОХТ в вопросах и ответах Ч2

обладает основными свойствами, CO2 имеет кислые свойства, а сама реак-

ция является реакцией нейтрализации. Учитывая природу веществ, можно с большой вероятностью предположить, что процесс не будет лимитиро-

ваться химической реакцией. Тогда скорость процесса определяется по уравнению диффузионной кинетики [3, с. 88], согласно которому для ин-

тенсификации процесса хемосорбции целесообразно увеличить поверх-

ность контакта фаз, давление, степень турбулентности контактирующих потоков и снизить температуру.

Вопрос. Какой будет технологическая схема МЭА-очистки?

Ответ. Очистка конвертированного газа от диоксида углерода осуществ-

ляется в соответствии со схемой, содержащей два основных аппарата аб-

сорбер и десорбер (рис. 3.4).

H2 , N2

CO2

4 Пар

МЭА

Рис. 3.4. Технологическая схема МЭА-очистки:

1 – абсорбер; 2 – теплообменник; 3 – десорбер, 4 – подогреватель

В схеме МЭА-очистки используется известный приём регенерация с рециклом, который позволяет наиболее эффективно использовать обору-

дование и сырьевые ресурсы. После поглощения СО2 отработанный рас-

31

твор моноэтаноламина (МЭАотр) подогревают в теплообменнике 2 и

направляют в десорбер 3, обогреваемый паром. При нагревании выделяет-

ся СО2 как побочный продукт, а раствор МЭА возвращают в абсорбер 1.

Схема работает с минимальными потерями сорбента раствора МЭА и получением дополнительного продукта CO2, который используют в дру-

гих производствах (для получения карбамида, «сухого» льда и т.д.).

Вопрос. В чём заключаются физико-химические основы синтеза аммиака?

Ответ. Синтез аммиака представляет собой каталитический процесс с об-

ратимой экзотермической реакцией, протекающей с уменьшением объёма:

N2 + 3H2 2NH3 + 103,6 кДж

Под физико-химическими основами процесса синтеза аммиака по-

нимают влияние параметров (температуры, давления) на равновесие, ско-

рость реакции и степень использования внутренней поверхности катализа-

тора. Эти знания позволяют предложить оптимальный режим синтеза ам-

миака и в последующем выбрать реактор, в котором обеспечивается мак-

симальная скорость реакции и достигается наибольшая степень превраще-

ния азотоводородной смеси.

Вопрос. Как выразить константу равновесия, если исходная азотоводород-

ная смесь имеет стехиометрический состав?

Ответ. Для стехиометрической смеси двух реагентов степени превращения каждого из них одинаковые. Если исходная стехиометрическая смесь со-

держала 1 моль N2 и 3 моля Н2, то при равновесной степени превращения xр останется молей N2 (1 xр) и Н2 3(1 xр), образуется 2xр молей NH3, а

общий объём уменьшится и станет равным (4 2xр) молей. Объёмные кон-

центрации для Н2, N2 и NH3 станут равными, соответственно,

32

Ответ. При атмосферном давлении (0,1 МПа) превращение компонентов азотоводородной смеси очень мало. Промышленно важная область давле-

ний синтеза аммиака, при которых степень превращения будет более 20 %,

составляет выше 20 МПа. Техноэкономическое обоснование процесса по-

казало, что оптимальным будет осуществление процесса при давлении около 30 МПа. Более высокое давление резко увеличивает затраты на обо-

рудование и компрессию, а снижение давления увеличивает затраты на выделение аммиака.

Вопрос. Какой является структурная схема процесса синтеза аммиака?

Ответ. Выходящий газ из промышленного реактора содержит 16 об.%

аммиака. Для полноты использования азотоводородной смеси применяют фракционный рецикл (см. рис. 1.2, схема 7 на с.8).

Рис 3.5. Подсистема синтеза аммиака

Для этого после реактора из реакционной смеси выделяют аммиак путём его конденсации, а не прореагировавшие H2 и N2 возвращают в реак-

тор. В поступающей смеси содержится до 1,2 % инертных веществ (СH4 и

Ar, вносимый с воздухом). При увеличении содержания инертных газов в цикле синтеза аммиака снижается концентрация водорода и азота, что приводит к уменьшению интенсивности процесса синтеза аммиака. С це-

лью недопущения накопления инертов в цикле синтеза аммиака содержа-

ние их в циркулирующем газе поддерживают на определённом уровне

34

(10 15 об. %) путём вывода (отдувки) части рециркулирующего газа (рис. 3.5). Отдувка составляет около 8 об.% от потока свежей азото-водородной смеси.

Вопрос. Какие реакторы можно предложить для эффективного проведения синтеза аммиака?

Ответ. Реакция синтеза аммиака – обратимая и экзотермическая. Макси-

мальная скорость реакции и высокая степень превращения обеспечивают-

ся, если процесс вести в режиме, близком к ЛОТ. Режим процесса, близкий к оптимальному, можно организовать в трубчатом реакторе с охлаждением или в многослойном реакторе с промежуточным теплообменом. Схемы ре-

акторов показаны на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схемы реакторов синтеза аммиака и профили температур по высоте l:

а – с простыми противоточными трубками;б – с двойными трубками (трубками Фильда); в – многослойный реактор

Вопрос. Как осуществить синтез аммиака в трубчатом реакторе?

Ответ. В трубчатом реакторе тепло из реакционной зоны отводится к све-

жей реакционной смеси (рис. 3.6а). Реактор, в котором теплоотвод от ре-

акционной зоны осуществляется не посторонним носителем, а самой реак-

ционной смесью, носит название автотермического реактора. Катализатор располагают в межтрубном пространстве. Газ поступает в трубки, нагрева-

ется и затем входит противотоком в слой катализатора. По мере продвиже-

ния газа возрастает содержание аммиака z и одновременно происходит

35