Виробництво азотної кислоти (стр. 5 из 5)
2NНз + 8NО = 5N20 + ЗН20 + 945,6 кДж (53)
4NНз + 402 = 2N20 + 6H20 +1104,4 кДж (54)
4NHз + 302 = 2N2 + 6Н20 + 1268,8 кДж (55)
Зіставлення констант рівноваги основних (51, 52) і побічної. (55) реакцій указує на перевагу реакцій відновлення оксидів азоту аміаком у порівнянні з реакцією аміаку з киснем.
Селективна взаємодія аміаку тільки з оксидами азоту забезпечує низькотемпературне (200—350 °С) протікання процесу. Селективне каталітичне очищення використовується в агрегатах, обладнаних низькотемпературною рекуперативною турбіною. Каталізатором служить алюмо-ванадиєвий контакт АВК-10М. У промислових умовах при об'ємній швидкості 15000 год-1, лінійної - до 1 м/с, співвідношенні [NНз]: [NОx] = (1,1—1,15) : 1 ступінь відновлення оксидів азоту досягає 98 - 98,5 %. Час пробігу каталізатора 2-3 роки.
4.1 Технологічні розрахунки
4.1.1 Завдання 9
Розрахувати матеріальний баланс стадії очищення викидних газів від оксидів азоту на годинну продуктивність агрегату.
Річна продуктивність агрегату становить 135000 т./рік по азотній кислоті. Кількість неочищених хвостових газів на 1 т азотної кислоти становить 320 м3. Склад неочищених газів, % об.:
NO+NO2 – 0,36; N2 – 84,85; O2 – 4,98; CO2 – 0,84; H2O - 8,97.
Рішення:
При ефективному фонді робочого часу - 8324 год. годинна продуктивність по азотній кислоті становить:
135000/8324 = 16,22 т/година
Кількість неочищених хвостових газів на задану продуктивність складе:
16,22∙ 320 = 5189,8 м3/година
де – 320 м3 – кількість неочищених хвостових газів на 1 т азотної кислоти
Окисли азоту відновлюють на каталізаторі аміаком по реакціях:
4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O + 1810000 кДж (І)
8NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O + 2734000 кДж (ІІ)
Визначимо склад неочищеного газу:
NO+NO2 5189,8∙ 0,36/100 = 18,68 м3/год
N2 5189,8∙ 84,85/100 = 4403,54 м3/год
O2 5189,8∙ 4,98/100 = 258,45 м3/год
CO2 5189,8∙ 0,84/100 = 43,59 м3/год
H2O 5189,8∙ 8,97/100 = 465,54 м3/год
При використанні ванадій-вуглецевого каталізатора ступінь очищення газу від оксидів азоту становить у середньому 99,1-99,2%, отже, в очищеному газі буде міститься окислів азоту:
18,68 ∙(100-99,15)/100 = 0,16 м3/год
Кількість відновлених окислів азоту складе:
18,68 - 0,16 = 18,52 м3/год
Приймаємо, що в газі мститься 50 % NO і 50% NO2.
1. Визначимо витрата аміаку на відновлення окислів азоту:
- по реакції (І) на 6 кмоль NO витрачається 4 кмоль NH3:
- по реакції (ІІ) на 6 кмоль NO2 витрачається 8 кмоль NH3:
Загальна кількість аміаку, необхідна для відновлення окислів азоту:
2. Визначимо кількість води, що утворилася:
- по реакції (І) на 4 кмоль NH3 утвориться 6 кмоль Н2О:
- по реакції (ІІ) на 8 кмоль NH3 утвориться 12 кмоль Н2О:
Загальний об'єм води, що утворилася:
3. Визначимо кількість азоту, що утворився:
- по реакції (І) на 4 кмоль NH3 утвориться 5 кмоль N2:
- по реакції (ІІ) на 8 кмоль NH3 утвориться 7 кмоль N2:
Загальний об'єм азоту, що утворився:
Для досягнення високого ступеня очищення хвостових газів надлишок аміаку перевищує стехіометричну кількість на 20-30%.
Основна кількість надлишкового аміаку окисляється киснем по реакції:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1270000 кДж (ІІІ)
Загальна кількість аміаку з обліком 30%-го надлишку складе:
Об'єм надлишкового аміаку:
Об'ємна частка аміаку, який відходить з очищеним газом, за даними аналітичного контролю діючого виробництва становить 0,01% від подаваної кількості аміаку, що складе 0,0005 м3/год.
Витратилося кисню на відновлення аміаку по реакції (ІІІ):
Кількість кисню на виході з контактного апарата:
VO2= 258,45-4,167=254,283 м3/год
Утворилося азоту по реакції (3):
Загальний об'єм, що утворився азоту по реакціях (І)-(ІІІ):
VN2=18,52+2,778=21,298 м3/год
Загальний об'єм азоту на виході з контактного апарата:
4403,80 + 21,298 = 4425,10 м3/год
Утворилося води по реакції (ІІІ):
Загальний об'єм води, що утворилася, по реакціях (І)-(ІІІ):
VН2О=27,78+8,33=36,11 м3/год
Загальний об'єм води на виході з контактного апарата:
465,54 + 36,11 = 501,65 м3/год
Зведений матеріальний баланс процесу каталітичного очищення хвостових газів представлений у табл..
