Свойства готовых продуктов, сырья и полуфабрикатов.

1. Азотная кислота концентрированная HNO₃ в чистом виде – бесцветная жидкость с едким, удушливым запахом; имеет удельный вес 1,5 гр/см^3; 100% HNO₃ плавится при температуре –42 ^ОС; кипит при температуре +86 ^ОС. HNO₃ действует на все металлы, кроме серебра и платины. Хранится и транспортируется в алюминиевых цистернах. На свету медленно разлагается с выделением кислорода и двуокиси азота NO₂. Туман азотной кислоты и окиси азота в виде NO₂, N₂O₃ вызывает тяжелые отравления. ПДК в рабочей зоне – до 5 мг/м³ _.

2. H₂SO₄ техническая, регенерированная. H₂SO₄ в чистом виде – прозрачная бесцветная жидкость. Удельный вес – 1,81-1,84 гр/см³ . Температура кипения безводной серной кислоты 275 ^ОС, Температура плавления 10,45 ^ОС.

Концентрированная СК на холоде не действует на металлы, поэтому ее можно хранить в емкостях из черного металла. ПДК туманообразной кислоты в воздухе рабочей зоны 1мг/м³ .[ ]

 

2.4. Химизм основных и побочных реакций [4]

При установившемся в денитрационной колонне ГБХ равновесном процессе, HNO₃ из смеси кислот, поступающий в колонну на тарелку испарения, частично уходит на нижележащие тарелки, откуда снова отгоняется на тарелку испарения. В процессе дистилляции, то есть отгонки HNO₃ из тройной смеси, поднимающиеся вверх пары обогащаются более летучим компонентом – HNO₃, а в движущуюся вниз жидкость преходит менее летучий компонент – вода.

Процесс испарения HNO₃ происходит главным образом в средней части колонны. H₂SO₄, пройдя эту зону, содержит в себе растворенные окислы азота, переходящие из тройной смеси. Даже если в тройной смеси не было бы растворенных окислов азота, то при частичном разложении HNO₃ происходит выделение окислов, которые взаимодействуя с H₂SO₄, образуют нитрозилсерную кислоту:

 

2H₂SO₄ + N₂O₃ = 2HNSO₅ + H₂O + 86250 Дж.

Диоксид или четырехоксид азота, реагируя с концентрированной H₂SO₄, образует нитрозилсерную кислоту и азотную кислоту:

 

2NO₂ + H₂SO₄ = HNSO₅ + HNO₃

Процесс разложения нитрозилсерной кислоты с выделением окислов азота характеризуется как процесс денитрации. Однако термин "денитрация" служит для обозначения процесса, обратного этерификации. В данном случае более правильно процесс разложения нитрозилсерной кислоты называть процессом гидролиза:

 

2HNSO₅ + 2H₂O = 2H₂SO₄ + 2HNO₂

2HNO₂ = H₂O + N₂O₃ (жид)

N₂O₃ (жид) = N₂O₃ (газ)

N₂O₃ (газ) = NO(газ) + NO₂(газ)

 

Азотистая кислота (HNO₂), образующаяся при гидролизе нейстойчива и распадается:

2HNO₂ = H₂O + HNO₃ + 2NO

 

Нитрозилсерная кислота является довольно стойким соединением, которое при концентрациях H₂SO₄ выше 70% не разлагается полностью даже при температуре кипения. При разбавлении H₂SO₄ водой происходит гидролиз нитрозилсерной кислоты, степень которой увеличивается с понижением концентрации H₂SO₄ и повышением температуры.

