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
3
6 р ра HNO
3,041 681,4 40 82 885 кДж
Q С m t .
Статья
Приход, кДж
Расход, кДж
Газовый поток
826 272
163 775
Реакция абсорбции оксидов азота
1 135 908
-
Конденсация водяных паров
79 120
-
Разбавление безводной азотной кислоты
до 40 %-ной
2 161 700
-
Слабая азотная кислота (40 % масс.)
-
82 885
Охлаждающая вода
-
1 915 040
Всего
2 161 700
2 161 700
2
своб.
HO
m
Количество теплоты, отводимой охлаждающей водой (Q7),
найдем по разнице между приходом и теплотами, отводимыми газом и раствором кислоты:
Q7 = Q
прих – Q5
– Q6 = 2161700 – 163775 – 82885 = 1562307 кДж.
Тепловой баланс холодильника-конденсатора нитрозного газа
агрегата по получению азотной кислоты приведен в табл. 3.9.
Таблица 3.9
Тепловой баланс холодильника-конденсатора
Пример 5. На основе материального баланса окислителя
(табл. 3.7) и холодильника-конденсатора (табл. 3.8) осуществите
расчет абсорбционной колонны: определите количество воды,
необходимое для орошения колонны (
) и выполните мате-
риальный и тепловой расчет трех первых по ходу газа тарелок.
Степень превращения оксидов азота в колонне 99 %. Кислота
получается в виде раствора с концентрацией HNO3 57 % масс.
Количество добавочного воздуха, вводимого в абсорбционную
колонну принять равным 805,4 м3. Влажность этого воздуха 1 %, об.
Содержание воды в отходящих газах (выхлопных газах) 0,6 %
об. Объем отходящих выхлопных газов принять в 1,5 раза большим, чем объем поступающего нитрозного газа после окислителя. Степень окисления NO и степень абсорбции NO2 для первых
трех тарелок абсорбционной колонны приведены в табл. 3.10.
61
Тарелка
Степень окисления NO
по реакции (3.6)
Степень абсорбции NO2
по реакции (3.7)
Первая
0,79
0,23
Вторая
0,65
0,30
Третья
0,68
0,35
22
NO NO NO
νν
3
HNO
17,3 0,99 17,1 кмоль (1 077,3 кг),
3
3
3 2 2
HNO
HNO
HNO H O H O
1077,3
100 100 57 %,
1077,3
m
ω
m m m
2
HO
m
2
своб.
HO
m
Таблица 3.10
Степень окисления NO и степень абсорбции NO2
для тарелок абсорбционной колонны
Решение. Расчет количества воды, необходимой для оро-
шения колонны. Пересчитаем оксиды азота, находящиеся в нит-
розном газе (табл. 3.7, расходная часть), на NO2:
2,8 + 14,5 = 17,3 кмоль.
Найдем количество безводной кислоты, которое может образоваться из этого количества NO2 по реакции (3.3) с учетом заданной степени превращения:
Потери кислоты составят 17,3 ∙ 63 – 1077,3 = 12,6 кг. На образование 17,1 кмоль безводной HNO
8,55 кмоль H2O (реакция (3.6), что соответствует 153,9 кг.
Найдем массу воды, необходимую для получения кислоты
с концентрацией 57 % масс. из уравнения для массовой доли
азотной кислоты:
необходимо затратить
3
= 812,7 кг (45,15 кмоль).
Вода поступает в абсорбционную колонну с нитрозным газом
(106,2 кг), 40 %-ной азотной кислотой (408,6 кг), добавочным
воздухом и в свободном виде (
, это количество нам надо
62
найти), а расходуется на получение продукционной кислоты
2
своб.
HO
m
2
своб.
HO
m
2
своб.
HO
m
(812,7 кг), реакцию окисления NO2, уравнение (3.6) (153,9 кг) и
отводится с выхлопными газами.
Найдем массу воды, поступающей с воздухом. Воздуха по-
дается 805,4 м
3
. При влажности воздуха 1 %, об. в нем содер-
жится 805,4 ∙ 0,01 = 8,05 м3 воды (0,35 кмоль, 6,5 кг, н.у.).
Найдем массу воды, отводимой с выхлопными газами. Если
подавалось в колонну 3151,7 м
3
нитрозного газа, то на выходе
имеем 3151,7 ∙ 1,5 = 4727,6 м3 выхлопного газа, содержащего
4727,6 ∙ 0,006 = 28,4 м3 (22,8 кг н.у.) воды.
