Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Материальные и тепловые балансы в технологии аммиака и азотной кислоты. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РФ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИНЖЕНЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
ФГБОУ ВО
О. А. КОЗАДЕРОВА, С. И. НИФТАЛИЕВ, К. Б. КИМ
МАТЕРИАЛЬНЫЕ И ТЕПЛОВЫЕ БАЛАНСЫ
В ТЕХНОЛОГИИ АММИАКА
И АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
ВОРОНЕЖ
2020
1
УДК 66.01(075.8)
К59
Козадерова, О. А.
Материальные и тепловые балансы в технологии
аммиака и азотной кислоты [Текст]: учеб. пособие /
О. А. Козадерова, С. И. Нифталиев, К. Б. Ким; Воронеж. гос.
ун-т инж. технол. – Воронеж: ВГУИТ, 2020. - 71 с.
ISBN 978-5-00032-493-6
Учебное пособие разработано в соответствии с требованиями
ФГОС ВО подготовки выпускников по направлению 18.03.01 – «Химическая технология» и предназначено для закрепления
теоретических знаний дисциплины "Химическая технология неорганических веществ" цикла Б3. В учебном пособии рассматриваются примеры
расчетов материальных и тепловых балансов в технологии аммиака и
азотной кислоты.
1704000000
К
ОК2(03) 2020
Без объявл.
ISBN 978-5-00032-493-6
УДК 66.01(075.8)
ББК Л20я7
©
Козадерова О.А., Нифталиев С.И.,
Ким К. Б., 2020
ФГБОУ ВО «Воронеж. гос. ун-т
ББК Л20я7
К59
Научный редактор профессор С.И. НИФТАЛИЕВ
Р е ц е н з е н т ы :
кафедра физической химии
Воронежского государственного университета;
д-р хим. наук О. Б. РУДАКОВ
(Воронежский государственный технический университет)
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Воронежского государственного университета инженерных технологий
Оригинал-макет данного издания является собственностью Воронежского
государственного университета инженерных технологий, его репродуцирование
(воспроизведение) любым способом без согласия университета запрещается.
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие составлено в соответствии с требования-
ми ФГОС ВО для подготовки выпускников по направлению
18.03.01 – «Химическая технология».
Прежде чем приступать к составлению материального и те-
плового баланса изучаемого технологического процесса, необхо-
димо четко представлять себе его технологическую схему, аппа-
ратурное оформление, закономерности протекания отдельных
стадий. В связи с этим в начале каждой части, посвященной оп-
ределенному неорганическому веществу, коротко дается необходимый теоретический материал, включающий, в том числе, опи-
сание аппаратурного оформления стадии, расчет материального и
теплового балансов которой осуществляется.
Работа с настоящим учебным пособием позволит обучаю-
щимся более глубоко изучить и понять основное неорганическое
производство, параметры и условия проведения технологического процесса с учетом свойств сырья, полупродуктов и готовой
продукции.
3
1. МАТЕРИАЛЬНЫЙ И ТЕПЛОВОЙ БАЛАНСЫ
исх. конечн.
mm
ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Первой обязательной частью любого технологического про-
цесса является материальный расчет количественных соотношений реагирующих масс и энергии. Материальный баланс позволяет контролировать расходы сырья, оценивать правильность
протекания отдельных стадий технологического процесса, точность проведения анализов и измерений. Если между величинами
масс введенных веществ и полученных продуктов есть разница
(сальдо), то возможно при расчете производства не учли некоторые свойства веществ, недооценили дополнительные потери или
протекание побочных реакций. Также на основании материального баланса (в совокупности с результатами энергетических и лабораторных исследований) можно выявить, что оборудование
определенной стадии процесса нуждается в реконструкции.
В основе материального баланса химических процессов ле-
жит закон сохранения массы:
,
где m
продуктов, полученных в ходе процесса.
Если в технологический процесс поступает m кг – продукта А,
m кг продукта В, а в результате получается m кг продукта С и m
кг продукта D, а также в реакционной смеси по окончании процесса остается часть непрореагировавших начальных веществ (m1
кг А и m1 кг В) и возможны производственные потери – Δm, то
должно выполняться равенство:
«расхода». Приходная часть баланса включает вводимые вещества
4
– сумма масс исходных реагентов; m
исх.
– сумма масс
конечн.