Таблица №9 - Зависимость степени разложения HNSO₅  от концентрации H₂SO₄ при 15-20 ^ОС

Концентрация H2SO4, %	Степень разложения HNSO5 , %	Концентрация H2SO4, %	Степень разложения HNSO5 , %
98	1,1	81	19,4
95	4,0	80	27,7
92	7,3	70	49,8
90	12,4	57,5	100,0

 

Как видно из зависимости, начиная с концентрации 57,5% H₂SO₄, нитрозилсерная кислота совершенно отсутствует. Отработанная H₂SO₄, выходящая из колонны, должна содержать минимально возможное количество окислов азота. Это необходимо не только для исключения потерь  N₂O₃ , но и устранения нитрозилсерной кислоты, обладающей сильно разрушающими свойствами.

Поэтому гидролиз HNSO₅  в колонне ГБХ является важной стадией процесса. С увеличением температуры, степень гидролиза HNSO₅ увеличивается. Образующийся при разложении азотистой кислоты монооксид азота незначительно растворяется в разбавленной H₂SO₄. Гидролиз нитрозилсерной кислоты ведут с помощью перегретого пара до 250 ^ОС водяного пара, который подается с таким расчетом, чтобы разбавление кислоты конденсатом соответствовало массовой доли H₂SO₄ 68-70%. В отработанной H₂SO₄ содержится до 0,03% HNO₃ и растворенных окислов азота. Последние образуют с H₂SO₄ до 0,01% HNSO₅.

После стадии денитрации слабая H₂SO₄ отправляется на стадию концентрирования. В процессе концентрирования разбавленной H₂SO₄, имеющиеся в ней примеси, в частности, продукты неполного сгорания топлива (когда концентрирование ведется непосредственным соприкосновением упариваемой кислоты с топочными газами), вызывает разложение H₂SO₄ вследствие ее восстановления до SO_4. Восстановление в основном идет за счет углерода, содержащегося в примесях и в топливе по уравнению:

 

2H₂SO₄ + С = СО₂ + 2SO₂ + 2 H₂O

 

За счет этого происходят некоторые потери кислоты при ее упаривании. В процессе разгонки тройной смеси в колонне образуются нитрозные газы, которые поступают на поглощение в абсорберы. Наиболее распространенный способ поглощения нитрозных газов водой с образованием слабой HNO₃. На поглощение поступают нитрозные газы различной степени окисления. Окислы азота, содержащиеся в нитрозных газах NO₂, N₂O₄, N₂O₃ реагируют с водой, но монооксид NO не может реагировать с водой и для перевода его в HNO₃ следует предварительно окислить его до диоксида азота:

 

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ + 116 кДж.

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ + 59,2 кДж.

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ + 55,6 кДж.

Процесс поглощения нитрозных газов водой связан с растворением в ней диоксида азота, четырехоксида и трикосида азота с образованием HNO₃ и азотистой кислоты.

В газовой среде вследствии взаимодействия паров воды с нитрозными газами, также получается HNO₃ и азотистая кислота, но в значительном количестве. Образовавшаяся при помощи нитрозных газов азатитсая кислота – малоустойчивое соединение.

 

2HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O  - 75,8 кДж

Суммарная реакция образования HNO₃:

2NO₂ + H₂O  = HNO₂ + HNO₃

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + 2H₂O

^{____________________________________}

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO

 

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂

3HNO₂ = HNO₃ + H₂O + 2NO

 ^{_______________________}

3N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ + 4NO

 

Так как в нитрозных газах содержится незначительное количество триоксида азота, обычно технологические расчеты производят по NO₂. Как видно из формул 2/3 поглощенного диоксида азота идет на образование HNO₃, 1/3 его выделяется в виде монооксида азота.

Отсюда следует, что при поглощении водой нитрозных газов невозможно все количество NO₂ превратить в HNO₃, так как в каждом цикле всегда 1/3 NO_х будет выделяться в газовую фазу. Монооксид азота для дальнейшей переработки должен быть окислен кислородом до двуокиси азота по уравнению:

2NO + O₂ = 2 NO₂

Получающаяся двуокись азота опять реагирует с водой, превращаясь на 2/3 в HNO₃, а выделившаяся окись азота снова должна быть окислена. Таким образом, весь процесс поглощения распадается на ряд последовательно протекающих реакций окисления NO в NO₂ и образования HNO₃ из NO₂.

