Расчеты материальных балансов процессов

Целью материального баланса является определение равновесного состава газовой смеси, степени окисления оксида азота, состава газа после процесса конденсации.

Исходные данные для расчета [1]:

Состав газа на входе в холодильник-конденсатор [1].

 

Компонентный состав	об.%
NO	3,09
NO2	6,36
O2	3,57
N2	71,03
H2O	15,95
Итого:	100,00

 

Расчет ведем на 1000 кг 100,00%-й HNO3, получаемой в технологическом процессе.

Температура нитрозных газов на входе в холодильник, 0С 130.

Температура нитрозных газов на выходе из холодильника, 0С  65.

Температура охлаждающей воды, 0С  40.

Давление в холодильнике, МПа   0,36

Диаметр холодильника-конденсатора, м 2,2.

Поверхность теплообмена, м2   1428.

Наружный диаметр трубок, м   0,05.

Расход газа, поступающего в холодильник-конденсатор 3789,17нм3/т [1].

Зная состав газа, можно определить расход каждого компонента:

 

Компонентный состав	кг/т	нм3/т	об.%
NO	223,62	117,05	3,09
NO2	148,55	241,01	6,36
O2	186,37	135,19	3,57
N2	3364,23	2691,38	71,03
H2O	61,44	604,54	15,95
Всего:	3984,21	3789,17	100

 

Расчет материального баланса процесса окисления нитрозного газа

Равновесие и скорость окисления оксида азота II.

 

NO+1/2O2=NO2 ΔrH(298) =112кДж/моль (3.1)

 

Зависимость константы равновесия от температуры по данным М. Боденштейна [3] выражается следующим уравнением:

 

LgK =Lg +1,75LgT-0,0005T+2,839  (3.2)

 

Для расчета равновесной степени окисления оксида азота (II) выразим парциальные давления газов, входящие в уравнение равновесия, через общее давление в зависимости от начальной концентрации газа[3]:

Введем обозначения:

2a- начальная концентрация NO, мольн.доли;

b- начальная концентрация O2, мольн.доли;

xр- равновесная степень окисления NO, доли единицы;

Робщ- общее давление газа, атм.

Равновесные концентрации компонентов газовой смеси согласно реакции (3.1)составят:

Компонент	Вход	Выход
NO	2a	2а(1-xp)
O2	b	b-axp
NO2	-	2axp
Всего:	1	1-axp

 

Тогда парциальные давления компонентов газа при общем давлении 3,6 атм. в момент равновесия будут равны:

 

PNO= Pобщ;

 

РO2= Pобщ;

 

РNO2= Pобщ;

 

Подставляя значения парциальных давлений в уравнение равновесия, получим:

 

= P  (3.3)

 

Определим равновесную степень окисления оксида азота (II) для газа, содержащего 3,09% NO и 3,57% (об) O2 при 3,6 атм.

Тогда 2a=0,0309 м.д. a=0,01545м.д. b=0,0357м.д.

LgKр =− +1,75lg403-0,0005 403+2,839

Откуда Кр=8,546

Подставляя значения Кр и парциальных давлений в уравнение (3.3)получим:

Из этого уравнения определяем .

В результате протекания реакции (3.1) окисляется оксида азота (II):

VNO Х= ;

Остается NO:

;

Расходуется кислорода на окисление

;

Остается кислорода:

;

Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:

;

Результаты расчета материального баланса процесса окисления представлены в таблице 3.1.

 

Таблица 3.1.

Равновесный состав газовой смеси

Приход					Расход
Компонентный состав	нм3/т	% об	кг/т	% масс	Компонентный состав	нм3/т	% об	кг/т	% масс
Нитрозный газ, в т.ч.	3789,17	100,00	3984,21	100,00	Нитрозный газ, в т.ч.	3730,64	100,00	4150,4	100,00
NO	117,05	3,09	223,63	5,61	NO	0,08	0,002	0,09	0,002
NO2	241,01	6,36	148,55	3,73	NO2	357,98	9,59	597,98	14,41
O2	135,19	3,57	186,37	4,68	O2	76,66	2,05	126,66	3,05
N2	2691,38	71,03	3364,23	84,44	N2	2691,38	71,03	3364,23	81,05
H2O	604,54	15,95	61,44	1,54	H2O	604,54	15,95	61,44	1,48
Всего:	3789,17	100,00	3984,21	100,00	Всего:	3730,64	100,00	4150,4	100,00

 

 

Средняя температура нитрозных газов [4]:

 

 

где t1-температура нитрозного газа на входе в аппарат,

 t2- температура нитрозного газа на выходе из аппарата,

Свободный объем [1, 4]:

 

 

где Dв- внутренний диаметр трубок, м;

L-длина трубного пространства, м;

n-количество трубок, шт;

Объемная скорость нитрозного газа:

Wс = =45,77нм3/с;

где 380000-мощность производства по проекту, т100%HNO3 /г; 330 рабочих дней в году; 24 часа в сутках.

Время пребывания газа в окислителе:[4]

 

 

Определяем степень окисления NO (α).Находим:

;  ;

По справочным данным К при 94,2  [3]

Тогда

где К-константа скорости реакции, а-начальная концентрация NO, мольн. доли, -общее давление, атм.