Расчеты проводят по балансовым уравнениям:
аA + bB = cC + dD.
m(A) + m(B) = m1(A) + m1(B) + m(C) + m(D) + Δm.
Из материального баланса определяют статьи «прихода» и
и факторы процесса, расходная – полученные вещества,
Приход
Расход
Статья
прихода
Масса,
кг
ω, %
Статья
расхода
Масса,
кг
ω, %
Продукт А
m(A)
Продукт А (остаток)
m1(A)
Продукт В
m(B)
Продукт В (остаток)
m1(B)
Продукт С
m(C)
Продукт D
m(D)
Производственные
потери
Δm
Итого
m
исх
100
Итого
m
кон
100
непрореагировавшие вещества и потери (таблица).
Таблица
Приходная и расходная статьи материального баланса
Энергетический (тепловой) баланс любого аппарата может
быть представлен в виде уравнения, связывающего приход и расход тепла процесса (аппарата). Энергетический баланс составляется на основе закона сохранения энергии, в соответствии с которым в замкнутой системе сумма всех видов энергии постоянна.
Обычно для химических процессов составляется тепловой баланс. Уравнение теплового баланса:
Применительно к тепловому балансу закон сохранения энергии
формулируется так: приход теплоты в данном аппарате (или
производственной операции) должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате (или операции).
вой баланс составляют на единицу времени, а для аппаратов
(процессов) периодического действия – на время цикла (или отдельного периода) обработки.
баланса с учетом тепловых эффектов (экзотермических и эндотермических) химических реакций и физических превращений
(испарение, конденсация и т.п.), происходящих в аппарате с учетом подвода теплоты извне и отвода ее с продуктами реакции, а
ΣQ
приход
= ΣQ
расход
.
Для аппаратов (процессов) непрерывного действия тепло-
Тепловой баланс рассчитывают по данным материального
5
также через стенки аппарата. Тепловой баланс, подобно матери-
1 1 2 2 3 3
смеси 1 1 2 2 3 3
1 2 3
,
G С + G С + G С
С С С С
G + G + G
альному, выражают в виде таблиц или диаграмм. В приходные
статьи теплового баланса, как правило, входят: теплота, развиваемая экзотермическими процессами; физическая теплота, приносимая нагретыми веществами; теплота, вносимая в процесс
извне. В расходные статьи входят: теплота, поглощаемая в эндотермических процессах (десорбция газов, парообразование, плавление, растворение); физическая теплота, уносимая продуктами
реакции; потери теплоты в окружающую среду.
В общем случае уравнение теплового баланса для определенного аппарата или узла технологического процесса имеет следующие составляющие:
Q
= mА СА (ТА – Т0) = nА СА (ТА – Т0); (1.1)
исх
Q
= QТ ХА nА= QТ ХА mА; (1.2)
х.р
Q
= mR СR (ТR – Т0) = nR СR (ТR – Т0), (1.3)
прод
где Q
– теплота, вносимая реагентами; Q
исх
– теплота, посту-
х.р
пающая (или отводимая) при протекании химической реакции;
QТ – тепловой эффект реакции, кДж/моль или кДж/кг; mА, mR –
массы входящих реагентов и выходящих продуктов, кг; n
, nR -
А
количество вещества реагентов и продуктов соответственно,
моль; С – теплоемкость исходных веществ или продуктов,
Дж/(кгград); Т0 – температура начала отсчета энтальпии, К
(в технической литературе по расчетам химико-технологических
процессов часто температурой начала отсчета энтальпии является
0 ºС); Т
но, К; Х
и ТR – температуры реагентов и продуктов соответствен-
А
степень превращения исходного реагента.
А –
Если приходится иметь дело со смесями веществ, то необходимо знать теплоемкость смеси, которая вычисляется по закону
аддитивности. Так, для смеси трех веществ в количестве G1, G2 и
G3, имеющих теплоемкости С1, С2 и С3, теплоемкость находят по
формуле:
где
– массовые доли компонентов смеси.
n
6
(1.4)
2. СИНТЕЗ АММИАКА
2
2
ν (CO + H )
,
ν (N )
Первой стадией в производстве аммиака является получение синтез-газа (рис. 2.1). Для этой стадии мы рассмотрим балансы трубчатой печи и шахтного конвертора (примеры составления
материальных и тепловых балансов двухступенчатой паровой и
паровоздушной конверсии углеводородных газов).
