Нитрозные газы

3.    Нитрозные газы

а) в колонне 1/2 количества (1,5%) HNO₃ разлагается до NO₂ по реакции (3)

242,3х0,015 = 3,64 кг.

При этом образуются газообразные вещества:

NO₂==2,65 кг

H₂O ==0,52 кг

O₂ = =0,46 кг.

б) по реакции (4) разлагается ½ количества (1,5%) HNO₃ до N₂:

N₂==0,81 кг.

H₂O = =0,52 кг.

O₂ = =2,3 кг

в) при разложении N₂O₃ по реакции (5):

NO₂==5,45 кг

NO = = 3,55 кг

г) при разложении HNSO₅ по реакции (2):

NO₂==5,43 кг

NO = = 3,54 кг

Выделившаяся в процессе реакции серная кислота вновь войдет в состав отработанной кислотной смеси и доля ее в последней составит 450кг.

д) с нитрозными газами уносится 1% HNO₃:

242,3х0,01 = 2,42 кг.

В результате гидролиза получается следующее количество сухих нитрозных газов (без учета подсоса воздуха):

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	0,81	0,65
O2	2,76	1,93
HNO3	2,42	0,86
Всего	26,58	15,6

Подсос воздуха u_под через неплотности соединений царг колонны принимаем равным 100% объема сухих газов

u_под= 15.6 нм³, в том числе:

N₂=0,78*15,6=12,17 нм³;

O₂=0,21*15,6=3,28 нм³;

или

N₂==15,21 кг;

O₂==4,68 кг;

Итого: u_под=19,89 кг.

Принимаем, что подсасываемый воздух поступает при t=20 ^ОС, относительная влажность 80%

Количество водяных паров, поступающих в колонну с воздухом (14,61*0,8)10^-3*19,89=0,23 кг, где

d₀ = 14.61  - влагосодержание

Всего воздуха: 19,89+0,23=20,12 кг.

Количество и состав сухих газов, выходящих из колонны с учетом подсоса воздуха:

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
HNO3	2,42	0,86
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
Всего	46,47	31,11

 

Количество паров воды, уходящих из колонны (за конденсатом) с нитрозными газами при t=35 ^ОС

H₂O = , для

v= 30 нм³

p=1,8 мм. Рт. Ст – парциальное давление воды над 98% HNO₃ при t=35 ^ОС

p=133.3*1.8=239.9 Па

H₂O =  кг

в объеме v= нм³

Общий состав газов, поступающих на поглощение:

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
H2O	0,07	0,057
HNO3	2,42	0,86
Всего	46,54	31,12

Таблица №10 - Сводный материальный баланс отделения концентрирования HNO₃

Приход:
1. Отработанная кислота	1000 кг.
2. Купоросное масло	х кг.
3. Перегретый пар	у кг.
4. Воздух через неплотности	19,89 кг.
Итого:	1019,89+х+у
Расход:
1. Слабая H2SO4 70%	(450+х)/0,7 кг.
2. Крепкая HNO3 98%	242,3 кг.
3. Нитрозные газы	46,54 кг.
Итого:	(931,70+х)/0,7

Приравнивая приход к расходу, получаем уравнение материального баланса

1019,89+х+у=931,7+

у=0,43х-88,19

2.7. Расчет теплового баланса [1]

Так как в уравнении материального баланса входит распад пара (у), то будем определять его с помощью уравнения теплового расчета.

Исходные данные:

1.    Температура отработанной кислоты, поступающей в колонну - 90 ^ОС

2.    Температура H₂SO₄ 91% - 20 ^ОС

3.    Температура отработанной кислоты H₂SO₄ 70% - 170 ^ОС

4.    Температура выходящих из колонны HNO₃ и нитрозных газов – 85 ^ОС

5.    Температура HNO₃ 98% из конденсатора, поступающей в колонну - 40 ^ОС

Температура крепкой HNO₃ 98%, выходящей из колонны в холодильник 85 ^ОС

6.    Температура подсасываемого воздуха 20 ^ОС

Приход тепла:

1)   С отработанной кислотой

Q=q₁*c₁*t₁=1000*2.22*90=119800 кДж; (47732.2 ккал)

c₁=2,22 - удельная теплоемкость отработанный кислоты при температуре 90 ^ОС

2)   С перегретым паром, теплосодержание которого при t=220 ^ОС равно 700.8 кДж; Q₂=700,8*у

3)   Теплота от H₂SO₄ состоит из физической теплоты  и теплоты разбавления

=+

Физическая теплота определяется по формуле

==х кДж/(8.4x ккал)

=1,759 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 91% при t=20 ^ОС

Теплота разбавления H₂SO₄определяется разницей теплот разбавления до 70% и 91%.

Удельная теплота разбавления g=(); n=H₂O/H₂SO₄

В H₂SO₄ с массовой долей 91%, моль:

H₂SO₄ = х 0,91/98 = 0,0094 х

H₂O = х 0,09/18 = 0,005 х

n = 0,005 х/0,0094 х =0,53

В H₂SO₄ 70% моль:

Примем (450+х)/0,7=z

H₂SO₄=z 0.7/98 = 0,007 z

H₂O = z 0.3/18 = 0,016 z

n = 0,016 z/0.007 z = 2.38

Удельная теплота разбавления  H₂SO₄ с массовой долей 100% до 91%:

==4066,1 (17036,8 )

Уд теплота разбавления  H₂SO₄ с 100% до 70%

 = =10174(42628,9 )

Удельная теплота разбавления с 91% до 70%:

=42628.9-17036.8=25592.1(6107.9 ккал)

=17,8*25592,1=455539,4 кДж (108720,6 ккал)

=35,18х + 455539,4 кДж (8,4*х + 108720,6 ккал)

4)   С HNO₃ 98%, поступающей из конденсатора в колонну с t=40 ^ОС

= = 242,3*40*1,93=18705,56 кДж (4464,3 ккал)

5)    С воздухом, подсасываемым из помещения с t=20 ^ОС

==19,89*1*20=397,8 кДж (94,94 ккал)

= 1 кДж/кг град – удельная теплоемкость воздуха

Всего в колонну приход тепла, кДж

++++=199800 + 700,8 у + 35,18х + 455539,4 + 18705,56 + 397,8 = 674442,76 + 35,18х + 700,8у

Расход тепла

1)   С парами HNO₃ 98%, выходящих из колонны:

==0.98*242.3*1.936*85=39075.43 кДж=9325,9 ккал

2)    На испарение HNO₃:

=0,98*242,3*i=0,98*242,3*483=114690,28 кДж=27372,38 ккал,

где i=483кДж/кг – теплота испарения 1 кг кислоты.

На испарение 4% H₂O , содержащихся в HNO₃:

=*0,98*242,3*i=*0.98*242.3*2259=22350.36 кДж, где

i=2259 кДж/кг – теплота парообразования воды

=+=114690,28+22350,36=137040,64 кДж = 32706,6 ккал

3)    Теплота, уносимая с 70% H₂SO₄ при t=150 ^ОС

=()*2,09*150=201535,71+447,86х кДж

=2,09 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 70%

4)    С HNO₃ 98%, уносимой из колонны с t=85 ^ОС в холодильник:

==242,3*1,93*85=39749,32 кДж = 9486,71 ккал

5)   На нагрев подсасываемого воздуха из помещения в среднем до t=90 ^ОС

=19.89(90-20)=1392.3 кДж

6)   На закрепление содержащихся в отработанной кислоте слабой HNO₃ при ее массовой доле в смеси:

*100%=49%

Удельная теплота для HNO₃:

g=n*8974/(n+1.737) ккал/моль

В кислоте с массовой долей 49%, моль:

HNO₃=250*0,49/63=1,94; H₂O =250*0,51/18=7,08

n=7.08/1.94=3.65

Удельная теплота разбавления для HNO₃ 98%:

ккал/моль=25476,86 кДж/моль

В кислоте с массовой долей HNO₃ 98%, моль:

HNO₃=0,98/63=0,016; H₂O =0,02/18=0,001

n=0.001/0.016=0.069

Удельная теплота разбавления для HNO_{3 98%}

 ккал/моль=1436,59 кДж/моль

Теплота закрепления HNO₃, находящейся в отработанной кислоте с 49% до 98%: =(25476,86-1436,59)=89017,7 кДж=21245,27 ккал

7)   Теплота, уносимая с нитрозными газами:

=q₇*c₇*t, где

c- удельные теплоемкости газов с t=85 ^ОС

NO2	13,5*0,75*85=865,92 кДж
NO	7,09*0,996*85=600,2 кДж
N2	16,02*1,04*85=1416,17 кДж
O2	7,44*0,923*85=583,71 кДж

H₂O 0,07*1,373*85 = 8,17 кДж

HNO₃ 2,42*1,8*85 = 370,26 кДж

Всего: 3843.73 кДж

8)   В окружающую среду колонна ГБХ в течение 1 часа теряет порядка 800 ккал (33520 кДж). При условии подачи в колонну 92 кг/мин тройной смеси и выработки колонны 60 тиг в сутки.

Потери тепла в окружающую среду:

==6072,46 кДж

Всего расход тепла, кДж:

+++++++=39075,43+137040,64+201535,71+447,86х+39749,32+1392,3+89017,7+3843,73+6072,46=517727,29+447,86х

Приход приравним к расходу:

674442,76+35,18х+700,8у=517727,28+447,86х

у=0,59х-223,62

Решаем совместно уравнение материального и теплового балансов:

0,43х-88,19=0,59х-223,62

х=847

у=276,11

Таблица №11 - Материальный баланс денитрации и концентрирования HNO₃

Расчет составлен на 1 тонну отработанной кислоты

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1.  Отработанная кислота	900	42	1.  Крепкая HNO3 98%	242,3	11,3
2.  50% HNO3	100	4,7	2.  Слабая HNO3 70%	1852,86	86,5
3.  Купоросное масло	847	39,52	3.  Нитрозные газы	46,54	2,2
4.  Перегретый пар	276,11	12,88
5.  Воздух через неплотности	19,89	0,93
Всего:	2143	100	Всего:	2143	100

Таблица №12 - Тепловой баланс концентрирования азотной кислоты

Приход		Расход
статьи прихода	КДж	статьи расхода	кДж
1.    С отработанной кислотой	199800	1.    С парами HNO3 98%	39075,43
2.    С перегретым паром	193497,89	2.    На испарении HNO3	137040,64
3.    Теплота от H2SO4 91%	485336,86	3.    С H2SO4 70%	581546,53
4.    С HNO3 50% из конденсатора	18705,56	4.    С HNO3 98%	39749,32
5.    С воздухом	397,8	5.    На нагрев воздуха	1392,3
		6.    На закрепление слабой HNO3	89017,7
		7.    С нитрозными газами	3843,73
		8.    В окружающую среду	6072,46
Всего:	897738,11	Всего:	897738,11

На 1 тонну отработанной кислоты приходится в 4.127 раза больше крепкой 98% HNO₃. Пересчитаем на 1 тонну готового продукта 98% HNO₃

Таблица №13 - Нормы расхода сырья для производства 1 тонны готового продукта 98% HNO₃

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1.    Отработанная кислота	3714,3	41,97	1.    Крепкая HNO3 98%	1000	11,3
2.    50% HNO3	412,7	4,73	2.    Слабая HNO3 70%	7654,87	86,5
3.    Купоросное масло	3492,48	39,52	3.    Нитрозные газы	194,69	2,2
4.    Перегретый пар	1138,24	12,88
5.    Воздух через неплотности	79,54	0,9
Всего:	8849,6	100	Всего:	8849,6	100

2.8 Расчет материального баланса концентрирования H₂SO₄

Исходные данные:

1.    Температура кислоты на входе 150 ^ОС

2.    Температура кислоты на выходе 250 ^ОС

3.    Температура дымовых газов на входе 900 ^ОС

4.    Температура дымовых газов на выходе 130 ^ОС

1.    Потери при концентрировании составляют 0,06%, из них 50% на разложение SO₂  и 50% - теряется в виде паров серной кислоты

В вихревую колонну поступает разбавленная серная кислота (с учетом потерь):

 G_разб = G(1-0,0006) = 7654,87*0,9994 = 7650,28 кг.