Однако указанные поглощения не являются совершенными и нитрозные газы перед выбросом в атмосферу следует дополнительно очистить от окислов азота. Отсюда следует, что в последнем абсорбере орошение ведется не водой, а концентрированной серной кислотой, которая до 0,003% поглощает окислы азоты, выбрасываемые в атмосферу газы соответствуют санитарным нормам.

В результате поглощения получается нитрозилсерная кислота:

 

2 H₂SO₄ +N₂O₃ = 2 NHSO₅  + H₂O + 20611 кал.

H₂SO₄ + 2 NO₂ = NHSO₅ + HNO₃ + 5709 кал.

Инженерные решения

В данный дипломный проект вводится ряд изменений, направленных на улучшение технологии переработки кислот и очистки отходящих газов.

1. На фазе улова окислов азота и паров азотной кислоты предусматривается внедрение дополнительной абсорбции отходящих газов концентрированной H₂SO₄. серная кислота реагирует с окислами азота, образуя нитрозилсерную кислоту, которая затем снова направляется в колонну ГБХ для переработки. Отходящие газы с небольшим содержанием окислов азота, выбрасываются в атмосферу.

2. Процесс регенерации отработанной кислоты переведен на автоматизированное управление с применением УВМ, что значительно снижает опасность технологического процесса и повышает качество продукции. Подача кислот в колонну ГБХ автоматизирована. Предусмотрено автоматическое отключение подачи компонентов в случае аварии.

2.6. Расчет материального баланса отделения концентрирования HNO₃ [1]

Отделение денитрации и концентрирования азотной кислоты.

Состав отработанных кислот, поступающих на денитрацию:

а) от нитрации                                          HNO₃     16-26%

                                                                    H₂SO₄     46-66%

                                                                    H₂O 18-28%

б) от абсорбционной установки

                                                                    HNO₃     50%

                                                                    H₂O        50%

Исходные данные для расчета

- концентрация крепкой азотной кислоты – 98%

- концентрация серной кислоты, поступающей в колонну – 91%

- концентрация отработанной кислоты, выходящей из колонны – 70%

Расчет составлен на 1 тонну условной отработанной кислоты, поступающей в колонну ГБХ, учитывая, что ОК – 80%, а смесь азотной кислоты и воды – 20%.

Выбираем средний состав кислот:

                                                         HNO₃     27%

                                                         H₂SO₄     45%

                                                         H₂O        28%

Принимаем, что в отработанной кислоте 3% АК в виде окислов азота связаны в нитрозилсерную кислоту по реакции (1):

 

2H₂SO₄ + N₂O₃ 2HNSO₅  + H₂O                                                  (1)

 

Пересчитав состав кислот, получим:

HNO₃        -     25%

H₂SO₄        -     45%

H₂O           -     26,1%

N₂O₃          -     0,9%

HNSO₅      -     3%

Всего        -     100%

 

В процессе разгонки кислотных смесей и гидролиза HNSO₅ в колонне протекают следующие реакции:

- разложение HNSO₅

 

2HNSO₅ + H₂O = 2H₂SO₄ + NO₂                                                                  (2)

 

- разложение HNO₃

 

2HNO₃ 2NO₂ + H₂O + 1/2O₂                                                                                          (3)

2HNO₃  N₂ + H₂O + 2*1/2 O₂                                                                                           (4)

 

- разложение N₂O₃

N₂O₃(газ) NO (газ) + NO₂ (газ)                                                             (5)

 

В колонну ГБХ поступает:

1. Отработанная кислота в количестве 1000 кг,

В том числе:

HNO₃        -     250 кг

H₂SO₄        -     450 кг.

H₂O           -     261 кг.

N₂O₃          -     9 кг.

HNSO₅      -     30 кг.

2. Купоросное масло 91% - х кг.