С учетом влажности воздуха и количества реакционной во-
ды составим материальный баланс по воде, подаваемой в колонну, из которого найдем
:
106,2 + 408,6 + 6,5 +
= 812,7 + 153,9 + 22,8;
= 468,1 кг.
Материальный расчет абсорбционных тарелок. С доба-
вочным воздухом вводятся кислород и азот. Если в колонну поступает 805,4 м
(1226,7 – 12,3) ∙ 0,21 = 167,4 м3 (7,47 кмоль) кислорода и (1226,7 –
– 12,3) ∙ 0,79 = 638 м3 (28,48 кмоль) азота. Состав газа, подаваемого под первую тарелку, приведен в табл. 3.11. За основу
взят нитрозный газ, выходящий из холодильника-конденсатора
(табл. 3.8, расходная часть), состав которого скорректирован с
учетом добавочного потока воздуха.
Для расчета абсорбции по тарелкам будем применять урав-
нения (3.6) и (3.7). Окисление NO происходит под тарелкой, со
степенью превращения, указанной в табл. 3.10, при этом образуется какое-то количество NO2. Абсорбция NO2 происходит на тарелке, при этом регенерируется определенная порция NO. Степень абсорбции NO2 на каждой тарелке также приведена в
табл. 3.10.
Под первой тарелкой окисляется 2,8 ∙ 0,79 = 2,21 кмоль NO,
расходуется 2,21 ∙ 0,5 = 1,11 кмоль O2, образуется 2,21 кмоль NO2.
На первой тарелке расходуется (10,20 + 2,21) ∙ 0,23 = 2,85 кмоль NO2,
3
воздуха, содержащего 8,05 м3 воды, то вводится
63
образуется 2,85/3 = 0,95 кмоль NO и 2,85∙2/3 = 1,90 кмоль HNO3.
Материальный расчет первой тарелки
Состав
газа
Состав газа, посту-
пающего под пер-
вую тарелку, кмоль
Состав газа после
окисления NO под
первой тарелкой,
кмоль
Состав газа после
абсорбции NO2 на
первой тарелке,
кмоль
O2
1,0 + 7,47 = 8,47
8,47 – 1,11 = 7,36
7,36
N2
120,8 + 28,48 = 149,28
149,28
149,28
NO
2,80
2,80 – 2,21 = 0,59
0,59 + 0,95 = 1,54
NO2
10,20
10,20 + 2,21 = 12,41
12,41 – 2,85 = 9,56
H2O
5,9 + 0,36 = 6,26
6,26
6,26
Всего
177,01
175,90
174,00
Материальный расчет второй тарелки
Состав
газа
Состав газа, посту-
пающего под вто-
рую тарелку, кмоль
Состав газа после
окисления NO под
второй тарелкой,
кмоль
Состав газа после
абсорбции NO2 на
второй тарелке,
кмоль
O2
7,36
7,36 – 0,50 = 6,86
6,86
N2
149,28
149,28
149,28
NO
1,54
1,54 – 0,65 ∙ 1,54 = 0,54
0,54 + 1,02 = 1,56
NO2
9,56
9,56 + 0,65 ∙ 1,54 = 10,56
10,56 – 0,3 ∙ 10,56 = 7,39
H2O
6,26
6,26
6,26
Всего
174,00
173,50
171,35
Материальный расчет третьей тарелки
Состав
газа
Состав газа, посту-
пающего под третью
тарелку, кмоль
Состав газа после
окисления NO под
третьей тарелкой,
кмоль
Состав газа после
абсорбции NO2 на
третьей тарелке,
кмоль
O2
6,86
6,86 – 0,53 = 6,33
6,33
N2
149,28
149,28
149,28
NO
1,56
1,56 – 0,68 ∙ 1,56 = 0,50
0,50 + 0,99 = 1,49
NO2
7,39
7,39 + 0,68 ∙ 1,56 = 8,45
8,45 – 0,35∙8,45 = 5,49
H2O
6,26
6,26
6,26
Всего
171,35
170,82
168,85
Аналогично проводим расчет второй и третьей тарелок. Результаты расчета приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11
Расчет состава газа на тарелках абсорбционной колонны
64
Найдем концентрацию азотной кислоты, образующейся на
3
3
32
HNO
2 тарелка
HNO
HNO H O
15,20 63
100 100 53,6 %.