в том числе воды:

 = G_разб(1-) = 7650,28(1-0,7) = 2295,08 кг.

В колонну подается кислота ( в пересчете на моногидрат):

G_пр = G(1-0.0006) = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2.    При концентрировании серная кислота разлагается по формуле:

H₂SO₄ = SO₂ + H₂O + 1/2O₂

Q_разл = 228900 кДж/кмоль – теплота разложения H₂SO₄. Потери от разложения составляют 50% общих потерь или 0,03%:

G_пот = G_т*0,03/100 = 7650,28*0,0003 = 2,3 кг.

3.    Потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами составляют также 50% общих потерь (0,03%)

G_ун = 0,0003*7650,28 = 2,3 кг.

4.    Общие потери составляют:

G_{пот =} G_ун + G_{разл =} 2.3*2 = 4.6 кг.

5.    При разложении серной кислоты образуется:

H₂SO₄ = SO₂  + H₂O + 1/2O₂

 = 98;  = 64

SO_{2 =}  = 1,5 кг.

O₂  =  = 0,38 кг.

H₂O =  = 0,42 кг.

6.    В колонне выпариваются воды:

G_вых = G_разл[(1-G_исх/100)-( 1-G_к/100)] = 7650.28[(1-70/100)-(1-91/100)] = 1606,56 кг.

7.    Выход 91% продукционной H₂SO₄:

G_кон= G_разл- G_разл[(1-G_исх/100)-( 1-G_к/100)] ] = 7650.28-1606.56=6043.76 кг.

8.    Приход кислоты по моногидрату:

G_пр = G_исх = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2.9. Расчет теплового баланса вихревой колонны [4]

Приход тепла:

1.    с разбавленной серной кислотой 70% при t = 150 ^ОС

Q_{1 =} Q_прH_пр = 7654.87*342 = 2617934.76 кДж = 624805,43 ккал.

H_{пр =} 342 кДж/кг – энтальпия исходной кислоты

2.    С дымовыми газами, поступившими из топки:

Q_{2 =}  = 31,37х*1,45*900 = 40937,85х кДж = 9770,37 ккал.

V_{2 =} 31,37 м³ – объем газов

С_{2 =} 1,450 кДж/м³ град

Общий приход тепла: Q_общ = Q₁₊ Q₂ = 2617934,76+40937,85х кДж

Расход тепла

1.    С продукционной кислотой при 250 ^ОС:

Q_{1 =} C_k*H_{k =} 5355.2*458 = 2452681.6 кДж = 585365,54 ккал

H_{к =} 458 кДж/кг – энтальпия серной кислоты 91%

2.    С водяным паром выделяется при выпаривании и разложении:

Q_{2 =} C_вп*H_{вп =} 1606.98*2737.7 = 4399429.15 кДж = 1049983.09 ккал

G_{вп =} G_уп + G_разл = 1606,56 + 0,42 = 1606,98 кг.

H_{вп =} 2737,7 кДж/кг – энтальпия водяного пара

G_{уп и} G_разл – из материального баланса.

3.    С дымовыми газами, уходящими с t = 30 ^ОС:

Q_{3 =}  = 31,37х*1,336*130 = 5448,34х кДж = 1300,32 ккал.

V₂ – объем дымовых газов на м³ сжигаемого газа

С₂ = удельная теплоемкость дымовых газов при t=130 ^ОС

С₂ = 1,336 кДж/м³ град

4.    На испарение серной кислоты:

Q₄ = G_исп+ H_исп=2,3*511,2=1175,76 кДж=280,61 ккал

Н_исп=511.2 кДж/кг - удельная теплота парообразования серной кислоты

5.    С парами серной кислоты:

Q₅ = G_исп+ H = 2,3*201,4=463,22 кДж=110,55 ккал

Н – энтальпия 100% серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^ОС.

6.    На разложение серной кислоты:

Q₆ =  = =5372,14 кДж = 1282 ккал.

