Расчеты химико-технологических процессов

4.4. Расчеты химико-технологических процессов

4.4.1. Расчеты  материальных балансов

Материальный баланс стадии нейтрализации (2 аппарата ИТН)

Составы исходных веществ

Составы исходных веществ, поступающих в аппараты ИТН, известны.

Азотная кислота: HNO₃ – 58 %; H₂O – 42 %.

Аммиак газообразный: NH3 – 99,85 %, инерты – 0,15 %.

Маточный (фосфатный) раствор из производства нитроаммофоски: H₃PO₄ – 30,21 %; HNO₃ – 28,64 %; H₂0 – 32,78 %; прочее – 8,33 %.

Раствор нитрата магния: Mg(NO₃)₂ – 37 %, H₂O – 63 %.

Слабый азотно-фосфатный раствор, подаваемый на вторую промывную тарелку аппаратов ИТН: HNO₃ – 17,94 %; H₃PO₄ – 2,02 %; H₂O – 74,93 %.

Конденсат сокового пара, подаваемый на четвертую промывную тарелку аппаратов ИТН, имеет тот же состав, что и соковый пар, выходящий из аппаратов ИТН.

Молярная масса для: аммиака – 17; HNO₃ – 63; H₃PO₄ – 98; NH₄NO₃ - 80; NH₄H₂PO₄ – 115; P₂O₅ – 142; Н₂О - 18.

Расчет количеств  исходных реагентов

Материальный баланс рассчитаем на 1000 кг исходного аммиака.

Для этого необходимо найти количество азотной кислоты и фосфатного раствора, требующихся для нейтрализации аммиаком.

В процессе нейтрализации  протекают следующие реакции.

1) Реакция образования  нитрата аммония:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

2) Реакция образования моноаммонийфосфата:

NH₃  + H₃PO₄ = NH₄H₂PO₄

3) Реакция образования  диаммонийфосфата:

2NH₃  + H₃PO₄ = (NH₄)₂HPO₄

Ввиду того, что диаммонийфосфата образуется незначительное количество по сравнению с моноаммонийфосфатом, то реакцией (3) можно пренебречь. Будем считать, что вся фосфорная кислота связывается с аммиаком в моноаммонийфосфат.

Для того, чтобы определить необходимое  количество фосфорной кислоты, содержащейся в фосфатном растворе, нужно знать  состав готовой продукции – аммиачной  селитры с фосфатной добавкой.

Конечный продукт должен содержать 32 % азота и 6 % P₂O₅, а также не более 0,5 % Н₂О.

Производственная мощность агрегата АС-72 450 000 т/год готовой продукции или 56 818,18 кг/ч. Для определения количеств исходных веществ будем использовать расходы без учета единицы времени, т. е. 56 818,18 кг.

Следовательно, содержание P₂O₅ будет 56 818,18 * 0,06 = 3 409,09 кг

или это 3 409,09 / 142 = 24,01 кмоль

2 кмоль H₃PO₄ содержит 1 кмоль P₂O₅:

2H₃PO₄ = P₂O₅  +  3Н₂О

Значит, количество исходной H₃PO₄ 24,01 * 2 = 48,02 кмоль

1 кмоль NH₄H₂PO₄ содержит 1 кмоль H₃PO₄, а также 1 кмоль NH₃

Следовательно, для того, чтобы содержание P₂O₅ в конечном продукте при заданной производственной мощности было не менее 6 %, необходим расход аммиака на образование моноаммонийфосфата 48,02 кмоль, или

48,02 * 17 = 816,26 кг.

1 кмоль NH₄H₂PO₄ содержит 1 кмоль элементарного азота

Следовательно, при заданной производственной мощности в моноаммонийфосфате содержится 48,02 кмоль аммонийного азота или 48,02*14=672,22 кг, что составляет 672,22 / 56818,18 * 100 = 1,18 % от конечного продукта

Т. к. общее содержание азота в аммиачной селитре  с фосфатной добавкой  должно быть 32 %, то в образующемся нитрате  аммония содержится 32 – 1,18 = 30,82 %, причем 15,41 % находится в нитратной форме, и столько же в аммонийной.

15,41 % от 56 818,18 кг составляет 8 755,68 кг или 8 755,68 / 14 = 625,41 кмоль. Именно столько нитратного (столько же и фосфатного) азота содержится в 625,41 кмоль NH₄NO₃ .

