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
Пересчитываем объемы оставшихся в реакционной смеси
Ком-
по-
нент
Приход
Расход
кг
%
мас.
м
3
(н.у)
%
об.
кг
%
мас.
м
3
(н.у)
%
об.
NH3
302,3
7,2
398,3
11,5
- - - - O2
892,0
21,2
624,4
18,0
189,3
4,5
132,5
3,7
N2
2936,0
69,8
2348,8
67,8
2943,5
70,0
2354,8
66,1
H2O
73,9
1,8
92,0
2,7
554,1
13,2
689,5
19,4
NO - - - -
517,5
12,3
386,4
10,8
Всего
4204,2
100,0
3463,5
100,0
4204,4
100,0
3563,2
100,0
3
NH
3
NH 2 2
3
NH возд.
ср. возд. возд. Н О Н О
кДж
35,8 0,072 28,7 0,91 32,6 0,018 29,3 .
кмоль К
ССω С ω С ω
исходных веществ и образовавшихся продуктов в массы, принимая, что система находится в н.у. Составляем материальный баланс стадии окисления аммиака (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Итоги материального баланса стадии окисления аммиака
Пример 2. На основании материального баланса, получен-
ного в предыдущем примере, составить тепловой баланс стадии
окисления аммиака. Определите температуру, до которой необходимо нагреть аммиачно-воздушную смесь для того, чтобы процесс окисления протекал автотермично. Теплопотери в окружающую среду равны 4 % от прихода теплоты (К
= 0,04); тем-
4
пература нитрозных газов, поступающих в котелутилизатор, tг = 800 ˚С.
Решение. Приход теплоты. Найдем среднюю теплоемкость
аммиачно-воздушной смеси:
Теплоемкости компонентов смеси берем из табл. приложения при
температуре 0 ˚С.
Теплоту, вносимую аммиачно-воздушной смесью (Q1), за-
пишем через tx – искомую температуру, до которой надо нагреть
аммиачно-воздушную смесь для обеспечения автотермичности
процесса окисления аммиака:
51
3
3
NH возд.
NH возд.
1 ср. x x x
3463,5
29,3 4530,4 кДж
22,4 22,4
V
Q С t t t .
(3.1)
NO
V
2
(3.5)
N
V
NО
2 2 2 2 2 2
н.г.
ср. NO O O N N Н О Н О
кДж
31,7 0,108 32,3 0,037 30,8 0,661 37,4 0,194 32,2 .
кмоль К
ССω С ω С ω С ω
н.г.
н.г.
2 ср. г
3563,2
32,2 800 4 097 680 кДж.
22,4 22,4
V
Q С t
(3.1) (3.5)
потери 4 1 x
181,2 163 037,8.Q К Q Q Q t
(3.1) (3.5)
12потери
,Q Q Q Q Q
Вычислим тепловые эффекты реакций (3.1) Q
(3.5)
Q
при н.у. с учетом того, что по реакции (3.1) образовалось
386,4 м
3
NO (
), а по реакции (3.5) 6,0 м
3
N2 (
(3.1)
и (3.5)
, см. рас-
чет материального баланса);
(3.1)
Q
= 3 906 262,5 кДж;
(3.5)
Q
= 169 682,1 кДж.
Таким образом, приход теплоты равен:
Q1 + Q
(3.1)
(3.5)
+ Q
= 4530,4 ∙ tx + 4 075 944,6 кДж.
Расход теплоты. Найдем среднюю теплоемкость нитрозно-
го газа, полученного на стадии окисления:
Теплоемкости компонентов смеси берем из табл. приложения при
температуре 800 ˚С (по условию).
Рассчитаем теплоту, уносимую нитрозными газами:
Запишем теплопотери в окружающую среду в следующем
виде:
Приравняем приход теплоты расходу и составим уравнение
теплового баланса:
4530,4 ∙ tx + 4 075 944,6 = 4 097 680 + 181,2 ∙ tx + 163 037,8.
