Теоретические основы производства

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Проектная производительность составляет 1150 тонн в год (в пересчете на моногидрат HNO₃) или

1150 *330 / 24 ∙ 1000 = 15,81 кг/ч 100,00 %-й HNO₃,
где 330– количество рабочих дней в году.
Массовый расход аммиака, теоретически необходимого для получения 15,81 кг/ч 100,00 %-й азотной кислоты согласно суммарному:
m_NH3теор=m_HNO3*M_NH3/M_HNO3=15,81*17/63=4,27 кг/ч
где   – производительность установки по моногидрату азотной кислоты, кг/ч;   (17 и 63)– молярные массы аммиака и азотной кислоты соответственно, г/моль.
Практический массовый расход аммиака, подаваемого на стадию окисления аммиака кислородом воздуха, согласно суммарному:
m_NH3=m_NH3теор/η_k*η_a=40,88/0,995*0,98=44,62 кг/ч
где  – степень превращения аммиака в NO на катализаторе (селективность катализатора), д.е;  – степень абсорбции оксидов азота, д.е.
Практический объемный расход аммиака согласно суммарному уравнению:
V_NH3=m_NH3*22,4/M_NH3=44,62*22,4/17=58,79 нм³/ч
где 22,4– мольный объем газа при нормальных условиях, нл/моль.
Состав влажного воздуха может быть определен следующим образом. Уравнение для расчета давления насыщенного водяного пара (упругости водяного пара), МПа:
lgР= 4,073 – 1657,4 / (Т – 46,13).

Остаточное давление определяется по формуле: Р_ост. = Р_б – Р_р , где Р_б – нормальное барометрическое давление, МПа; Р_р– разрежение в аппарате очистки воздуха (согласно регламентным данным составляет до 2,00 кПа).
Р_ост. = 0,101325 – 0,002 = 0,099325 МПа.
Содержание водяных паров в воздухе определяется по формуле:

где i- упругость водяных паров в воздухе, МПа.

Содержание в воздухе N₂ и О₂:
100,00 - 2,30 = 97,70 %об.
В сухом воздухе содержится 21,00 % об. О₂ и 79,00 %об. N₂.
Тогда кислорода во влажном воздухе:
97,70 ∙ 0,21 = 20,52 % об.
Азота во влажном воздухе:
97,70 ∙ 0,79 = 77,18 % об.
При концентрации аммиака в аммиачно-воздушной смеси 10,50 % об. ее расход равен:
V_ABC=58,79*100/10,5=559,93 нм³/ч
 =559,93 – 58,79 = 501,14 нм³/ч.
Необходимый для производства воздух забирается из атмосферы через воздухозаборную трубу и очищается от пыли и механических загрязнений в двухступенчатом фильтре.
С воздухом в контактный аппарат поступает кислорода:
V_O2=V_воз*α_O2/100=501,14*20,52/100=102,83 нм³/ч
n_O2=102,83/22,4=4,59 нм³/ч
m_O2=4,59*32=146,9 нм³/ч
где
20,52– концентрация кислорода во влажном воздухе, % об.; 22,4– мольный объем газа при нормальных условиях, нл/моль; 32– молярная масса кислорода, г/моль.
С воздухом в контактный аппарат поступает азота:
V_N2=V_воз*α_N2/100=501,14*77,18/100=386,78 нм³/ч
n_N2=386,78/22,4=17,26 нм³/ч
m_N2=17,26*28=48,35 нм³/ч
где 77,18– концентрация азота во влажном воздухе, % об.; 28– молярная масса азота, г/моль.
С воздухом в контактный аппарат поступает водяных паров:
V_H2O=V_воз*α_H2O/100=501,14*2,3/100=11,52 нм³/ч
N_H2O=11,52/22.4=0,5146 нм³/ч
M_H2O=0,514*28=9,26 нм³/ч
где 2,30– концентрация водяных паров во влажном воздухе, % об.; 18– молярная масса водяных паров, г/моль.
Состав аммиачно-воздушной смеси, поступающей в контактный аппарат:
NH₃ 10,50 % об.;
О₂ 102,83 / 559,93 ∙ 100,00 = 18,37 % об.;
N₂ 386,78 / 559,93 ∙ 100,00 = 69,08 % об.;
Н₂О 11,52 / 55,99 ∙ 100,00 = 2,05 % об.;
ВСЕГО: 100,00 % об.
Материальный баланс стадии окисления аммиака кислородом воздуха (в расчете на часовую производительность).
Таблица 4