3. Перегретый пар – у кг.

4. Воздух, подсасываемый из помещения

 

Из колонны выходит:

1. Разбавленная 70% H₂SO₄= кг

2. Крепкая 98% HNO₃ = =242,3 кг

3. Нитрозные газы

а) в колонне 1/2 количества (1,5%) HNO₃ разлагается до NO₂ по реакции (3)

242,3х0,015 = 3,64 кг.

При этом образуются газообразные вещества:

NO₂= =2,65 кг

H₂O = =0,52 кг

O₂ = =0,46 кг.

б) по реакции (4) разлагается ½ количества (1,5%) HNO₃ до N₂:

N₂= =0,81 кг.

H₂O = =0,52 кг.

O₂ = =2,3 кг

в) при разложении N₂O₃ по реакции (5):

NO₂= =5,45 кг

NO = = 3,55 кг

г) при разложении HNSO₅ по реакции (2):

NO₂= =5,43 кг

NO = = 3,54 кг

 

Выделившаяся в процессе реакции серная кислота вновь войдет в состав отработанной кислотной смеси и доля ее в последней составит 450кг.

д) с нитрозными газами уносится 1% HNO₃:

242,3х0,01 = 2,42 кг.

В результате гидролиза получается следующее количество сухих нитрозных газов (без учета подсоса воздуха):

	g, кг	u, нм^3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	0,81	0,65
O2	2,76	1,93
HNO3	2,42	0,86
Всего	26,58	15,6

 

Подсос воздуха u_под через неплотности соединений царг колонны принимаем равным 100% объема сухих газов

u_под = 15.6 нм³, в том числе:

N₂=0,78*15,6=12,17 нм³;

O₂=0,21*15,6=3,28 нм³;

или

N₂= =15,21 кг;

O₂= =4,68 кг;

 

Итого: u_под=19,89 кг.

Принимаем, что подсасываемый воздух поступает при t=20 ^ОС, относительная влажность 80%

Количество водяных паров, поступающих в колонну с воздухом (14,61*0,8)10^-3*19,89=0,23 кг, где

d₀ = 14.61  - влагосодержание

Всего воздуха: 19,89+0,23=20,12 кг.

Количество и состав сухих газов, выходящих из колонны с учетом подсоса воздуха:

	g, кг	u, нм^3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
HNO3	2,42	0,86
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
Всего	46,47	31,11

 

 

Количество паров воды, уходящих из колонны (за конденсатом) с нитрозными газами при t=35 ^ОС

H₂O = , для

v= 30  нм³

p=1,8 мм. Рт. Ст – парциальное давление воды над 98% HNO₃ при t=35 ^ОС

p=133.3*1.8=239.9 Па

 

 

H₂O =  кг

в объеме v=  нм³

Общий состав газов, поступающих на поглощение:

	g, кг	u, нм^3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
H2O	0,07	0,057
HNO3	2,42	0,86
Всего	46,54	31,12

 

Таблица №10 - Сводный материальный баланс отделения концентрирования HNO₃

Приход:
1. Отработанная кислота	1000 кг.
2. Купоросное масло	х кг.
3. Перегретый пар	у кг.
4. Воздух через неплотности	19,89 кг.
Итого:	1019,89+х+у
Расход:
1. Слабая H2SO4 70%	(450+х)/0,7 кг.
2. Крепкая HNO3 98%	242,3 кг.
3. Нитрозные газы	46,54 кг.
Итого:	(931,70+х)/0,7

 

Приравнивая приход к расходу, получаем уравнение материального баланса

1019,89+х+у=931,7+

у=0,43х-88,19

2.7. Расчет теплового баланса [1]

Так как в уравнении материального баланса входит распад пара (у), то будем определять его с помощью уравнения теплового расчета.

