Лекция8 Нитрозные газы.
Задача. Реакция проходит в химическом реакторе при t=700С (предварительный нагрев до t=400С) на алюмопалладиевом катализаторе. Оксиды азота восстанавливаются до N2 с использованием восстановителей (CH4).
Реакция восстановления: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O;
CH4 + 4NO = CO2 + 2H2O + 2N2
Математическая модель реактора описывается 4 уравнениями (3 УМБ по компонентам + 1 УТБ):
1) dCO2 = - 2F K0,1 exp( - E1 ) C1,3CH4 CO2
dl V RT
2) dCNO = -4F K0,2 exp( - E2 ) CCH4 CNO
dl V RT
3) dCCH4 = - F K0,3 exp(-E3) C1,3 CH4 CO2 + K0,2 exp(-E2) CCH4 CNO
dl V RT RT
4) dT = ___F__( H1K0,1 exp (- E1 ) C1,3CH4 CO2 + H2K0,2 exp (- E2) CCH4CNO )
dl VCp RT RT
где: V – объемный расход газа, м3/ч;
С – концентрация соответствующего компонента, % об.;
F – площадь проходного сечения реактора,м2;
H - тепловой эффект реакции, кДж/ моль;
l – высота слоя контактной массы, м.
E1=E3= 11,8 кДж/моль, E2 = 78,88 кДж/моль – энергии активации;
Сp = 31,2 кДж/моль К – молярная теплоемкость при p=const.
газ
Исходные данные:
Dапп.= 3,6 м;
Vн= 82 000м3/ ч;
Сн CH4 = 1,4 % (от общего объема);
Сн O2 = 2,6 %;
Сн NO = 0,13%;
ПДК (NO) = 0,448 *10 -4 %об.;
Hкат. = 0,6 м;
Ск O2 =0,222 % об;
Ск NO = 2,25 *10-5 %;
СкCH4 = 0,178 %.
Задание: 1) составить МБ для каталитической очистки нитрозных газов;
2) определить объем контактной массы.
Решение:
1) Vк.м. = ПDапп.H/4 = 3,14 (3,6)2 0,6 = 6,1 м3
4
Состав нитрозных газов: 18% паров H2O, N2 и др. компоненты (см. ниже).
-
компонент
m, кг/ч
V, м3/ч
% об.
вход
1.
CH4
820,024
1 148
1,4
2.
O2
3 046,4
2 132
2,6
3.
NO
142,85
106,6
0,13
4.
N2
79 861,45
63 853,4
77,87
5.
H2O
11 867,04
14 760
18
95 737,76
82 000
100
выход
1.
CH4
103,85
145,38
0,177
2.
O2
260,12
182,04
0,222
3.
NO
0,0247
0,01845
2,25* 10-5
4.
N2
79 928,1
63 942,48
77,979
5.
H2O
13 477,17
16 762,65
20,442
6.
CO2
1 967,94
995,92
1,18
95 737,76
82 000
100
2) Концентрация N2 в газе на входе в аппарат:
C N2 (%) = 100-18-2,6-0,13-1,4 =77,87 %
3) Количество реагентов на входе:
а) объемные расходы
VCH4 = 82 000 1,4 = 1148 м3/ч
100
VO2 = 82 000 2,6 = 2 132 м3/ч
100
VNO = 82 000 0,13 = 106,6 м3/ч
100
VH2O= 82 000 0,18 = 14 760 м3/ч
100
VN2 = 82 000 77,87 = 63 853,4 м3/ч
100
б) массовые расходы
CH4 = 16 = 0,7143 кг/м3
22,4
m CH4 = V CH4 * CH4 = 1148 * 0,7143 = 820,024 кг
O2 = 32 = 1,4289 кг/м3
22,4
m O2 = V O2* O2 = 2 132 * 1,4289 = 3046,4 кг/ч
NO = 30 = 1,3401 кг/м3
22,4
m NO = V NO* NO = 106,6 * 1,3401 = 142,85 кг/ч
N2 = 28 = 1,2507 кг/м3
22,4
m N2 = V N2* N2 = 1,2507 * 63 853,4 = 79 861,45 кг/ч
H2O = 18 = 0,804 кг/м3
22,4
m H2O= V H2O * H2O =14 760 * 0,804 = 11 867 кг/ч
CO2 = 44 = 1,976 кг/м3
22,4
По вычисленным с помощью ЭВМ концентрациям на выходе из аппарата, находим объемные расходы газов на выходе из контактного аппарата.
4) Объемные расходы на выходе:
VO2=82000/100·0,222=182,04 м3/ч;
VNO=82000/100·2,25·10-5= 0,01845 м3/ч;
По количеству израсходованного по уравнению реакции (1) O2, определяем количество водяных паров, СO2 и израсходованного метана:
VH2O= ∆VO2= 2132-182,04=1949,96 м3/ч;
VCO2= 1949,96/2= 974,98 м3/ч;
∆VCH4= 974,98м3/ч;
Аналогично рассчитываем количество реагентов по 2-ой реакции:
VH2O= ∆VNO/2=(1066-0,01845)/2=53,29м3/ч;
VCO2= 53,29/2= 26,64м3/ч;
∆VCH4=26.64м3/ч;
Количество СH4 на выходе из реактора:
VCH4= 82000·0,178/100=145,4 м3/ч;
VCH4=1148-(974,98+26,64) = 145,38 м3/ч;
mCH4= VCH4·ρCH4=145,38·0,7143=103,85кг/ч;
Определяем массовые расходы O2 и NO на выходе:
mO2= 182,04·1,4289=260,12 кг/ч;
mNO= 0,01845·1,3401=0,0247 кг/ч;
Количества прореагировавших в-в:
∆mNO=142,85-0,0247=142,83 кг/ч;
∆mO2= 3046,4-260,12= 2786,28 кг/ч;
По уравнениям реакций определим компоненты и просуммируем:
CH4+ 2O2= CO2+ 2H2O;
64 44 36
2786,28 X1 Y1
X1=2786,28·44/64=1915,57 кг/ч;
Y1= 2786,28·36/64= 1567,2957 кг/ч;
CH4 + 4NO= CO2+ 2H2O+ 2N2;
120 44 36 56
142,83 X2 Y2 Z2
X2= 142,83·44/120= 52,37 кг/ч;
Y2= 142,83·36/120= 42,85 кг/ч;
Z2= 142,83·56/120=66,65 кг/ч;
mCO2= X1+X2=1967,94 кг/ч;
mH2O= Y1+Y2+ 11867,04=13477,17 кг/ч;
mN2= Z2+ 79861,45= 79928,1 кг/ч;