По номограмме В.А. Каржавина [3] определяем практическую степень окисления оксида азота: x=0,47.

Степень приближения практической степени превращения к равновесной:

 

99,81%

x         47%              x=             x=47%

 

Определяем практический состав газа.

Окисляется монооксида азота:

;

Остается:

;

Расходуется кислорода:

;

Остается кислорода:

;

Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:

241,01+55,01=296,02.

 

 

Таблица 3.2

Материальный баланс процесса окисления NO в NO2 в холодильнике-конденсаторе

Приход					Расход
Компонентный состав	нм3/т	%	кг/т	%	Компонентный состав	нм3/т	%	кг/т	%
NO	117,05	3,09	223,62	5,61	NO	62,04	1,65	248,35	6,23
NO2	241,01	6,36	148,55	3,73	NO2	296,02	7,88	161,23	4,05
O2	135,19	3,57	186,37	4,68	O2	104,17	2,77	148,96	3,74
N2	2691,38	71,03	3364,23	84,44	N2	2691,38	71,61	3364,23	84,44
H2O	604,54	15,95	61,44	1,54	H2O	604,54	16,09	61,44	1,54
Всего:	3789,17	100,00	3984,21	100,00	Всего:	3758,15	100,00	3984,21	100,00

 

Газ после окисления NO в NO2 имеет следующий состав:

Компонентный состав	нм3/т	об.%	кг/т	кмоль/т	%масс.
NO	62,04	1,65	248,35	8,28	6,23
NO2	296,02	7,88	161,23	3,51	4,05
O2	104,17	2,77	148,96	4,66	3,74
N2	2691,38	71,61	3364,23	120,11	84,4
H2O	604,54	16,09	61,44	3,41	1,54
Всего:	3758,15	100	3984,21	140,02	100

 

Выразим парциальное давление паров воды через общее давление и концентрацию:

 

PH2O=Pобщ ;

 

Тогда ;

 

Процесс в холодильнике-конденсаторе происходит при следующих условиях:

-концентрация HNO3 60-65%масс.;

-температура 60-65°C.

Упругость паров воды над 65-% кислотой при 65°С 54,5мм.рт.ст. [3].

Принимаем, что на выходе из холодильника-конденсатора нитрозные газы содержат Х паров воды, тогда

PH2O=54,5мм.рт.ст.

Pобщ = 0,36 МПа;

1мм.рт.ст.-133,3Па

Х-0,36 106 Па Х= =2700,07мм.рт.ст;

; Х= 2,81кмоль/т

153,15- количество газа, прошедшее через холодильник- конденсатор в кмоль/т;

1,95-количество водяных паров на входе в холодильник-конденсатор.

Конденсируется паров воды:

 кмоль/т или 10,8 кг/т;

В этом количестве воды будет растворено У кг/т моногидрата азотной кислоты с образованием 65-% кислоты (3.4), тогда можно записать, что  , тогда У=15,85кг/т.

Остается воды:

кг/т;

 

Х1     10,8      15,85    Х2

3NO2+H2O=2HNO3+NO (3.4)

3     18     2       30

 

Отсюда Х1=17,35кг/т;

Остается оксида азота (IV): кг/т;

Х2=3,77кг/т;

Остается оксида азота (II): кг/т;

Количество сконденсировавшейся азотной кислоты:

15,85кг/т-65%

mвсего-100%  mвсего=24,38кг/т;

 

Таблица 3.3

Состав газа после процесса конденсации

Компонентный состав	нм3/т	% об	кг/т	% масс	кмоль/т
I.Нитрозный газ, в т.ч.	3117,2	100,00	3959,83	100,00	139,21
NO	169,69	5,44	227,39	5,74	7,58
NO2	62,47	2,00	131,2	3,31	2,85
O2	130,33	4,18	186,37	4,70	5,82
N2	2691,38	86,33	3364,23	84,96	120,15
H2O	63,33	2,03	50,64	1,28	2,81
II.Азотная кислота в т.ч.	16,3	100,00	24,38	100,00	0,72
а)HNO3(100%)	5,64	34,6	15,85	65,01	0,25
б)H2O	10,66	65,39	8,53	34,99	0,470
Всего:			3984,21

Таблица 3.4.

Материальный баланс холодильника-конденсатора нитрозных газов.

Приход					Расход
Компонентный состав	нм3/т	%об.	кг/т	% масс.	Компонентный состав	нм3/т	% об.	кг/т	% масс.
I.Нитрозный газ, в т.ч.					I.Нитрозный газ, в т.ч.	3117,2	100,00	3959,83	100,00
NO	117,05	3,09	223,62	5,61	NO	169,69	5,44	227,39	5,74
NO2	241,01	6,36	148,55	3,73	NO2	62,47	2,00	131,2	3,31
O2	135,19	3,57	186,37	4,68	O2	130,33	4,18	186,37	4,70
N2	2691,38	71,03	3364,23	84,44	N2	2691,38	86,33	3364,23	84,96
H2O	604,54	15,95	61,44	1,54	H2O	63,33	2,03	50,64	2,81
Всего:	3789,17	100,00	3984,21	100,00	II.Азотная кислота в т.ч.			24,38	100,00
					а)HNO3(100%)			15,85	65,01
					б)H2O			8,53	34,99
					Всего:			3984,21