Исходные данные:

1. Температура отработанной кислоты, поступающей в колонну - 90 ^ОС

2. Температура H₂SO₄ 91% - 20 ^ОС

3. Температура отработанной кислоты H₂SO₄ 70% - 170 ^ОС

4. Температура выходящих из колонны HNO₃ и нитрозных газов – 85 ^ОС

5. Температура HNO₃ 98% из конденсатора, поступающей в колонну - 40 ^ОС

Температура крепкой HNO₃ 98%, выходящей из колонны в холодильник 85 ^ОС

6. Температура подсасываемого воздуха 20 ^ОС

Приход тепла:

1) С отработанной кислотой

Q=q₁*c₁*t₁=1000*2.22*90=119800 кДж; (47732.2 ккал)

c₁=2,22  -  удельная теплоемкость отработанный кислоты при температуре 90 ^ОС

 

2) С перегретым паром, теплосодержание которого при t=220 ^ОС равно 700.8 кДж; Q₂=700,8*у

3) Теплота от H₂SO₄ состоит из физической теплоты  и теплоты разбавления

= +

Физическая теплота определяется по формуле

= = х кДж/(8.4x ккал)

=1,759 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 91% при t=20 ^ОС

Теплота разбавления H₂SO₄ определяется разницей теплот разбавления до 70% и 91%.

Удельная теплота разбавления g= (); n=H₂O/H₂SO₄

В H₂SO₄ с массовой долей 91%, моль:

H₂SO₄ = х 0,91/98 = 0,0094 х

H₂O = х 0,09/18 = 0,005 х

n = 0,005 х/0,0094 х =0,53

 

В H₂SO₄ 70% моль:

Примем (450+х)/0,7=z

H₂SO₄=z 0.7/98 = 0,007 z

H₂O = z 0.3/18 = 0,016 z

n = 0,016 z/0.007 z = 2.38

 

Удельная теплота разбавления  H₂SO₄ с массовой долей 100% до 91%:

= =4066,1 (17036,8 )

Уд теплота разбавления  H₂SO₄ с 100% до 70%

 = =10174 (42628,9 )

Удельная теплота разбавления с 91% до 70%:

=42628.9-17036.8=25592.1 (6107.9 ккал)

=17,8*25592,1=455539,4 кДж (108720,6 ккал)

 

=35,18х + 455539,4 кДж (8,4*х + 108720,6 ккал)

4) С HNO₃ 98%, поступающей из конденсатора в колонну с t=40 ^ОС

=  = 242,3*40*1,93=18705,56 кДж (4464,3 ккал)

5) С воздухом, подсасываемым из помещения с t=20 ^ОС

= =19,89*1*20=397,8 кДж (94,94 ккал)

= 1 кДж/кг град – удельная теплоемкость воздуха

 

Всего в колонну приход тепла, кДж

+ + + + =199800 + 700,8 у + 35,18х + 455539,4 + 18705,56 + 397,8 = 674442,76 + 35,18х + 700,8у

 

Расход тепла

1) С парами HNO₃ 98%, выходящих из колонны:

= =0.98*242.3*1.936*85=39075.43 кДж=9325,9 ккал

2) На испарение HNO₃:

=0,98*242,3*i=0,98*242,3*483=114690,28 кДж=27372,38 ккал,

где i=483кДж/кг – теплота испарения 1 кг кислоты.

На испарение 4% H₂O, содержащихся в HNO₃:

= *0,98*242,3*i= *0.98*242.3*2259=22350.36 кДж, где

i=2259 кДж/кг – теплота парообразования воды

= + =114690,28+22350,36=137040,64 кДж = 32706,6 ккал

3) Теплота, уносимая с 70% H₂SO₄ при t=150 ^ОС

=()*2,09*150=201535,71+447,86х кДж

=2,09 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 70%

4) С HNO₃ 98%, уносимой из колонны с t=85 ^ОС в холодильник:

= =242,3*1,93*85=39749,32 кДж = 9486,71 ккал

5) На нагрев подсасываемого воздуха из помещения в среднем до t=90 ^ОС

=19.89(90-20)=1392.3 кДж

6) На закрепление содержащихся в отработанной кислоте слабой HNO₃ при ее массовой доле в смеси:

*100%=49%

Удельная теплота для HNO₃:

g=n*8974/(n+1.737) ккал/моль

В кислоте с массовой долей 49%, моль:

HNO₃=250*0,49/63=1,94; H₂O =250*0,51/18=7,08

n=7.08/1.94=3.65

Удельная теплота разбавления для HNO₃ 98%:

ккал/моль=25476,86 кДж/моль

В кислоте с массовой долей HNO₃ 98%, моль:

HNO₃=0,98/63=0,016; H₂O =0,02/18=0,001

n=0.001/0.016=0.069

Удельная теплота разбавления для HNO_{3 98%}

  ккал/моль=1436,59 кДж/моль

Теплота закрепления HNO₃, находящейся в отработанной кислоте с 49% до 98%: =(25476,86-1436,59) =89017,7 кДж=21245,27 ккал

7) Теплота, уносимая с нитрозными газами:

= q₇*c₇*t, где

c- удельные теплоемкости газов с t=85 ^ОС

NO2	13,5*0,75*85=865,92 кДж
NO	7,09*0,996*85=600,2 кДж
N2	16,02*1,04*85=1416,17 кДж
O2	7,44*0,923*85=583,71 кДж

 

H₂O         0,07*1,373*85       =       8,17 кДж

HNO₃      2,42*1,8*85           =       370,26 кДж

Всего:                                                        3843.73 кДж

8) В окружающую среду колонна ГБХ в течение 1 часа теряет порядка 800 ккал (33520 кДж). При условии подачи в колонну 92 кг/мин тройной смеси и выработки колонны 60 тиг в сутки.

Потери тепла в окружающую среду:

= =6072,46 кДж

Всего расход тепла, кДж:

 

+ + + + + + + =39075,43+137040,64+201535,71+447,86х+39749,32+1392,3+89017,7+3843,73+6072,46=517727,29+447,86х

 

Приход приравним к расходу:

674442,76+35,18х+700,8у=517727,28+447,86х

у=0,59х-223,62

Решаем совместно уравнение материального и теплового балансов:

0,43х-88,19=0,59х-223,62

х=847

у=276,11

Таблица №11 - Материальный баланс денитрации и концентрирования HNO₃

Расчет составлен на 1 тонну отработанной кислоты

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Отработанная кислота	900	42	1. Крепкая HNO3 98%	242,3	11,3
2. 50% HNO3	100	4,7	2. Слабая HNO3 70%	1852,86	86,5
3. Купоросное масло	847	39,52	3. Нитрозные газы	46,54	2,2
4. Перегретый пар	276,11	12,88
5. Воздух через неплотности	19,89	0,93
Всего:	2143	100	Всего:	2143	100

 

Таблица №12 - Тепловой баланс концентрирования азотной кислоты

Приход		Расход
статьи прихода	КДж	статьи расхода	кДж
1. С отработанной кислотой	199800	1. С парами HNO3 98%	39075,43
2. С перегретым паром	193497,89	2. На испарении HNO3	137040,64
3. Теплота от H2SO4 91%	485336,86	3. С H2SO4 70%	581546,53
4. С HNO3 50% из конденсатора	18705,56	4. С HNO3 98%	39749,32
5. С воздухом	397,8	5. На нагрев воздуха	1392,3
		6. На закрепление слабой HNO3	89017,7
		7. С нитрозными газами	3843,73
		8. В окружающую среду	6072,46
Всего:	897738,11	Всего:	897738,11

 

На 1 тонну отработанной кислоты приходится в 4.127 раза больше крепкой 98% HNO₃. Пересчитаем на 1 тонну готового продукта 98% HNO₃

 

Таблица №13 - Нормы расхода сырья для производства 1 тонны готового продукта 98% HNO₃

