Составление теплового баланса контактного узла

Приход тепла вследствие реакций окисления NН₃ (38) и (42) в час (в кДж/кмоль):

.

.

Приход тепла с аммиачновоздушной смесью

,

где m - количество поступающей аммначновоздушной смеси, кмоль; С_р - средние молярные теплоемкости компонентов газа, кДж/(кмоль×°С) (при температурах 0—300°С С_Р^NH3=39,4 кДж/(кмоль×С), С_р^O2 = 30,5; С_p^N2 = 29,43); t_x – температура аммиачновоздушной смеси, °С.

.

Расход тепла с выходящими после катализа нитрознымн газами будет:

Q₄ = (994×32,1+398×32,8+1552×38,3+6320×31,2) 930 = 281000000 кДж,

где средние молярные теплоемкости в пределах 0—950°С соответственно С_р^NO = 32,1; С_р^O2 = 32,8; С_р^H2O= 38,3; С_р^N2 =31,2 кДж/(кмоль×°С).

Потери тепла путем излучения, вызывающие снижение температуры сеток, принимаем 1%, т.е.:

Q₅ = 0,01×281000000 = 2810000 кДж.

Исходя из прихода и расхода тепла определяем температуру аммиачновоздушной смеси, поступающей в контактный аппарат

225200000+13120000+277050t_x = 281000000+2810000,

t_x = 165°C.

Определим тепло, приносимое NH₃ при 120°С

Q₆ = mC_pt = 1035×36,2×120 = 4480000 кДж.

Тогда для обеспечения температуры аммиачновоздушной смеси, поступающей в конвертор, 165°С необходимо подогревать воздух до температуры

°С,

где 6300+1670— количество воздуха; 29,5 - средняя теплоемкость воздуха в пределах 0—200°С.

С учетом потерь температура воздуха составит 185°С. Количество тепла, приносимого воздухом, будет

Q₇ = (6300+1670)29,5×185 = 43550000 кДж.

Примем температуру нитрозного газа, выходящего из теплообменника 9 (см. рис. 4) и входящего в скоростной холодильник 10, равной 200°С. Тогда количество уносимого из теплообменника тепла, составит

Q₈ = (994×29,45+398×30,05+1552×33,85+6320×29,05)200=55350000 кДж.

где средние молярные теплоемкости воздуха в пределах 0—200°С равны соответственно С_р^NO = 29,45; С_р^O2 = 30,05; С_р^H2O= 33,85; С_р^N2 =29,05 кДж/(кмоль×°С).

Количество тепла, передаваемое в теплообменниках 7, 8, 1 и 9, составит:

Q₉ = Q₄ - Q₈ =281000000-55350000 = 225650000 кДж.

Количество тепла, забираемое воздухом в теплообменнике 1, при температуре его поступления из компрессора 150°С составит

Q₁₀ = 7970×29,5(185-150)=8250000 кДж.

Тогда количество тепла, передаваемое нитрозным газом в теплообменниках 7, 8 и 9, составит

Q₁₁ = Q₉ - Q₁₀ = 225650000-8250000»217×10⁶ кДж.

 

СОСТАВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА СКОРОСТНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА

По практическим данным в первом холодильнике погружного типа при охлаждении нитрозного газа с содержанием О₂ 6,5—7% до 35—40°С под давлением 8×10⁵ Па образуется конденсат в виде 48%-ного раствора HNО₃.

По данным [Атрощенко, рис. 49] при малом содержании О₂ в нитрозном газе (соотношение О₂:NН₃ равно 1,6) в холодильнике погружного типа образуется 36%-ный раствор НNO₃.

Применяя пластинчатый тип холодильника можно добиться содержания HNО₃ в конденсате до 30%.

Для расчета примем, что при охлаждении газа до 45°С образуется 36%-ный раствор HNО₃.

Парциальное давление паров воды при этих условиях составляет 5×10³ Па, что соответствует

%.

паров воды в выходящем газе, степень их конденсации:

%.

Этому соответствует 22,6% -ая степень превращения оксидов азота в азотную кислоту [Атрощенко].

Состав нитрозных газов, поступающих из теплообменников в скоростной холодильник, следующий:

 

	кмоль	об.%	кг	масс.%
NO	994,0	10,7		12,00
O2	398,0	4,3		5,20
H2O	1552,0	16,75		11,30
N2	6320,5	68,25		71,50
Всего	9264,5	100,00		100,00

 

Количество NO, превращенного в HNО₃:

994×0,226 = 224 кмоль.