Следовательно, на образование 625,41 кмоль NH₄NO₃ необходимо 625,41 кмоль или 10 631,90 кг аммиака.

Таким образом, общий  расход аммиака должен складываться из количества аммиака, пошедшего на образование моноаммонийфосфата, и  количества аммиака, пошедшего на образование  нитрата аммония.

Q_ам=816,26 + 10631,90=11448,16 кг

Таблица 4.4.1.1.

Состав готового продукта

	кг/ч	кмоль/ч	% от  гот. прод.
Готовый продукт	56818,180		100,000
NH4NO3	50032,466	625,406	88,057
NH3	10631,899	625,406	18,712
N ам.	8755,682	625,406	15,410
HNO3	39400,567	625,406	69,345
N нитр.	8755,682	625,406	15,410
NH4H2PO4	5521,767	48,015	9,718
NH3	816,261	48,015	1,437
N ам.	672,215	48,015	1,183
H3PO4	4705,506	48,015	8,282
P2O5	3409,091	24,008	6,000
N общий	18183,578	1298,827	32,003

 

Т. к. расчет материального баланса  будет вестись на 1000 кг исходного аммиака, содержащего 99,85 % NH₃,то необходимо определить коэффициент пересчета:

К= 1000 * 0,9985 / 11 448,16 = 0,08722 

Необходимое количество фосфорной кислоты 48,08 * 0,08722 = 4,19 кмоль

Ввиду существующих потерь примем количество фосфорной кислоты 4,45 кмоль на 1000 кг аммиака. Следовательно, количество фосфатного раствора, содержащего фосфорную кислоту, составит:

4,45 * 98 * 100 / 30,21 = 1443,562 кг на 1000 кг аммиака

Количество азотной  кислоты в нем: 1443,562 * 28,47 / 100 = 410,982 кг или 410,982/ 63 = 6,524 кмоль

Количество аммиака, идущего на реакцию нейтрализации с фосфорной кислотой: 4,45 * 17 = 75,65 кг

Необходимое количество азотной кислоты найдем из уравнения реакции с учетом ее 4 %-ного ее избытка сверх стехиометрии, а также с учетом присутствия азотной кислоты в фосфатном растворе:

(998,5 – 75,65)*1,04*63/17 – 406,364 = 3145,79 кг

Соответственно, количество 58 %-ной азотной кислоты будет:

3145,79 *100 / 58 = 5423,777 кг

Количество конденсата сокового пара на 4-тую промывную  тарелку 100 кг, количество слабого азотно-фосфатного раствора на 2-ую промывную тарелку 50 кг.

Зная составы КСП и САФР, легко найти массу каждого вещества, в их входящих (см. таб. 4.4.1.1.).

В аппараты ИТН подается также 87 кг 37 %-ного раствора нитрата магния. /    /

Состав сокового пара после аппаратов ИТН

Для того, чтобы определить, сколько воды перейдет в соковый  пар в процессе нейтрализации, необходимо провести расчет теплового баланса аппаратов ИТН (расчет см. ниже). Полученное значение удаляемой из раствора воды 139,632 кмоль или 2 513,371 кг.

Кроме воды в соковый  пар переходит незначительное количество нитрата аммония (0,3 %), моноаммонийфосфата (0,03 %) и азотной кислоты (0,011 %), а также все инерты (1,5 кг), содержащиеся в аммиаке.

Следовательно, процентное содержание воды составляет:

100 – 0,3 – 0,03 – 0,011 = 99,659 % – вода и инерты

Воды, как известно из теплового баланса, 2 513,371 кг, инертов по приходу 1,5 кг; суммарная масса воды и инертов 2 513,371 + 1,5 = 2 514,871 кг

Масса сокового пара определится  как:  2 514,871 * 100 / 99,659 = 2523,465 кг

Следовательно, массовая доля инертов: 1,5/2523,465*100 = 0,059 %;

воды – 99,6 %.

Масса нитрата аммония: 2523,465 * 0,3 / 100 = 7,570 кг

Аналогично, масса моноаммонийфосфата 0,757 кг и масса  HNO₃ 0,266 кг.

Состав NP-раствора, выходящего из аппаратов ИТН

В реакционную зону аппаратов ИТН кроме исходных веществ поступает 0,3 + 11,2 = 11,5 кг NH₄NO₃, 0,03 + 1,185 = 1,188 кг NH₄H₂PO₄ и 0,3 + 0,15 = 0,45 кг HNO₃ с КСП и САФР; 3,031 кг NH₄NO₃ и 410,982 HNO₃

с фосфатным раствором;.

