Понятие, свойства, производство мочевины
7.1 Расчет материального баланса колонны синтеза
1. Вычисляем необходимые количества NH3 и CO2.
Стехиометрический расход аммиака и двуокиси углерода на 1000 кг мочевины составляют:
m (NH3) = (3)
где M (NH3) - молярная масса аммиака (17 г/моль);
m (CO(NH2)2) - масса карбамида (1000 кг);
n - стехиометрический коэффициент;
M (CO(NH2)2) - молярная масса карбамида, (60 г/моль).
m (NH3) = = 566,67 кг
m (CO2) = (4)
где M(CO2) - молярная масса углекислого газа (44 г/моль).
m(CO2) = = 733, 33 кг
С учетом 7% потерь мочевины при дистилляции и упаривании плава должно образоваться 1070 кг мочевины для получения 1000 кг готового продукта:
1000 - 100%
x - 7%
x = = 70 кг
На образование этого количества мочевины расходуются следующие количества реагентов:
m (NH3) = = 606,34 кг
m(CO2) = = 784,67 кг
С учетом степени превращения образующегося карбамата аммония в мочевину и заданного избытка аммиака практический расход реагентов составит:
m(NH3) = (5)
где 1,2 - коэффициент, учитывающий избыток аммиака;
Х = 58 - степень превращения карбамата аммония в мочевину, (в %).
m(NH3) = = 2509 кг
m(CO2) = = 1352,87 кг
2. Вычисляем количество инертных газов, поступающих в колонну синтеза с двуокисью углерода: при составлении расчета принимаем, что инертные газы - это 100%-ный азот.
m(N2) = (6)
где 4 и 96 - содержание CO2 и N2 в газе, служащем источником углекислого газа, %.
m(N2) = = 56,36 кг
3. Находим количество карбамата аммония и мочевины:
- в колонне образуется карбамата аммония:
m(NH2COOONH4) = (7)
m(NH2COOONH4) = = 2398,26 кг
где M (NH2COOONH4) - молярная масса карбамата аммония, (78 г/моль).
- из 2398, 26 кг карбамата аммония образуется мочевины:
m(CO(NH2)2) = m(NH2COOONH4) •• (8)
m(CO(NH2)2) = 2398,26 • • = 1071 кг
- выделяется воды:
m(H2O) = m(NH2COOONH4) • • (9)
m(H2O) = 2398,26 • • = 320 кг
При степени превращения карбамата аммония в мочевину 56%, количество разложившегося карбамата составляет:
m (NH2COOONH4) = m (NH2COOONH4) • (10)
m (NH2COOONH4) = 2398,26 • = 1007, 26 кг
4. Определяем количество аммиака, уходящего с продуктом реакции:
- на образование карбамата аммония расходуется аммиака:
m(NH3) = (11)
m(NH3) = = 989 кг
- остается непрореагировавшего аммиака:
m(NH3) - m(NH3) = 2509 - 989 = 1520 кг (12)
Полученные результаты сведем в таблицу 9.
Таблица 9 - Материальный баланс синтеза карбамида (на 1 т готового продукта)
Приход |
Расход |
|||||
Исходное сырье |
кг |
% |
Продукты |
кг |
% |
|
NH3 |
2509 |
64 |
CO(NH2)2 |
1070 |
27,3 |
|
CO2 |
1352,87 |
34,52 |
NH2COOONH4 |
1007,26 |
25,7 |
|
N2 |
56,36 |
1,43 |
H2O |
320 |
8,16 |
|
NH3 (изб) |
1520 |
38,8 |
||||
Всего |
3918,23 |
100 |
Всего |
3918, 26 |
100 |
5. Выделившаяся вода взаимодействует с избыточным аммиаком, образуя NH4OH, количество которого равно:
m (NH4OH) = (13)
где M(NH4OH) - молярная масса гидрата аммония, (35 г/моль).
m(NH4OH) = = 622, 22 кг
На образование 622, 22 кг гидрата аммония затрачивается аммиака:
m(NH3) = = 302, 22 кг
Остается избыточного аммиака в газовой фазе:
1520 - 302, 22 = 1217, 78 кг
6. Невязка составляет:
? = • 100 = 7,6 •10 - 4 (менее 1%)
7.2 Расчет теплового баланса колонны синтеза
1. Приход теплоты:
- Количество теплоты, поступающей с CO2:
Q1 = m(CO2) •c (CO2) •T, (14)
где с (СO2) - теплоемкость CO2 при T;
T - температура CO2
Q1 = 1352,87 • 1,026 •35 = 48581 кДж
- Количество теплоты, поступающей с NH3:
Q2 = m(NH3) •?H (NH3), (15)
где •?H (NH3) - энтальпия жидкого аммиака при 105°С.