52
Решим это уравнение относительно tx. Найдем tx = 42,5 ˚С.
1x
4530,4 192 542,0 кДж;Q t =
потери x
181,2 163037,8 170 738,8 кДж.Q t
Приход
кДж
Расход
кДж
С аммиачно-воздушной
смесью
Тепловые эффекты экзотермических реакций
192 542,0
4 075 944,6
С нитрозным газом
Потери
4 097 680,0
170 738,8
Всего
4 268 486,6
Всего
4 268 418,8
Данные для расчета
Вариант
1 2 3 4 5
К
1
- степень превращения NH3 в NO,
0,97
0,95
0,96
0,97
0,98
К
2
- степень абсорбции NH3
0,95
0,93
0,97
0,98
0,99
К
3 -
концентрация NH3 в аммиачно-
воздушной смеси, % (об.)
10,0
10,5
11,0
11,5
12,0
влажность воздуха, % (об.)
3 4 5 6 7
масса HNO
3
, которую необходимо
получить, кг
500
1000
1500
1000
500
Тогда
Составим тепловой баланс стадии (табл. 3.2). Невязка ба-
ланса 0,0016 %.
Таблица 3.2
Тепловой баланс стадии окисления аммиака
Задачи для самостоятельного решения
1. Составьте материальный баланс стадии окисления ам-
миака. Исходные данные для расчета приведены в табл. 3.3.
Таблица 3.3
Данные для расчета материального баланса окисления аммиака
2. На основании материального баланса, составленного
вами в предыдущем задании, составьте тепловой баланс стадии
окисления аммиака. Определите температуру, до которой необходимо нагреть аммиачно-воздушную смесь для того, чтобы
процесс окисления протекал автотермично. Исходные данные
для расчета приведены в табл. 3.4.
53
Таблица 3.4
Данные для расчета
Вариант
1 2 3 4 5
К
4
- теплопотери в окружающую среду
0,05
0,04
0,03
0,06
0,07
tг - температура нитрозных газов, по-
ступающих в котел-утилизатор, ˚С
900
850
800
825
875
Данные для расчета теплового баланса окисления аммиака
Данные по теплоемкости газов необходимо взять из таблицы
приложения.
3.2. Окисление оксида азота (II)
Нитрозные газы, полученные при окислении аммиака, содер-
жат оксид азота (II), азот, кислород и пары воды. Для переработки
нитрозных газов в азотную кислоту необходимо окислить оксид
азота (II) в NO2. Реакция окисления (3.2) обратимая, экзотермическая и протекает с уменьшением объема. В соответствии с принципом Ле-Шателье снижение температуры и повышение давления
способствуют смещению равновесия реакции в сторону продуктов
реакции. Показано, что при температурах ниже 100 ˚С равновесие
реакции практически полностью смещено в сторону образования
NO2, с ростом температуры равновесие смещается влево и при
700 ˚С образования NO2 практически не происходит. В связи с этим
в горячих нитрозных газах, выходящих из контактного аппарата,
NO2 отсутствует, и для его получения газовую смесь необходимо
охладить до температуры ниже 100 ˚С. Окисление NO самая медленная стадия процесса получения азотной кислоты. В установках,
работающих под атмосферным давлением, окисляют NO примерно
на 92 %, а оставшийся оксид азота (II) поглощают щелочью.
В агрегате по производству HNO3 под давлением
0,716 МПа нитрозные газы, выходящие из контактного аппарата при
890-910 ˚С, поступают в котел-утилизатор, расположенный под контактным аппаратом. Там они охлаждаются до 170 ˚С, частично
окисляются (степень окисления до 40 %) и поступают в окислитель
нитрозных газов. Окислитель - это полый аппарат, в верхней части
которого расположен фильтр из стекловолокна для улавливания
платинового катализатора. В окислителе степень окисления нитро-
54
зного газа возрастает до 85 %. За счет реакции окисления нитрозные
Компонент
кг
% масс.
м
3
%, об.