ПРИХОД (до окисления)					РАСХОД (после окисления)
Компонент	нм^3/ч	% об.	кг/ч	% масс.	Компонент	нм^3/ч	% об.	кг/ч	%масс.
1) NH3	58,79	10,50	44,61	6,52	Нитрозный газ в т.ч.
2) Воздух	501,14	89,50	639,64	93,48	NO	54,97	9.57	73,62	10,76
O2	102,83	18,37	146,90	21,47	O2	31,25	5,44	44,64	6,52
N2	386,78	69,08	483,47	70,66	N2	388,69	67,64	485,86	71,01
H2O	11,52	2,05	9,26	1,35	H2O	99,71	17,35	80,12	11,71
ВСЕГО:	559,93	100,00	684,26	100,00	ВСЕГО:	574,63	100,00	684,26	100,00

Материальный баланс процесса окисления NO кислородом в контактном аппарате (в расчете на 1150 т моногидрата азотной кислоты).
Таблица 5

ПРИХОД (до окисления)					РАСХОД (после окисления)
Компонент	нм^3/ч	% об.	кг/ч	% масс.		Компонент	нм^3/ч	% об.	кг/ч		%масс.
Нитрозный газ в т.ч.					Нитрозный газ в т.ч.
NO	2,10	5,66	2,81	6,24		NO	0,71	1,96	0,95	2,12
NO2	1,52	4,11	3,12	6,94		NO2	2,91	7,99	5,98	13,24
O2	1,30	3,50	1,85	4,11		O2	0,60	1,66	0,86	1,92
N2	25,65	69,03	32,06	71,00		N2	25,65	70,34	32,06	71,00
H2O	6,58	17,70	5,28	11,71		H2O	6,58	18,05	5,28	11,72
ВСЕГО:	37,16	100,00	45,16	100,00		ВСЕГО:	36,46	100,00	45,16	100,00

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Приход тепла.

В окислитель на стадии утилизации тепла и окисления NO кислородом тепло вносится нитрозными газами, а также выделяется в результате протекания экзотермической реакции. Тепло уносится нитрозными газами, а также за счет теплопотерь.
Средние теплоемкости компонентов (Дж/(моль·К)) в интервале температур 0  t ⁰C могут быть рассчитаны согласно следующим уравнениям:
 = 29,33 + 0,003855 · (t+273) – 58660 / (t+273)²
 = 27,88 + 0,00427 · (t+273)
 = 30,00 + 0,01071 · (t+273) + 33000 / (t+273)²
 =31,46 + 0,00339(t+273)-377000/(t+273)²
 =43,00 + 0,0085476(t+273)-674590/(t+273)²
где t - температура потока, ⁰С.

1. 
   Тепло, вносимое нитрозными газами в окислитель:
   

где - теплоемкости (Дж/(моль∙К)) и количества (кмоль/ч) NO, O₂, N₂, H₂O и NО₂ на входе в окислитель соответственно;  – температура нитрозного газа на входе в окислитель, °С.
Теплоемкости компонентов нитрозного газа на входе в окислитель при температуре 250єС, Дж/(моль∙К).

NO	NО2	N2	H2O	O2
31,132	45,004	30,113	35,722	31,855

2. 
   Тепло, выделяющееся в окислителе, при окислении NO до NO₂ кислородом по реакции. где  и   – изменение стандартной энтальпии при образовании NO и NO₂, кДж/моль;  – начальные и конечные количества вещества, кмоль/ч.
   