7.    С продуктами разложения серной кислоты в результате разложения серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^ОС образуются:

=1,5 кг.; =0,38 кг.; =2,3 кг

Q₇ = (* + *)t=(0.963 + 0.353)130 = 171.08 кДж = 40,83 ккал

8.    При концентрировании серной кислоты (дегидратации) от 70% до 91% расходуется тепла:

Q₈=G_уп(Q_70%- Q_91%)

Q_70% = 427,4 кДж/кг – теплота разбавления до 70%

Q_91% = 157,3 кДж/кг – теплота разбавления до 91%

Q₈ = 5355,2(427,4-157,3)=1446439,52 кДж = 345212,3 ккал

9.    Потери тепла в окружающую среду примем 1% от общего количества расхода тепла на концентрировании серной кислоты:

 Q= 2452681,6 + 4399429,15 + 5448,34х + 463,22 + 1175,76 + 5372,14 + 171,08 + 1446439,52 = 5853050,87 + 5448,34 х кДж

Q_д = 58530,51 + 54,48 х к`Дж

Q_расх = 5911581,38 + 5502,82 х кДж

10. Для определения расхода топлива ^приравниваеме приход тепла к расходу:

Q_общ = Q_расх

2617934,76+40937,85х=5911581,38+5502,88х

35435,03х=3293646,62

х=92.95

11.  Определяем часовое количество и состав газов, поступающих на установку из топки.

Таблица №14 - Количество и состав газов из топки

газы	м3	кг.
CO2 : 1,27*92,95	118,5	231,87
N2: 24,43*92,95	2270,77	2838,46
O2: 4,03*92,95	374,59	535,13
H2O: 2,68*92,95	249,11	200,17
Всего	3012,52	3805,63

12. Определяем часовое количество газов, уходящих с установки:

Таблица №15 - Часовое количество газов

газы	м3	кг.
CO2: *х=1,27*92,95	118.05	231.87
N2: *х=24,43*92,95	2270.77	2838.46
O2: =374,59+0,38*22,4/32	374.86	535.51
SO2: 22.4/64	0,53	1,5
H2O: +	2249,43	1807,58
H2SO4: *22,4/98	0,53	2,3
Всего	5014,7	5417,22

Таблица №16 - Материальный баланс концентрирования серной кислоты

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1.    Газы из топки	3805,63	33,2	1.    Газы в аотмосферу	5417,22	46,26
2.    Серная кислота 70%	7654,87	66,8	2.    серная кислота 91%	6043,72	52,72
			3.    Пары серной кислоты	2,3	0,02
Всего:	11460,5	100	Всего:	11460,5	100

Таблица №17 - Тепловой баланс концентрирования серной кислоты

Приход		Расход
статьи прихода	КДж	Статьи расхода	кДж
1.    С серной кислотой 70%	2617934,76	1.    С серной кислотой 91%	2452681,6
2.    С дымовыми газами	6423107,92	2.    С водяным паром	4399429,15
		3.    С дымовыми газами	672179,0
		4.    На испарение серной кислоты	1175,76
		5.    Теплота разложения	5372,14
		6.    С продуктами разложения	171,08
		7.    Теплота дегидратации	1446439,52
		8.    Потери в окружающую среду	63594,43
Всего:	9041042,68	Всего:	9041042,68

3. Технико-технологическая часть 3.1. Выбор и расчет производительности основного и вспомогательного оборудования технологической схемы

Исходя из заданной производительности проектируемого производства по готовой продукции (98% HNO₃) определяем суточную и часовую производительность основного аппарата цеха-колонны ГБХ.

