Конструктивные расчеты основного аппарата

3 4 5 6 7 8 9

Определяется поверхность теплообмена, необходимая для холодильника-конденсатора.

;

где - тепловая нагрузка аппарата, кДж/с;

- разность температур процесса, ;

К-коэффициент теплопередачи, Вт/(м2град)

Проводится расчет коэффициента теплопередачи К:

K= ,

где δ-толщина стенки трубок, δ=2мм=0,002м;

- коэффициент теплопередачи от газа к стенке, Вт/(м2град);

- коэффициент теплоотдачи от стенки в окружающую среду, Вт/(м2град)

- коэффициент теплопроводности стенки, =62,7 Вт(м град);

Производится расчет :

= ;

где -критерий Нуссельта;

-эквивалентный диаметр;

При расчете коэффициент теплопередачи нужно рассчитать критерий Re:

Re= ;

где -скорость нитрозного газа в аппарате, м/с;

-динамический коэффициент вязкости, кг/с м2;

-плотность нитрозного газа.

Для расчета скорости нитрозного газа и необходимо рассчитать площадь сечения межтрубного пространства:

;

где -диаметр корпуса холодильника-конденсатора, м;

– диаметр трубок, м;

– число трубок, шт;

-число ходов;

;

где П-периметр трубок, м;

= ;

где -секундный объем нитрозного газа в рабочих условиях,нм3/с;

= =1,3

кг/м3;

Тогда Rе=

Rе

Nu=0,021

-поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы L к ее диаметру d, =1 [8]

-для газов равен 1 [8]

Pr-для многоатомных газов равен 1, тогда

Nu=0,0211 =782,37;

Вт/м2 град;

По вышеописанной методике рассчитывается ;

=403,45 Вт/(м2град);

K= Вт/(м2град);

Определяется средняя разность температур процесса:

130

40- 27

90 38

= =47,83

необходимая поверхность теплообмена составит:

Исходя из расчетной величины холодильника-конденсатора в схеме применяется один стандартный холодильник-конденсатор с поверхностью теплообмена 1428 м2.

Запас поверхности теплообмена холодильника-конденсатора составляет:

Реконструкция

Заменим оборотную воду на захоложенную. С понижением температуры повысится степень окисления оксида азота и выход азотной кислоты.

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:

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 55.

Температура захоложенной воды, 0С 25.

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 87,21 [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=0,54.

Степень приближения практической степени превращения к равновесной:

99,81%

x 54% x= x=54%

Определяем практический состав газа.

Окисляется монооксида азота:

;

Остается:

;

Расходуется кислорода:

;

Остается кислорода:

;

Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:

241,01+63,21=304,22 .

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	53,84	1,43	72,15	1,89
NO2	241,01	6,36	148,55	3,73	NO2	304,22	8,09	164,27	4,31
O2	135,19	3,57	186,37	4,68	O2	103,59	2,76	148,13	3,89
N2	2691,38	71,03	3364,23	84,44	N2	2691,38	71,63	3364,23	88,29
H2O	604,54	15,95	61,44	1,54	H2O	604,54	16,09	61,44	1,61
Всего:	3789,17	100,00	3984,21	100,00	Всего:	3757,57	100,00	3810,22	100,00

Газ после окисления NO в NO2 имеет следующий состав:

Компонентный состав	нм3/т	об.%	кг/т	кмоль/т	%масс.
NO	53,84	1,43	72,15	1,80	1,89
NO2	304,22	8,09	164,27	3,57	4,31
O2	103,59	2,76	148,13	4,63	3,89
N2	2691,38	71,63	3364,23	120,15	88,29
H2O	604,54	16,09	61,44	3,41	1,61
Всего:	3757,57	100	469,79	133,56	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= 2,68кмоль/т

133,56- количество газа, прошедшее через холодильник- конденсатор в кмоль/т;

3,42-количество водяных паров на входе в холодильник-конденсатор.

Конденсируется паров воды:

кмоль/т или 13,14кг/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=19,29кг/т.

Остается воды:

кг/т;

Х1 13,14 19,29 Х2

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

3 18 2 30

Отсюда Х1=21,13кг/т;

Остается оксида азота (IV): кг/т;

Х2=4,59кг/т;

Остается оксида азота (II): кг/т;

Количество сконденсировавшейся азотной кислоты:

19,29кг/т-65%

mвсего-100% mвсего=29,68кг/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.	3117,43	100,00	3954,53	100,00	137,13
NO	179,69	5,76	228,21	5,77	5,71
NO2	95,09	3,05	127,42	3,22	2,77
O2	90,9	2,92	186,37	4,71	5,82
N2	2691,38	86,33	3364,23	85,07	120,15
H2O	60.37	1,94	48,3	1,22	2,68
II.Азотная кислота в т.ч.	27,8	100,00	29,68	100,00	0,89
а)HNO3(100%)	12,11	43,56	19,29	65	0,31
б)H2O	15,69	56,44	10,39	35	0,58
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.	3117,43	100,00	3954,53	100,00
NO	117,05	3,09	223,62	5,61	NO	179,69	5,76	228,21	5,71
NO2	241,01	6,36	148,55	3,73	NO2	95,09	3,05	127,42	3,22
O2	135,19	3,57	186,37	4,68	O2	90,9	2,92	186,37	4,71
N2	2691,38	71,03	3364,23	84,44	N2	2691,38	86,33	3364,23	85.07
H2O	604,54	15,95	61,44	1,54	H2O	60,37	1,94	48,3	1,22
Всего:	3789,17	100,00	3984,21	100,00	II.Азотная кислота в т.ч.			29,68	100,00
					а)HNO3(100%)			19,29	65
					б)H2O			10,39	35
					Всего:			3984,21

Целью теплового расчета является определение количества воды, необходимой для охлаждения нитрозного газа при данных условиях.

