Нитрозные газы

Задача. Реакция проходит в химическом реакторе при t=700°С (предварительный нагрев до t=400°С) на алюмопалладиевом катализаторе. Оксиды азота восстанавливаются до N₂ с использованием восстановителей (CH₄).

Реакция восстановления: CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O;

CH₄ + 4NO = CO₂ + 2H₂O + 2N₂

Математическая модель реактора описывается 4 уравнениями (3 УМБ по компонентам + 1 УТБ):

1) dC_O2 = - 2F K_0,1 exp(- E₁ ) C^1,3_CH4 C_O2

dl V RT

2) dC_NO = -4F K_0,2 exp(- E₂ ) C_CH4 C_NO

dl V RT

3) dC_CH4 = - F K_0,3 exp (-E₃) C^1,3 _CH4 C_O2 + K_0,2 exp (-E₂) C_CH4 C_NO

dl V RT RT

4) dT = ___F __(H₁K_0,1 exp (- E₁) C^1,3_CH4 C_O2 + H₂K_0,2 exp (- E2) C_CH4C_NO )

dl VCp RT RT

где: · V – объемный расход газа, м³/ч;

· С – концентрация соответствующего компонента, % об.;

· F – площадь проходного сечения реактора,м²;

· H - тепловой эффект реакции, кДж/ моль;

· l – высота слоя контактной массы, м.

· E₁=E₃= 11,8 кДж/моль, E₂ = 78,88 кДж/моль – энергии активации;

· Сp = 31,2 кДж/моль К – молярная теплоемкость при p=const.

газ

Исходные данные:

· Dапп.= 3,6 м;

· Vн= 82 000м³/ ч;

· С^н _CH4 = 1,4 % (от общего объема);

· С^н _O2 = 2,6 %;

· С^н _NO = 0,13%;

· ПДК (NO) = 0,448 *10 ^-4 %об.;

· Hкат. = 0,6 м;

· С^к _O2 =0,222 % об;

· С^к _NO = 2,25 *10^-5 %;

· С^к_CH4 = 0,178 %.

Задание: 1) составить МБ для каталитической очистки нитрозных газов;

2)определить объем контактной массы.

Решение:

1) Vк.м. = ПD_апп.H/4 = 3,14 (3,6)² 0,6 = 6,1 м³

Состав нитрозных газов: 18% паров H₂O, N₂ и др. компоненты (см. ниже).

		компонент	m, кг/ч	V, м3/ч	% об.
вход	1.	CH4	820,024	1 148	1,4
2.	O2	3 046,4	2 132	2,6
3.	NO	142,85	106,6	0,13
4.	N2	79 861,45	63 853,4	77,87
5.	H2O	11 867,04	14 760
å		95 737,76	82 000
выход	1.	CH4	103,85	145,38	0,177
2.	O2	260,12	182,04	0,222
3.	NO	0,0247	0,01845	2,25* 10-5
4.	N2	79 928,1	63 942,48	77,979
5.	H2O	13 477,17	16 762,65	20,442
6.	CO2	1 967,94	995,92	1,18
	å		95 737,76	82 000

2) Концентрация N₂ в газе на входе в аппарат:

C _N2 (%) = 100-18-2,6-0,13-1,4 =77,87 %

3) Количество реагентов на входе:

а) объемные расходы

V_CH4 = 82 000 1,4 = 1148 м³/ч

V_O2 = 82 000 2,6 = 2 132 м³/ч

V_NO = 82 000 0,13 = 106,6 м³/ч

V_H2O= 82 000 0,18 = 14 760 м³/ч

V_N2 = 82 000 77,87 = 63 853,4 м^3/ч

б) массовые расходы

· r_CH4 = 16 = 0,7143 кг/м³

22,4

m _CH4 = V _{CH4 *} r_CH4 = 1148 * 0,7143 = 820,024 кг

· r_O2 = 32 = 1,4289 кг/м³

22,4

m _O2 = V _O2* r_O2 = 2 132 * 1,4289 = 3046,4 кг/ч

· r_NO = 30 = 1,3401 кг/м³

22,4

m _NO = V _NO* r_NO = 106,6 * 1,3401 = 142,85 кг/ч

· r_N2 = 28 = 1,2507 кг/м³

22,4

m _N2 = V _N2* r_N2 = 1,2507 * 63 853,4 = 79 861,45 кг/ч

· r_H2O = 18 = 0,804 кг/м³

22,4

m _H2O= V _{H2O *} r _H2O =14 760 * 0,804 = 11 867 кг/ч

· r_CO2 = 44 = 1,976 кг/м³

22,4

По вычисленным с помощью ЭВМ концентрациям на выходе из аппарата, находим объемные расходы газов на выходе из контактного аппарата.

4) Объемные расходы на выходе:

V_O2=82000/100·0,222=182,04 м³/ч;

V_NO=82000/100·2,25·10^-5= 0,01845 м³/ч;

По количеству израсходованного по уравнению реакции (1) O₂, определяем количество водяных паров, СO₂ и израсходованного метана:

V_H2O= ∆V_O2= 2132-182,04=1949,96 м³/ч;

V_CO2= 1949,96/2= 974,98 м³/ч;

∆V_CH4= 974,98м³/ч;

Аналогично рассчитываем количество реагентов по 2-ой реакции:

V_H2O= ∆V_NO/2=(1066-0,01845)/2=53,29м³/ч;

V_CO2= 53,29/2= 26,64м³/ч;

∆V_CH4=26.64м³/ч;

Количество СH₄ на выходе из реактора:

V_CH4= 82000·0,178/100=145,4 м³/ч;

V_CH4=1148-(974,98+26,64) = 145,38 м³/ч;

m_CH4= V_CH4·ρ_CH4=145,38·0,7143=103,85кг/ч;

Определяем массовые расходы O₂ и NO на выходе:

m_O2= 182,04·1,4289=260,12 кг/ч;

m_NO= 0,01845·1,3401=0,0247 кг/ч;

Количества прореагировавших в-в:

∆m_NO=142,85-0,0247=142,83 кг/ч;

∆m_O2= 3046,4-260,12= 2786,28 кг/ч;

По уравнениям реакций определим компоненты и просуммируем:

CH₄+ 2O₂= CO₂+ 2H₂O;

64 44 36

2786,28 X1 Y1

X1=2786,28·44/64=1915,57 кг/ч;

Y1= 2786,28·36/64= 1567,2957 кг/ч;

CH₄ + 4NO= CO₂+ 2H₂O+ 2N₂;

120 44 36 56

142,83 X2 Y2 Z2

X2= 142,83·44/120= 52,37 кг/ч;

Y2= 142,83·36/120= 42,85 кг/ч;

Z2= 142,83·56/120=66,65 кг/ч;

m_CO2= X1+X2=1967,94 кг/ч;

m_H2O= Y1+Y2+ 11867,04=13477,17 кг/ч;

m_N2= Z2+ 79861,45= 79928,1 кг/ч;