Понятие, свойства, производство мочевины

курсовая работа

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%

Делись добром ;)