В результате реакции:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃

образуется    (998,5 – 75,65) * 80 / 17 = 4342,823 кг     NH₄NO₃ и остается

 3145,79 + 410,982 – (998,5 – 75,65) * 63 / 17 = 136,799 кг непрореагировавшей HNO₃

В результате реакции:

NH₃  + H₃PO₄ = NH₄H₂PO₄

образуется    75,65 * 115 / 17 = 511,75 кг NH₄H₂PO₄

В соковый пар переходит 7,57 кг NH₄NO₃ и 0,757 кг NH₄H₂PO₄.

Следовательно, в NP-раствор переходит:

4342,823 + 11,5 + 3,031 - 7,57 = 4 349,785  кг NH₄NO₃;

511,75 + 1,188 - 0,757 = 512,208 кг NH₄H₂PO₄;

2 277,986 + 99,370 + 37,465 + 54,810 + 473,200 – 2 513,371 = 429,459 кг воды;

32,190 кг нитрата магния;

136,799 + 0,45 – 0,266 = 136,983 кг воды;

120,249 кг прочего.

Масса NP-раствора 5580,873 кг.

Полностью рассчитанный материальный баланс аппаратов ИТН представлен в таблице 4.4.1.2.

 

Материальный  баланс стадии донейтрализации

Условием безопасной упарки растворов аммиачной селитры, в  том числе, растворов аммиачной селитры с фосфатной добавкой (NP-раствор), является нейтральная или слабощелочная среда, поэтому NP-раствор после аппаратов ИТН поступает в донейтрализатор Р-4, где избыточная кислотность нейтрализуется газообразным аммиаком до массовой концентрации аммиака в растворе 0,1 – 0,5 г/дм³. Состав аммиака тот же.

NP-раствор содержит 2,174 кмоль HNO₃, которую нужно полностью нейтрализовать. Для этого необходимо 2,174 кмоль или

2,174 * 17 = 36,958 кг NH₃

Для создания слабощелочной  среды раствора нужен избыток аммиака.

36,958 * 3,444 = 127,302 кг – NH₃

Тогда количество поступающего в донейтрализатор газообразного  аммиака:

127,302 *100 /  99,85 = 127,492 кг

В процессе донейтрализации образуется

36,958 * 80 / 17 = 173,946 кг NH₄NO₃

Следовательно в выходящем из донейтрализатора NP-растворе содержится

4 349,785 + 173,946 = 4523,731 кг NH₄NO₃

Все остальные компоненты поступающего на донейтрализацию NP-раствора в тех же количествах переходят в выходящий из донейтрализатора NP-раствор.

Материальный баланс донейтрализатора представлен в таблице 4.4.1.3.

 

Материальный баланс стадии упаривания (выпарной аппарат)

Далее NP-раствор поступает в выпарной аппарат, где с помощью насыщенного пара в противоточной продувке  горячим воздухом происходит удаление влаги.

Состав NP-раствора, входящего в выпарной аппарат, известен из стадии донейтрализации.

 Горячий технологический воздух подается в количестве

0,4679 * 5 708,367 = 2 670,997 кг

Он  содержит 0,38 % H₂O, что составляет 10,150 кг

На верхние промывные тарелки выпарного аппарата подается

0,029 * 5 708,367 = 165,543 кг парового конденсата

В паровоздушную смесь кроме  воды и «сухого» воздуха переходят инерты, а также незначительное количество нитрата аммония и моноаммонийфосфата.

В NP-плав переходит нитрат магния в количестве 32,190 кг, прочее в количестве 120,249 кг, нитрат аммония и моноаммонийфосфат.

Количество воды в плаве определяется из теплового баланса и равняется 1,41 кмоль или 25,38 кг, что составляет 0,487 %.

Составы выходящих из выпарного аппарата NP-плава и паровоздушной смеси приведены в таблице 4.4.1.4.

Состав готового продукта– аммиачной селитры с фосфатной добавкой -соответствует составу NP-плава.

Таким образом получается удобрение, содержащее 6,065 % P₂O₅ и 32,562 % азота.

В таблицах 4.4.1.5. – 4.4.1.7. приведены материальные балансы в расчете на часовую производительность (в кг/ч).