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Отработанная кислота	3714,3	41,97	1. Крепкая HNO3 98%	1000	11,3
2. 50% HNO3	412,7	4,73	2. Слабая HNO3 70%	7654,87	86,5
3. Купоросное масло	3492,48	39,52	3. Нитрозные газы	194,69	2,2
4. Перегретый пар	1138,24	12,88
5. Воздух через неплотности	79,54	0,9
Всего:	8849,6	100	Всего:	8849,6	100

 

2.8 Расчет материального баланса концентрирования H₂SO₄

Исходные данные:

1. Температура кислоты на входе 150 ^ОС

2. Температура кислоты на выходе 250 ^ОС

3. Температура дымовых газов на входе 900 ^ОС

4. Температура дымовых газов на выходе 130 ^ОС

 

1. Потери при концентрировании составляют 0,06%, из них 50% на разложение SO₂  и 50% - теряется в виде паров серной кислоты

В вихревую колонну поступает разбавленная серная кислота (с учетом потерь):

 

 G_разб = G(1-0,0006) = 7654,87*0,9994 = 7650,28 кг.

 

в том числе воды:

 = G_разб(1- ) = 7650,28(1-0,7) = 2295,08 кг.

В колонну подается кислота (в пересчете на моногидрат):

G_пр = G(1-0.0006)  = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2. При концентрировании серная кислота разлагается по формуле:

H₂SO₄ = SO₂ + H₂O + 1/2O₂

Q_разл = 228900 кДж/кмоль – теплота разложения H₂SO₄. Потери от разложения составляют 50% общих потерь или 0,03%:

 

G_пот = G_т*0,03/100 = 7650,28*0,0003 = 2,3 кг.

 

3. Потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами составляют также 50% общих потерь (0,03%)

 

G_ун = 0,0003*7650,28 = 2,3 кг.

 

4. Общие потери составляют:

 

G_{пот =} G_ун + G_{разл =} 2.3*2 = 4.6 кг.

 

5. При разложении серной кислоты образуется:

H₂SO₄ = SO₂  + H₂O + 1/2O₂

 = 98;  = 64

SO_{2 =}  = 1,5 кг.

O₂  =  = 0,38 кг.

H₂O =  = 0,42 кг.

6. В колонне выпариваются воды:

 

G_вых =  G_разл[(1-G_исх/100)-(1-G_к/100)] = 7650.28[(1-70/100)-(1-91/100)] = 1606,56 кг.

7. Выход 91% продукционной H₂SO₄:

G_кон= G_разл- G_разл[(1-G_исх/100)-(1-G_к/100)] ] = 7650.28-1606.56=6043.76 кг.

8. Приход кислоты по моногидрату:

G_пр = G_исх  = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2.9. Расчет теплового баланса вихревой колонны [4]

Приход тепла:

1. с разбавленной серной кислотой 70% при t = 150 ^ОС

 

Q_{1 =} Q_прH_пр = 7654.87*342 = 2617934.76 кДж = 624805,43 ккал.

H_{пр =} 342 кДж/кг – энтальпия исходной кислоты

 

2. С дымовыми газами, поступившими из топки:

 

Q_{2 =}  = 31,37х*1,45*900 = 40937,85х кДж = 9770,37 ккал.

V_{2 =} 31,37 м³ – объем газов

С_{2 =} 1,450 кДж/м³ град

 

Общий приход тепла: Q_общ =  Q₁₊ Q₂ = 2617934,76+40937,85х кДж

 

Расход тепла

1. С продукционной кислотой при 250 ^ОС:

 

Q_{1 =} C_k*H_{k =} 5355.2*458 = 2452681.6 кДж = 585365,54 ккал

H_{к =} 458 кДж/кг – энтальпия серной кислоты 91%

 

2. С водяным паром выделяется при выпаривании и разложении:

 

Q_{2 =} C_вп*H_{вп =} 1606.98*2737.7 = 4399429.15 кДж = 1049983.09 ккал

G_{вп =} G_уп + G_разл = 1606,56 + 0,42 = 1606,98 кг.