O2
300,0
6,3
210,0
5,3
N2
3383,5
71,2
2706,8
67,8
H2O
554,0
11,7
689,4
17,3
NO
517,5
10,8
386,4
9,6
Всего
4755,0
100,0
3992,6
100,0
газы нагреваются до 300-335 ˚С и их охлаждают в двух последовательно расположенных холодильниках до 150 ˚С. После этого нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор. В схеме производства азотной кислоты АК-72 нитрозные газы из контактного
аппарата поступают в котел-утилизатор при температуре 840-860 ˚С,
расположенный под контактным аппаратом. После котлаутилизатора они охлаждаются в экономайзере и поступают в водяной холодильник для их дальнейшего охлаждения до 55 ˚С.
Обычно переработку нитрозных газов в разбавленную азот-
ную кислоту проводят при 10-50 ˚С, при этом часть NO
полимери-
2
зуется: 2 NO2 ↔ N2O4. Увеличение давления способствует образованию N2O4. Кроме этого, при окислении нитрозного газа образуется N2O3: NO2 + NO ↔ N2O3. Таким образом, нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, содержат NO2, N2O4, NO, N2O, N2O3, N2.
Пример 3. Рассчитать состав нитрозного газа, поступаю-
щего в холодильник-конденсатор агрегата получения азотной кислоты, работающего под давлением 0,716 МПа. Состав нитрозного газа на выходе из контактного аппарата приведен в табл. 3.5.
Частичное окисление оксидов азота в котле-утилизаторе составляет 57 % (степень окисления 0,57); в окислителе степень окисления оксидов азота возрастает до 0,84.
Таблица 3.5
Состав нитрозных газов на выходе из контактного аппарата
Решение. Нитрозные газы из контактного аппарата поступа-
ют в котел-утилизатор. В последнем NO частично окисляется до
NO2. Найдем массу NO, окислившегося до NO2 в котле-утилизаторе
по реакции (3.2), с учетом заданной степени превращения:
55
2
КУ
NO NO
517,5 0,57 259,0 кгm ,
Ком-
по-
нент
Приход
Расход
кг
%
масс.
м
3
(н.у)
%
об.
кг
%
масс.
м
3
(н.у)
%
об.
O2
300,0
6,3
210,0
5,3
142,7
3,0
99,9
2,6
N2
3383,5
71,2
2706,8
67,8
3383,5
71,0
2706,8
69,7
H2O
554,0
11,7
689,4
17,3
554,0
11,7
689,4
17,8
NO
517,5
10,8
386,4
9,6
222,5
4,7
166,1
4,3
NO2 - - - -
452,3
9,5
220,3
5,7
Всего
4755,0
100,0
3992,6
100,0
4755,0
100,0
3882,5
100,0
2
К У О ль
NO NO
517,5 0,84 434,7 кг
m ,
Ком-
по-
нент
Приход
Расход
кг
%
мас.
м
3
(н.у)
%
об.
кг
%
мас.
м
3
(н.у)
%
об.
O2
142,7
3,0
99,9
2,6
68,2
1,4
47,7
1,2
N2
3383,5
71,0
2706,8
69,7
3383,5
71,2
2706,8
70,7
H2O
554,0
11,7
689,4
17,8
554,0
11,7
689,4
18,0
NO
222,5
4,7
166,1
4,3
82,8
1,7
61,8
1,6
NO2
452,3
9,5
220,3
5,7
666,5
14,0
324,6
8,5
Всего
4755,0
100,0
3882,5
100,0
4755,0
100,0
3830,3
100,0
Что соответствует 220,3 м3 (н.у.). При этом израсходовано кислорода 157,3 кг (110,1 м3 н.у.) и получено 452,3 кг NO2 (220,3 м3).
Составим материальный баланс котла-утилизатора (табл. 3.6).
Таблица 3.6
Материальный баланс котла-утилизатора
Найдем общую массу NO, окислившегося до NO2 в котле-
утилизаторе и окислителе по реакции (3.2), с учетом заданной
степени превращения:
что соответствует 324,6 м3 (н.у.). При этом израсходовано кислорода 231,8 кг (162,3 м3 н.у.) и получено 666,5 кг NO2
(324,6 м3). Составим материальный баланс окислителя (табл. 3.7).