Q2 = 2509 • 132,1 = 331438,9 кДж
- Теплота образования карбамата аммония:
Q3 = • (q1 - q2), (16)
где q1 - тепловой эффект реакции образования и твердого карбамата аммония из газообразного аммиака и двуокиси углерода кДж/моль.
q2 - теплота плавления карбамата аммония кДж/кмоль
Q3 = •(159350 - 77456) = 2517988 кДж
- Теплота образования гидрата аммония:
Q4 = (17)
где q3 - тепловой эффект образования гидрата аммония из аммиака и воды, Дж/моль
Q4 = = 188906 кДж
- Суммарный приход теплоты:
Q прих = Q1 +Q2+Q3+Q4 (18)
Q прих = 48581+331439+2517988+188906 = 3086914 кДж
2. Расход теплоты:
- На образование мочевины:
где q4 - тепловой эффект конверсии карбамата при избытке аммиака
120% от стехиометрического количества, кДж/моль.
Q1 = = 335873 кДж
- На подогрев жидкого аммиака от 105°С до 132,9°С:
Q2 = m(NH3) • C(NH3) •?T, (19)
где C(NH3) - теплоемкость аммиака, кДж/(кг•К)
Q2 = 2509 •2,47 • (132,9 - 105) = 172902 кДж
- На подогрев двуокиси углерода от 35°С до 132,9°С:
Q2 = m(CO2) •C(CO2) •?T, (20)
где C(CO2) - теплоемкость двуокиси углерода, кДж/(кг•К).
Q3 = 1352,87 • 1,026 • (132,5 - 35) = 135334 кДж
- На подогрев образующегося карбамата аммония от 132,9°С до 200°С:
Q4 = m(NH2COOONH4) • C(NH2COOONH4) •?T, (21)
где C(NH2COOONH4) - теплоемкость карбамата аммония, кДж/(кг•К).
Q4 = 2398,26 • 1,951 • (200 - 132,9) = 313961,2 кДж
- На подогрев избыточного газообразного аммиака:
Q5 = m(NH3) газ • С(NH3) газ •?T, (22)
где C(NH3) газ - теплоемкость газообразного аммиака при t ср = 166,5°С и давлении P = 20 МПа, кДж/(кг•К).
Q5 = 1217,78 • 2,47 • (200 - 139,5) = 181978,9 кДж
- На подогрев NH4OH от 139, 5°С до 200°С:
Q6 = m(NH4OH) •C(NH4OH) • ?T, (23)
где C(NH4OH) - теплоемкость NH4OH, кДж/(кг•К).
Q6 = 622,22 • 4,187 •(200 - 139,5) = 157616,7 кДж
- Теплота, уходящая с плавом мочевины при 200°С:
Q7 = 3918,26 • Cср • 200 (24)
Определяем среднюю теплоемкость плава мочевины по следующей формуле:
C ср = (25)
где См, С карб, С ам, Св, Саз - концентрации мочевины, карбамата аммония, аммиака, воды, инертного газа (азота);
1, 344; 1,951; 2,470; 4,187; 0,921 - теплоемкости указанных веществ, кДж/(кг•К)
C ср = = 2,17 кДж/(кг•К)
Q7 = 3918,26 • 2,17 • 200 = 1700524,8 кДж
- Теплопотери в окружающую среду принимаем равными 6,5% от общего количества теплоты, приходящейся в колонну синтеза:
Q расх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4+ Q5 + Q6 + Q7 = 335980 +172902 +135334 + 313961,2 +181978,9 + 157616,7 + 1700524,8 = 2840573,9 кДж (26)
Q8 = 2840573,9 • 0,065 = 184637,3 кДж
- Суммарный расход тепла составляет:
Q расх = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 +Q6 + Q7 +Q (27)
Q расх = 335980 + 172902 + 135334 +313961,2 + 181978,9 +157616,7 + 1700524,8 + 335980+ 172902+ 135334 + 313961,2 + 181978,9 + 157616,7 + 1700524,8 = 3025211,2 кДж
Таблица 10 - Тепловой баланс колонны синтеза мочевины
Приход |
Расход |
|||||
Поток |
кДж |
% |
Поток |
кДж |
% |
|
Q1 |
48581 |
1,5 |
Q1 |
335873 |
11,1 |
|
Q2 |
331438,9 |
10,7 |
Q2 |
172902 |
5,7 |
|
Q3 |
2517988 |
81,5 |
Q3 |
135334 |
4,4 |
|
Q4 |
188906 |
6,1 |
Q4 |
313961,2 |
10,3 |
|
Q5 |
181978,9 |
0,6 |
||||
Q6 |
157616,7 |
5,2 |
||||
Q7 |
1700524,8 |
56,2 |
||||
Q8 |
184637,3 |
6,1 |
||||
Всего |
3086917 |
100 |
Всего |
3025211,2 |
100 |
Расхождение между вычисленными значениями прихода и расхода теплоты составляет:
? = • 100 = 2%