15,20 63 46,10 18
m
ω
mm
каждой из трех первых по ходу газа тарелках абсорбционной колонны. С первой тарелки выходит самая концентрированная,
57 %-ная кислота. Всего в колонне при заданной степени поглощения оксидов азота образуется 17,10 кмоль 100 %-ной HNO
(см. расчет выше). На первой тарелке получается 1,90 кмоль
HNO
. Количество кислоты, которое должно образоваться на
3
верхних тарелках:
17,10 – 1,90 = 15,20 кмоль.
Для образования 57 %-ной HNO3 необходимо 45,15 кмоль воды
(см. расчет выше). Значит, на первую тарелку со второй должно
поступать 45,15 кмоль воды плюс количество воды, необходимое
для образования 1,90 кмоль кислоты на этой тарелке (0,95 кмоль,
реакция (3.6). Таким образом, количество воды, стекающей со
второй тарелки на первую:
45,15 + 0,95 = 46,10 кмоль.
Зная, что на вторую тарелку поступает 15,20 кмоль кислоты, найдем концентрацию азотной кислоты, стекающей со второй тарелки:
3
На второй тарелке получается (0,3 ∙ 10,56)∙2/3 = 2,11 кмоль
HNO
. Количество кислоты, которое должно образоваться на
3
верхних тарелках:
17,10 – 1,90 – 2,11 = 13,09 кмоль.
На вторую тарелку с третьей должно поступать 45,15 кмоль воды
плюс количество воды, необходимое для образования 1,90 кмоль
кислоты на первой тарелке (0,95 кмоль), плюс количество воды,
необходимое для образования 2,11 кмоль кислоты на второй тарелке (1,06 кмоль). Таким образом, количество воды, стекающей
с третьей тарелки на вторую:
45,15 + 0,95 + 1,06 = 47,16 кмоль.
65
Зная, что на третью тарелку поступает 13,09 кислоты, найдем
3
3
32
HNO
тарелка
HNO
HNO H O
13,09 63
100 100 49,3 %.
13,09 63 47,16 18
3
m
ω
mm
1 тарелка
1
112 800
2,21 124 644 кДж.
2
Q
1 тарелка
2
136 000
1,90 129 200 кДж.
2
Q
1 тарелка
3
23 000 1,90 43 700 кДж.Q
1 тарелка
124 644 129 200 + 43 700 = 297 544 кДж.Q
2 тарелка
1
112 800
1,00 56 400 кДж;
2
Q
концентрацию азотной кислоты, стекающей с третьей тарелки:
Концентрация раствора HNO3 после третьей тарелки 49,3 % масс.
после второй – 53,6 % масс., после первой – 57 % масс.
Тепловой расчет абсорбционных тарелок. На тарелках аб-
сорбционной колонны теплота выделяется за счет протекания
экзотермических реакций (3.6) и (3.7), а также за счет разбавления полученной по (3.7) кислоты до определенной концентрации.
На первой тарелке за счет образования 2,21 кмоль NO2
выделяется (реакция (3.7) теплоты:
При образовании безводной азотной кислоты 1,90 кмоль выделяется в соответствии с реакцией (3.6) теплоты:
При разбавлении полученной безводной HNO3 до 57 %-ной
(см. рисунок приложения) выделяется теплоты:
Всего на первой тарелке выделяется:
Таким же путем, зная сколько окислилось NO и образова-
лось HNO3, рассчитаем количество теплоты, которое выделилось
на второй тарелке:
66
2 тарелка
2
136 000
2,11 143 480 кДж;
2
Q
2 тарелка
3
25 000 2,11 52 750 кДж.Q
2 тарелка
56 400 143 480 + 52 750 = 252 630 кДж.Q
3 тарелка
1
112 800
1,06 59 784 кДж;
2
Q
3 тарелка
2
136 000
1,97 133 960 кДж;
2
Q
3 тарелка
3
26 000 1,97 51 220 кДж.Q
3 тарелка
59 784 133 960 + 51 220 = 244 964 кДж.Q
Всего на второй тарелке выделяется теплоты:
На третьей тарелке:
Всего на третьей тарелке выделяется теплоты:
Задачи для самостоятельного решения
1. Рассчитайте состав нитрозного газа, поступающего в хо-
лодильник-конденсатор агрегата получения азотной кислоты, работающего под давлением 0,716 МПа. Данные для расчета приведены в табл. 3.12. Результаты представьте в виде таблиц материальных балансов котла-утилизатора и окислителя.