На выходе из окислителя останется 517,5 – 434,7 = 82,8 кг NO
(61,8 м3, н.у.); 300,0 – 231,8 = 68,2 кг O2 (47,7 м
3
, н.у.). Составим
материальный баланс окислителя (табл. 3.7).
Таблица 3.7
Материальный баланс окислителя
56
3.3. Переработка оксидов азота в азотную кислоту
Азотную кислоту получают абсорбцией оксидов азота во-
дой и водными растворами азотной кислоты. С водой реагируют
высшие оксиды NO2, N2O4 и N2O3:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 + 115,9 кДж;
N2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 + 59,13 кДж;
N2O3 + H2O = 2 HNO2 + 55,60 кДж.
Образующаяся азотистая кислота разлагается:
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O - 75,7 кДж.
Суммарно взаимодействие NO2 с водой можно представить
уравнением реакции
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 136 кДж, (3.6)
которое является исходным для всех расчетов процесса абсорбции. Образующийся NO снова окисляется до NO2:
2 NO + O2 = 2 NO2 + 112,80 кДж. (3.7)
Комбинация (3.6) и (3.7) позволяет получить балансовое уравнение (3.3), приведенное выше.
В агрегате производства азотной кислоты под давлением
0,716 МПа охлажденные окисленные нитрозные газы поступают в
холодильник-конденсатор. Там водяные пары конденсируются, и
образуется слабая азотная кислота (массовая доля HNO3 около
40 % масс.). Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся
азотной кислоты в сепараторе, из которого азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну на 6-7 тарелку, а нитрозные
газы – в абсорбционную колонну под нижнюю тарелку. Сверху в
колонну подают охлажденный паровой конденсат. Образующаяся
в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации
перетекает на нижележащие тарелки, за счет поглощения оксидов
азота концентрируется и на выходе получается 55-58 %-ная HNO3.
Она поступает в продувочную колонну для удаления растворенных в ней оксидов азота и далее направляется в хранилище.
57
Пример 4. Составить для условий примера 3 материальный
22
NO NO NO
νν
2
конд.
HO
3
3
3 2 2
HNO
HNO
конд.
HNO H O H O
100,
m
ω
mMν
2
конд.
HO
4,3 63
40 100,
4,3 63 18 ν
2
конд.
HO
ν
и тепловой балансы холодильника-конденсатора нитрозного газа
агрегата по получению азотной кислоты, работающего под давлением 0,716 МПа. При расчете считать, что образуется 40 %-ная
HNO3, что соответствует степени превращения оксидов азота
25 % (теплоемкость 40 %-ной HNO3 3,041 кДж/кг); принять тем-
пературу нитрозного газа на входе в холодильник-конденсатор
равной 160 ˚С; температуру нитрозного газа на выходе из холодильника-конденсатора 40 ˚С.
Решение. Пересчитаем оксиды азота, находящиеся в нит-
розном газе (табл. 3.7, расходная часть), на NO2:
2,8 + 14,5 = 17,3 кмоль.
Материальный баланс. Количество NO
, превращенное в
2
HNO3 (реакция (3.3), с учетом заданной степени превращения
составляет 17,3 ∙ 0,25 = 4,3 кмоль. При этом расходуется воды
2,2 кмоль, кислорода 1,1 кмоль, образуется HNO3 4,3 кмоль.
Известно, что образуется раствор HNO3 с концентрацией
кислоты 40 % масс. Найдем количество сконденсировавшейся
воды (
) из уравнения:
= 22,7 кмоль.
Тогда состав конденсата будет следующим:
4,3 ∙ 63 = 272,8 кг HNO3;
22,7 ∙ 18 = 408,6 кг H2O.
58
Всего останется в нитрозном газе:
Компонент
Приход
Расход
кг
кмоль
м
3
(н.у)
% ,
об.