Матеріальний баланс каталітичного очищення хвостових газів від окислів азоту
| Прихід | м3/год | % об. | кг/год | Витрата | м3/год | %об. | кг/год |
| 1.Неочи-щений газ, у т.ч. NО2 NО N2 О2 СО2 Н2О | 5189,8 9,34 9,34 4403,54 258,45 43,59 465,54 | 100 0,18 0,18 84,85 4,98 0,84 8,97 | 6365,33 19,18 12,5 5504,72 369,219 85,62 374,09 | 1.Очище-ний газ, у т.ч. NО2 NO N2 О2 CО2 Н2О NH3 | 5225,583 0,08 0,08 4425,90 254,283 43,59 501,65 0,0005 | 100 0,001 84,70 4,87 0,826 9,60 0,003 | 6383,6 0,107 0,164 5531,37 363,26 85,62 403,11 0,0004 |
| 2.Аміак | 24,076 | 18,272 | |||||
| Разом | 5213,876 | 6383,6 | Разом | 5225,583 | 6383,6 |
4.1.2 Завдання 10
На підставі матеріального балансу визначити температуру очищеного газу на виході з реактора каталітичного знешкодження, якщо процес вести в адіабатичних умовах.
Вихідні дані:
Об'єм газів на вході в реактор – 5189,8 м3/год
Температура газу на вході в реактор – 260 0С
Об'єм газоподібного аміаку на вході в реактор – 24,076 м3/год
Температура аміаку – 100 0С
Об'єм очищеного газу на виході з реактора – 5225,583 м3/год.
Рішення:
У загальному виді рівняння теплового балансу реактора каталітичного очищення можна представити у вигляді:
Q1 + Q2 + Q3 = Q4
Q1 - тепло, внесене неочищеними нітрозними газами, кДж;
Q2 - тепло, внесене аміаком, кДж;
Q3 - тепло реакції, кДж;
Q4- тепло, яке виноситься з реактора із знешкодженим газом, кДж.
Фізичне тепло газового потоку визначається по рівнянню:
Q = V * Cp * t
де Q - фізичне тепло потоку, кДж
V - кількість речовини, м3;
Cp - середня теплоємність газового потоку, кДж/м3∙ 0С;
t – температура, 0С
Визначимо середню теплоємність неочищених хвостових газів на вході в реактор каталітичного очищення. Необхідні для розрахунку дані і розрахунок середньої теплоємності газового потоку при 260 0С представлені в табл.
| Компоненти | Об'ємна частка, Хi, | Теплоємність, Сi, кДж/м3∙ 0С | Сi∙ Хi, кДж/м3∙ 0С |
| NОх N2 СО2 О2 Н2О | 0,0036 0,8485 0,498 0,0084 0,897 | 1,60 1,30 1,35 1,80 1,51 | 0,00576 1,1030 0,0645 0,0150 0,1300 |
| Разом | 1,00 | 1,3183 |
1. Прихід тепла з неочищеними хвостовими газами:
Q1 = 5189,8 ∙ 1,3183 ∙ 260 = 1778845,5 кДж/год
2. Прихід тепла з аміаком:
Q2 = 24,076 ∙ 1,67 ∙ 100 = 4020,7 кДж/год
3. У реакторі протікають ізотермічні реакції, у результаті яких виділиться наступна кількість тепла:
- по реакції 2.4:
Qр1 = 6,17∙ 1810000/4∙ 22,4=124639,5 кДж/год
- по реакції 2.5:
Qр2 = 12,35∙ 2734000/8∙ 22,4=188420,2 кДж/год
- по реакції 2.6:
Qр3 = 5,5555∙ 1270000/4∙ 22,4=78744,25 кДж/год
Загальна кількість тепла, що виділяється в результаті реакцій, що протікають у реактора:
Q3 = 124639,5+ 188420,2+ 78744,25 = 391803,75 кДж/год
4. Прихід тепла:
Qпр = 1778845,5+ 4020,7+ 391803,75 = 2174670 кДж
5. Приймаємо , що теплоємність вихідного потоку дорівнює теплоємності вхідного потоку газу й визначимо витрату тепла, позначивши температуру газів на виході з апарату через tх
Q4 = 5225,583 ∙ 1,3183 ∙ tх = 6888,9 tх
6. Відповідно до закону збереження енергії визначаємо температуру вихідного потоку:
Qпр = Qрасх
2174670 = 6888,9 tх
tх = 2174670/6888,9 = 315,7 0С
Підвищення температури в реакторі за рахунок тепла екзотермічних реакцій:
∆t = 315,7 – 260 = 55,70С
1. Караваев М.М., Засорин А.П. Каталитическое окисление аммиака. – М.: Химия, 1983. – 232 с.
2. Справочник азотчика.–2-е изд. перераб. Т.2.– М.: Химия, 1987. – 484 с.
3. Общая химическая технология. – Т.2./ Под ред. И.П. Мухленова. – М.: Высш. школа, 1984. – 263 с.
4. Соколовский А.А., Яшке Е.В. Технология минеральных удобрений и кислот. – М.: Химия, 1971. – 456 с.
5. Катализ в азотной промышленности/Под ред. В.М. Власенко. – Киев: Наукова думка, 1983. – 200 с.
6. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности/ Под. ред. В.М. Олевского. – М.: Химия, 1985. – 400 с.