Рис. 2.1. Функциональная схема получения технологического
газа для синтеза аммиака
Конверсия СО водяным паром (балансы данной стадии в пособии
не рассматриваются) необходима для получения дополнительного количества водорода и снижения до минимума концентрации
оксида углерода в конвертированном газе. Частично эта реакция
протекает уже на стадии паровой конверсии метана, однако степень превращения СО при этом мала и в выходящем газе его
содержание не превышает 11 % об.
Для сухого конвертированного газа (после шахтного кон-
вертора) важным является отношение
которое необ-
ходимо поддерживать на уровне 3.
7
2.1. Получение синтез-газа из природного газа
При двухступенчатой паровой и паровоздушной каталитической конверсии углеводородных газов и оксида углерода под
давлением протекают реакции:
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 – 206,0 кДж, (2.1)
CH4 + 1/2O2 = CO + 2H2 + 34,7 кДж, (2.2)
CO + H2O ↔ CO2 + H2 + 40,9 кДж. (2.3)
Паровая конверсия под давлением (первая ступень конверсии) протекает в трубчатой печи. Паровоздушная конверсия с
использованием кислорода воздуха (вторая ступень конверсии)
проводится в шахтном конверторе метана (конверторе метана
второй ступени).
Основным видом оборудования агрегата конверсии является трубчатая печь. На рис. 2.2 показана прямоточная многорядная
трубчатая печь с верхним пламенным обогревом. Печь состоит из
камеры радиации и камеры конвекции и соединена дымоходом с
дымососом и дымовой трубой. К камере конвекции пристроен
пусковой котел высокого давления, в котором получают пар давлением 10,5 МПа. Он служит для пуска установки и выработки
некоторого количества пара при эксплуатации агрегата. В камере
радиации расположены вертикально 12 рядов труб, заполненных
катализатором. Допустимая температура нагревания трубы при
давлении 3,7 МПа 930 ˚С. Способ присоединения труб к коллекторам позволяет им свободно удлиняться при нагревании. В
верхнем своде камеры радиации между рядами реакционных
труб для их обогрева расположены инжекторные горелки факельного типа. В камере конвекции размещены подогреватели,
пароперегреватель высокого давления. В дымоходе перед камерой и в камере конвекции также имеются горелки для дополнительного подвода тепла при необходимости.
Проведение конверсии метана под давлением позволяет
уменьшить объем аппаратуры и коммуникаций и сократить расход энергии на компримирование газа. Однако повышение давления вызывает смещение равновесия реакции (2.1) влево. Для
8
компенсации отрицательного действия повышенного давления на
реакцию повышают температуру.
Рис. 2.2. Общий вид топочной камеры многорядной трубчатой
печи: 1 – кожух; 2 – коллекторы парогазовой смеси; 3 – коллектор
конвертированного газа; 4 – сборные дымоходы; 5 – нижние секционные коллекторы; 6 – реакционные трубы; 7 – газоотводящие трубы;
8 - горелки
Конвертор метана второй ступени (рис. 2.3) представляет
собой вертикальный аппарат, в верхней части которого расположена смесительная камера. На полукруглом своде (нижняя часть
аппарата) уложены шары из глинозема, а на них никелевый катализатор. Внутри аппарат футерован жаропрочным бетоном, снаружи снабжен водяной рубашкой, не допускающей перегрева
корпуса при нарушении целостности футеровки.
9
Рис. 2.3. Шахтный конвертор метана (конвертор метана II
ступени): 1 – термопары; 2 – защитный слой; 3 – корпус; 4 – водяная
рубашка; 5 – шары из глинозема; 6 – свод; 7 – опора; 8 – лестница;
9 – катализатор; 10 – футеровка; 11 – смесительная камера; 12 – верхняя
площадка для обслуживания
Пример 1. Составить материальный баланс трубчатой печи
для конверсии природного газа, состав которого приведен в табл. 2.1.
Данные для расчета: отношение объемов водяной пар/газ в исходной смеси 2,5; степень конверсии газа по углероду 69 % (XC);
гомологи метана разлагаются нацело; соотношение между CO и
СO
в конвертированном газе соответствует равновесию
2
реакции (2.3) при температуре газа у выхода из печи (700 оС).
Расчет вести на 200 м3 природного газа (при н. у.).
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]