кмоль
кг
% ,
масс.
м
3
(н.у)
% ,
об.
O2
68,2
2,1
47,0
1,2
1,0
32,0 - 22,4
0,7
N2
3383,5
120,8
2705,9
70,6
120,8
3382,4
-
2705,9
85,9
NO
82,8
2,8
62,7
1,6
2,8
84,0 - 62,7
2,0
NO2
666,5
14,5
324,8
8,5
10,2
469,2
-
228,5
7,2
H2O
газ
554,0
30,8
689,9
18,0
5,9
106,2
-
132,2
4,2
Всего
газ
4755,0
171,0
3830,4
100,0
140,7
4073,8
-
3151,7
100,0
H2O
конд
- - - - 22,7
408,6
60 - -
HNO3 - - - -
4,3
272,8
40 - -
Всего
конд
- - - - -
681,4
100 - -
Всего
4755,0 - - - -
4755,2 - -
-
водяных паров: 30,8 – 2,2 – 22,7 = 5,9 кмоль;
кислорода: 2,1 – 1,1 = 1,0 кмоль;
оксидов азота: 17,3 – 4,3 = 13,0 кмоль;
оксида азота (IV): 14,5 – 4,3 = 10,2 кмоль;
оксида азота (II): 13,0 – 10,2 = 2,8 кмоль (считаем, что NO
не окисляется);
Составим материальный баланс холодильника-конденсатора
(табл. 3.8).
Таблица 3.8
Материальный баланс холодильника-конденсатора
Тепловой баланс. В холодильник-конденсатор теплота по-
ступает с нитрозными газами, выделяется в результате экзотермической реакции (3.3), конденсации водяных паров и разбавлении полученной по (3.3) азотной кислоты. Отводится теплота с
газом, 40 %-ной кислотой и охлаждающей холодильник водой.
Для определения теплоты, поступающей с нитрозным га-
зом, найдем по формуле (1.4) теплоемкость нитрозного газа:
59
2 2 2 2 2 2 2 2
нитр.г.
ср. O O N N NO NO NO NO Н О Н О
29,9 0,012 28,7 0,706 29,2 0,016 36,1 0,085 33,8 0,18
кДж
30,2 .
кмоль К
ССω С ω С ω С ω С ω
Найдем количество теплоты, поступающей в холодильник-
нитр.г.
1 ср.
30,2 171,0 160 826 272 кДжQ С ν t .
2 2 2 2 2 2 2 2
ср. O O N N NO NO NO NO Н О Н О
29,4 0,007 28,6 0,859 29,0 0,02 33,5 0,072 32,9 0,042
кДж
29,1 .
кмоль К
ССω С ω С ω С ω С ω
.
5 ср.
29,1 140,7 40 163 775кДжQ С ν t .
конденсатор с нитрозным газом:
При конденсации 1 кг парообразной воды выделяется
2780 кДж. В конденсат перешло 408,6 кг воды из нитрозного газа,
следовательно, выделилось 1 135 908 кДж теплоты (Q2).
По уравнению (3.3) находим, что при образовании
4,3 кмоль HNO3 выделяется 79 120 кДж теплоты (Q3).
При разбавлении безводной азотной кислоты до 40 %-ной
выделяется 28 000 ∙ 4,3 = 120 400 кДж теплоты (Q4), где
28 000 кДж/моль теплота разбавления 100 %-ной HNO
3
до
40 %-ной, определенная по рисунку приложения:
Q
= Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = 826 272 + 1 135 908 + 79 120 +
прих.
+ 120 400 = 2 161 700 кДж.
Для расчета количества теплоты, которая отводится с га-
зом, найдем среднюю теплоемкость газа:
При подсчете средней теплоемкости газа учитываем его температуру (40 ˚С). Найдем количество теплоты, отводимой из холодильника-конденсатора с газом:
Количество теплоты, отводимой с раствором кислоты
(40 % масс.), найдем по формуле (1.3):
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]