Исходные данные:

-температура нитрозных газов на входе в холодильник, 0С 130

-температура нитрозных газов на выходе из холодильника, 0С 55

-температура охлаждающей воды, 0С 25

Температурные ряды и теплоты образования веществ, участвующих в процессе.

Соединение	Температурный ряд			Энтальпия, кДж/моль
Соединение	A	b	c’	Энтальпия, кДж/моль
O2	31,46	3,39	-3,37	0
N2	27,87	4,27	0	0
H2O	30	10,71	0,33	-241,84
NO	29,58	3,85	-0,59	90,37
NO2	42,93	8,54	-6,74	33,89

Тепловой баланс холодильника-конденсатора

Тепловой баланс холодильника-конденсатора имеет следующий вид:

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=Q1’+Q2’+Q3’+Q4’,

где Q1-тепло, вносимое нитрозным газом;

Q2-тепло окисления монооксида азота в диоксид;

Q3-тепло образования моногидрата;

Q4-тепло разбавления моногидрата;

Q5-тепло конденсации воды;

Q1’-тепло, уходящее с нитрозным газом;

Q2’-тепло, уходящее с кислотой;

Q3’-теплопотери;

Q4’-тепло отводимое с охлаждающей водой;

Приход тепла.

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на входе в холодильник-конденсатор при температуре 130 или 403К.

Теплоемкость кислорода:

Теплоемкость азота:

Теплоемкость воды:

Теплоемкость оксида азота (II):

Теплоемкость оксида азота (IV):

Средняя теплоемкость нитрозного газа на входе в аппарат:

1)Тепло, вносимое нитрозным газом:

Q1=

где V –объем нитрозного газа, проходящего через холодильник-конденсатор, нм3/т;

tвх- температура нитрозного газа на входе в холодильник-конденсатор,

2)Тепло окисления монооксида азота в диоксид:

Q2=

где 57070,05- теплота окисления монооксида азота в диоксид, кДж/кмоль;

3)Тепло образования моногидрата:

Q3=

где 173000-теплота образования азотной кислоты, кДж/кмоль;

13,14-количество сконденсировавшихся паров воды, кг/т;

4)Тепло разбавления моногидрата:

Q4=

где 19,29-количество растворенного моногидрата азотной кислоты,кг;

31600-теплота разбавления моногидрата кислоты, кДж/кмоль;

5)Тепло конденсации воды:

Q5= ;

Где 4939,6-тепло конденсации воды, кДж/кмоль;

Общий приход тепла: Q=1593275,84кДж/т;

Расход тепла:

Рассчитаем теплоемкости компонентов газовой смеси на выходе в холодильник-конденсатор при температуре 55 или 328К.

Теплоемкость кислорода:

Теплоемкость азота:

Теплоемкость воды:

Теплоемкость оксида азота (II):

Теплоемкость оксида азота (IV):

Средняя теплоемкость нитрозного газа на выходе из аппарата:

1)Тепло, уходящее с нитрозным газом:

Q1’= =

где - температура нитрозного газа на выходе из холодильника, 0С;

2)Тепло, уходящее с кислотой:

Q2’ =mk Ck tk = где

mk-масса кислоты, кг/т;

Ck-теплоемкость кислоты, кДж/кмоль;

tk- температура кислоты,

3) Теплопотери:

Принимаем, что потери тепла в окружающую среду составляют 3% от общего количества, поступающего в аппарат.

Q3’=

4)Тепло отводимое с охлаждающей водой;

Q4’= Q-(Q1’+ Q2’+ Q3’)=

;

Таблица 3.3.2.1

Тепловой баланс холодильника-конденсатора.

Статьи прихода	кДж/т	%	Статьи расхода	кДж/т	%
1) Тепло с газами	670122,29	42,05	1)Тепло с газами	483545,21	30,34
2) Тепло окисления	161044,55	10,11	2)Тепло с кислотой	3085,24	0,19
3) Тепло образования моногидрата	101483,04	6,37	3)Теплопотери	47798,27	2,99
4) Тепло разбавления моногидрата	9675,62	0,61	4)Тепло, уходящее с водой	1058847,12	66,46
5) Тепло конденсации воды	650950,34	40,86
Итого:	1593275,84	100	Итого:	1593275,84	100

Рассчитаем количество воды, необходимой для охлаждения нитрозного газа при данных условиях. Принимаем температуру поступающей воды 40 уходящей воды 50

где -теплоемкость воды, Дж/моль град;

-тепло охлаждающей воды, кДж/т;