П_сут=, где

П_год-10000 т/год

n – время на ремонт и простои оборудования

П_сут==29,85 т/сут

П_час==1,24 т/час

При отгонке концентрированной HNO₃ определенного состава расход безводной H₂SO₄ зависит от массовой доли H₂SO₄ в разбавленной HNO₃, при этом расход H₂SO₄ будет тем больше, чем сильнее разбавлена HNO₃. Для одной и той же исходной разбавленнной HNO₃ удельный расход H₂SO₄ обратно пропорционален ее степени концентрации. В соответствии с расчетом по треугольным диаграммам (услович – Температура кипения смеси на палках) при массовой доле HNO₃ 48-50% и технической H₂SO₄ 91-92% соотношение HNO₃:H₂SO₄ составляет 1:32 при исходной HNO₃ 50% и H₂SO₄ 92%. Исходя из сказанного выше, годовая производительность по H₂SO₄ будет равна 32000 т/год.

=

Рассчитаем суточную и часовую производительность вихревой колонны:

П_сут==95.52 т/сут

П_час==3,98 т/час

3.2 Расчет количества аппаратов

n=

П_год – годовая производительность

П_час – часовая производительность

КИО – коэффициент использования оборудования

Т_эф – эффективный фонд времени работы аппарата, ч

Денитрационная колонна ГБХ

Т_эф=8040 час/год

КИО=0,95

П_год=10000 т/год

П_час=1,24 т/час

n==1.1 шт

Выбираем 1 аппарат

Вихревая колонна

Т_эф=8040 ч/год

КИО=0,9

П_год=32000 т/год

П_час=3,98 т/час

n==1.1 шт

Выбираем 1 аппарат

Абсорбер для улова паров азотной кислоты и окислов азота:

Т_эф=8760-1404 =7365 ч

КИО=0,86

П_год=5337000 т/год

П_час=5337000/7356 =725,5 т/час

n==3,8 шт

Выбираем 4 абсорбера

4. Конструктивно-механические расчеты 4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]

Определение числа ступеней концентратора серной кислоты при концентрировании от 70% масс до 91-92% масс H₂SO₄ проводим аналитическим методом. При нагреве серной кислоты до 260-280 ^ОС продукционную 92% H₂SO₄ можно получить в одной ступени. Однако при этом содержание серной кислоты в парах достигает 30-50 г/м³ , что приводит к значительному газовому выбросу. Для уменьшения содержания в парах, серную кислоту концентрируют в 2-3 ступенчатых аппаратах, однако, если при этом пересыщение паров H₂SO₄ во второй ступени превышает критическое значение более, чем в 30 раз: S_кр>=3,3, то происходит образование тумана серной кислоты. Концентрация кислот во второй ступени для работы концентратора в режиме без образования тумана серной кислоты должна составлять 85-90% масс, температура 240 ^ОС.

Аналитическое определение числа ступеней, концентрации и температур H₂SO₄ на ступенях концентратора, работающего без образования тумана, представлено в таблице .

Таблица №18 - Число ступеней, концентрации и температуры серной кислоты на ступенях концентратора.

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ОС
на входе	850	230	210	190	175
на выходе	230	210	190	175	160
2. Концентрация H2SO4, %
на входе	88	84	80	75	70
на выходе	92	88	84	80	75
3. Температура H2SO4, ОС	220	200	180	165	150
Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	200	56	16	2,2	0,47
на выходе	960	200	56	16	2,2
5. Пересыщение, S		4,8	3,57	3,5	7,3
6. Критическое состояние, Sкр		4,5	6	7,1	12,27
7. Отношение: S : Sкр		1,07	0,6	0,5	0,6

Принимая равными эффективности ступеней вихревой колонны по температуре, массоотдаче в газовой и жидкой фазах для процессов десорбции паров воды и абсорбции паров серной кислоты, задаемся распределением концентрации (x_i) и температур (t_i) серной кислоты.

Таблица №19

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ОС
на входе	850	250	210	190	175
на выходе	250	210	190	175	170
2. Концентрация H2SO4, % масс.
на входе	89	85	81	76	70
на выходе	92	89	85	81	76
3. Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	250	56	16	2,2	0,47
на выходе	980	250	56	16	2,2
4. Пересыщение, S	3,8	4,5	3,5	7,3
5. Критическое пересыщение, Sкр	4,3	6	7,1	12,27
6. Отношение: S : Sкр	0,88	0,75	0,49	0,59
7. Брызгоунос на 1 кг подаваемой на ступень кислоты	0,319	0,318	0,317	-	-