2. Составьте материальный и тепловой балансы холодильни-
ка-конденсатора нитрозного газа агрегата по получению азотной
кислоты, работающего под давлением 0,716 МПа на основе материального баланса окислителя, полученного в предыдущем задании. При расчете считать, что образуется 40 %-ная HNO3,
что соответствует степени превращения оксидов азота 25 % (теплоемкость 40 %-ной HNO3 3,041 кДж/кг).
67
3. На основе расчетов материального баланса окислителя и
Данные
Вариант
1 2 3 4 5
Состав нитрозных газов на
выходе из контактного аппарата, кг
O2
260
290
250
300
280
N2
3000
2600
2800
2900
2700
H2O
440
430
425
450
400
NO
430
410
400
420
390
Степень окисления NO в котлеутилизаторе, %
36
37
38
39
40
Общая степень
окисления, %
82
83
85
84
81
Температура
нитрозного газа
на входе в холодильникконденсатор, ˚С
150
155
160
157
153
Температура
нитрозного газа
на выходе из
холодильникаконденсатора, ˚С
50
55
50
45
40
холодильника-конденсатора осуществите расчет абсорбционной
колонны: составьте материальный баланс колонны и выполните
тепловой расчет трех первых по ходу газа тарелок.
Таблица 3.12
Данные для расчета материальных и тепловых балансов
в технологии азотной кислоты
Остальные данные, необходимые для расчета, но не приведенные
в табл. 3.12, необходимо взять из соответствующего примера.
68
ПРИЛОЖЕНИЕ
t, ˚С
Воздух
Н
2
N2
NH3
NO
NO2
H2O
O2
СН
4
0 28,66
28,96
28,34
35,76
28,76
33,27
32,60
29,10
33,31
100
28,80
29,01
28,67
37,46
29,19
34,68
33,20
29,59
36,54
200
28,94
29,05
29,01
39,10
29,60
36,06
33,80
29,93
39,62
300
29,08
29,13
29,33
40,49
30,00
37,42
34,40
30,47
42,60
400
29,23
29,21
29,63
42,24
30,38
38,76
35,00
30,88
45,46
500
29,39
29,28
29,93
43,73
30,75
40,07
35,60
31,27
48,19
600
29,55
29,37
30,21
45,17
31,09
41,78
36,20
31,64
50,82
700
29,70
29,47
30,50
46,57
31,42
42,63
36,80
31,98
53,32
800
29,87
29,57
30,76
47,92
31,73
43,86
37,40
32,31
55,72
900
30,03
29,69
32,02
49,22
32,03
45,08
38,00
32,61
57,67
Значения средней мольной теплоемкости некоторых газов
при атмосферном давлении, кДж/(кмоль∙К)
Таблица
Рисунок. Теплота разбавления азотной кислоты водой
69
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной
Химическая технология неорганических веществ.
Книга 1 [Электронный ресурс] / Т. Г. Ахметов [и др.] –
Электрон. дан. СПб., 2017. – Режим доступа:
https://e.lanbook.com/reader/book/92998. - Загл. с экрана.
Химическая технология неорганических веществ.
Книга 2 [Электронный ресурс] / Т. Г. Ахметов [и др.] –
Электрон. дан. СПб., 2017. – Режим доступа:
https://e.lanbook.com/reader/book/89935. - Загл. с экрана.
Дополнительный
Расчеты по технологии неорганических веществ [Текст] /
под ред. М. Е. Позина. – Л. : Химия, 1977. – 496 с.
Кутепов, А. М. Общая химическая технология: Учеб. для
техн. вузов [Текст] / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. – М. : Высш. шк., 1990. – 520 с.
Игнатенков, В. И. Примеры и задачи по общей химической
технологии [Текст] / В. И. Игнатенков, В. С. Бесков. – М. :
Академкнига, 2005. – 198 с.
Расчеты по технологии неорганических веществ [Текст] /
под ред. П. А. Дыбиной. – М.: Высшая школа, 1967. - 524 с.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]