На образование HNО₃ по реакции:

2NO + H₂О + 1,5О₂ = 2HNО₃

расходуется воды:

224×0,5 = 112 кмоль.

Количество конденсирующейся воды (х) при образовании 36%-ного раствора HNО₃ составит:

, откуда x = 1392 кмоль.

Общее количество выделившейся воды:

112 + 1392 = 1504 кмоль.

Количество паров воды, остающейся в газе,

1552—1504 = 48 кмоль.

Количество образующейся НNО₃ в виде 36%-ного раствора:

224 + 1392 = 1616 кмоль.

Состав конденсата:

HNO₃ - 224×63=14200 кг или 36%;

Н₂О - 1392×18=25100 кг или 64%.

Всего – 39300 кг.

Этот конденсат направляется с помощью насоса в среднюю часть абсорбционной колонны.

Количество О₂, израсходованного на образование HNО₃ по реакции

2NO + Н₂О + 1,5О₂ = 2НNО₃,

равно 224×0,75 = 108 кмоль.

Количество О₂, израсходованного на дополнительное окисление NО по реакции (39), равно

(994 — 224)0,5×0,09 = 34,6 (кмоль),

где 0,09 — принятая степень окисления.

Тогда в газе 0₂ останется:

398 — 108 — 34,0 = 195,4 кмоль,

NО₂ образуется:

(994 — 224)×0,09 = 69,4 кмоль,

а NО остается:

(994 — 224)×0,91 = 700,6 (кмоль).

Газ, выходящий из скоростного холодильника, будет следующего состава:

 

	кмоль	об.%	кг
NO	700,6	9,53
NO2	69,4	0,95
O2	195,4	2,56
H2O	48,0	0,65
N2	6320,5	86,31
Всего	7333,9	100,00

 

Соотношение между парциальным давлением NО и NO₂ в выходящем газе должно соответствовать равновесному, давлению над 30%-ным раствором HNO₃ при 45°С.

 

p_NO = 0,0953×8×10⁵ = 0,762×10⁵ Па (0,762 атм);

p_NO2 = 0,0095×8×10⁵ = 0,076×10⁵ Па (0,076 атм);

; .

Это соответствует значениям константы равновесия системы. Размеры скоростного холодильника рассчитываются по коэффициентам теплопередачи и по времени окисления NO, равному

%.

 

РАСЧЕТ ДОБАВОЧНОГО ВОЗДУХА И ВОДЫ НА ОБРАЗОВАНИЕ HNO₃

 

Общее количество О₂, необходимого для получения из NО, азотной кислоты при 99,96%-ной абсорбции (0,005% NО на выхлопе), соответственно уравнению

2NO+ Н₂О+ 1,5О₂ = 2HNO₃

составит

994×0,9996×1,5×0,5 = 745 кмоль.

Добавочно О₂ необходимо:

745-398=347 кмоль.

N₂, вводимый с этим О₂ воздуха:

347×0,79/0,21 = 1305 кмоль.

Для ускорения процесса образования азотной кислоты необходим избыток кислорода. Примем его равным 4%. Вместе с ним вводится N₂ в количестве

4×0,79/0,21 = 15,05%.

Содержание паров воды в выхлопных газах при 30°С (упругость паров 4,2×10³ Па) и давлении 15×10⁵ Па составляет

%.

Потери оксидов азота составляют

кмоль.

Общее количество выхлопных газов можно вычислить из уравнения

х = 0,04 + 0,04х + 0,0028х + 6320,5 + 1305 + 0,1505х.

Откуда х = 9460 кмоль.

Из них на долю избыточного О₂ приходится:

9460×0,04 =378 кмоль,

а на долю N₂:

9460×0,1505 =1422 кмоль.

Общее количество воздуха, вводимого в отбелочную и поглотительную колонну:

О₂ — 347 + 378 = 725 кмоль;

N₂ — 1305 + 1422 = 2727 кмоль.

Всего — 3452 кмоль.

Количество паров воды:

9460×0,0028 = 26,4 кмоль.

Состав выхлопных паров будет следующим:

 

	кмоль	об.%
NO	0,04	0,005
O2	378,00	4,000
N2	9047,50	95,715
H2O	26,40	0,280
Всего	9451,94	100,000

 

Количество воды, необходимой для образования 100%-ной НNО₃, составляет:

994 0,5=492 кмоль.

Количество воды, необходимой для получения 65%-го раствора HNО₃:

= 1880 кмоль.

С учетом влажности выхлопного газа и реакционной воды в колонну следует вводить чистой воды:

492+1880 + 26,4 — 1552 =846,4 кмоль.