H_{вп =} 2737,7 кДж/кг – энтальпия водяного пара

G_{уп и} G_разл – из материального баланса.

 

3. С дымовыми газами, уходящими с t = 30 ^ОС:

Q_{3 =}  = 31,37х*1,336*130 = 5448,34х кДж = 1300,32 ккал.

V₂ – объем дымовых газов на м³ сжигаемого газа

С₂ = удельная теплоемкость дымовых газов при t=130 ^ОС

С₂ = 1,336 кДж/м³ град

4. На испарение серной кислоты:

Q₄ = G_исп + H_исп=2,3*511,2=1175,76 кДж=280,61 ккал

Н_исп=511.2 кДж/кг - удельная теплота парообразования серной кислоты

 

5. С парами серной кислоты:

 

Q₅ = G_исп + H = 2,3*201,4=463,22 кДж=110,55 ккал

Н – энтальпия 100% серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^ОС.

6. На разложение серной кислоты:

 

Q₆ =  = =5372,14 кДж = 1282 ккал.

 

7. С продуктами разложения серной кислоты в результате разложения серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^ОС образуются:

 

=1,5 кг.; =0,38 кг.; =2,3 кг

Q₇ = ( *  + * )t=(0.963 + 0.353)130 = 171.08 кДж = 40,83 ккал

 

8. При концентрировании серной кислоты (дегидратации) от 70% до 91% расходуется тепла:

 

Q₈=G_уп(Q_70%- Q_91%)

Q_70% = 427,4 кДж/кг – теплота разбавления до 70%

Q_91% = 157,3 кДж/кг – теплота разбавления до 91%

Q₈ = 5355,2(427,4-157,3)=1446439,52 кДж = 345212,3 ккал

 

9. Потери тепла в окружающую среду примем 1% от общего количества расхода тепла на концентрировании серной кислоты:

 

 Q= 2452681,6 + 4399429,15 + 5448,34х + 463,22 + 1175,76 + 5372,14 + 171,08 + 1446439,52 = 5853050,87 + 5448,34 х кДж

Q_д = 58530,51 + 54,48 х к`Дж

Q_расх = 5911581,38 + 5502,82 х кДж

 

10.  Для определения расхода топлива ^приравниваеме приход тепла к расходу:

Q_общ = Q_расх

2617934,76+40937,85х=5911581,38+5502,88х

35435,03х=3293646,62

х=92.95

11.   Определяем часовое количество и состав газов, поступающих на установку из топки.

Таблица №14 - Количество и состав газов из топки

газы	м^3	кг.
CO2 : 1,27*92,95	118,5	231,87
N2: 24,43*92,95	2270,77	2838,46
O2: 4,03*92,95	374,59	535,13
H2O: 2,68*92,95	249,11	200,17
Всего	3012,52	3805,63

 

12.  Определяем часовое количество газов, уходящих с установки:

Таблица №15 - Часовое количество газов

газы	м^3	кг.
CO2: *х=1,27*92,95	118.05	231.87
N2: *х=24,43*92,95	2270.77	2838.46
O2: =374,59+0,38*22,4/32	374.86	535.51
SO2: 22.4/64	0,53	1,5
H2O: +	2249,43	1807,58
H2SO4: *22,4/98	0,53	2,3
Всего	5014,7	5417,22

 

Таблица №16 - Материальный баланс концентрирования серной кислоты

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Газы из топки	3805,63	33,2	1. Газы в аотмосферу	5417,22	46,26
2. Серная кислота 70%	7654,87	66,8	2. серная кислота 91%	6043,72	52,72
			3. Пары серной кислоты	2,3	0,02
Всего:	11460,5	100	Всего:	11460,5	100

 

Таблица №17 - Тепловой баланс концентрирования серной кислоты

Приход

Расход