Изменение стандартной энтальпии при образовании вещества.

Вещество	NO	NO2
 ,кДж/моль	91,26	34,19

5362068,4 кДж/ч=5362,07МДж/ч.
48,39 и 197,01– количества NO и NO₂ в нитрозном газе, выходящем из окислителя, кмоль/ч; 142,34 и 103,07– количество NO и NO₂ в нитрозном газе, поступающем в окислитель, кмоль/ч.
Общий приход тепла в аппарат составит:
= 25369018,18 кДж/ч=25369,02МДж/ч.
Расход тепла
3) Тепло, уносимое нитрозными газами из окислителя.
где - теплоемкости (Дж/(моль∙К)) и количества (кмоль/ч) NO, NO₂,O₂, N₂ и H₂O на выходе из окислителя соответственно;  – температура нитрозного газа на выходе из окислителя, °С.
Q_н.г^вых=[(29,33+0,003855(t_вых+273) - 58660/ (t_вых+273)²) ∙ 48,39 + (43,00+ 0,0085476 (t_вых+273) – 674590/ (t_вых+273)²)∙197,01+(31,46+0,00339(t_вых[phone]/ (t_вых+273)²) ∙ 41,02+(27,88+0,00427(t_вых+273)) ∙ 1735,23 + (30,00 + +0,01071(t_вых+273) +33000 /(t_вых+273)²) ∙ 445,16] ∙ t_вых
Примем, что теплопотери в окислителе равны 3 %, тогда общий расход тепла составит:
Q_рас= [ (29,33 + 0,003855 (t_вых+273) - 58660/(t_вых+273)²) ∙ 48,39+ (43,00+0,0085476 (t_вых+273) – 674590 / (t_вых+273)²) ∙ 197,01 + (31,46+0,00339 (t_вых+273) – 377000 / (t_вых+273)²) ∙ 41,02+ (27,88+0,00427(t_вых+273)) ∙ 1735,23 + (30,00+0,01071 (t_вых+273)+33000 / (t_вых+273)²)∙445,16]∙t_вых∙100,00/97,00
Решая это уравнение относительно t_вых, определяем, что температура нитрозных газов на выходе из окислителя равна 305°С.
Q_н.г^вых=[(29,33+0,003855(305+273) – 58660 / (305+273)²) ∙ 48,39+ (43,00+0,0085476(305+273) – 674590 / (305+273)²) ∙ 197,01 + (31,46+0,00339(305+273) – 377000 / (305+273)²) ∙ 41,02 + (27,88 + 0,00427 (305+273)) ∙ 1735,23 + (30,00+0,01071(305+273 )+ 33000 / (305+273)²) ∙ 445,16] ∙ 305 = 24607947,63 кДж/ч =24607,95 МДж/ч.
Теплопотери составляют:
Q_т/п =24607947,63∙3,00/97,00 = 761070,54 кДж/ч=761,07 МДж/ч.
Тепловой баланс окислителя (в расчете на часовую производительность).
Таблица 6

ПРИХОД			РАСХОД
Статьи прихода	МДж/ч	%	Статьи расхода	МДж/ч	%
1)Тепло, вносимое нитрозными газами.	20006,95	78,81	1)Тепло, уносимое нитрозными газами.	24607,95	97,00
2)Тепло химической реакции	5362,07	21,14	2)Теплопотери	761,07	3,00
ВСЕГО:	25369,02	100,00	ВСЕГО:	25369,02	100,00

Тепловой баланс контактный аппарат (в расчете на 1150 т моногидрата азотной кислоты).

Таблица 7

ПРИХОД			РАСХОД
Статьи прихода	МДж/т	%	Статьи расхода	МДж/т	%
1)Тепло, вносимое нитрозными газами.	1320,40	78,81	1)Тепло, уносимое нитрозными газами.	1624,11	97,00
2)Тепло химической реакции	353,89	21,14	2)Теплопотери	50,23	3,00
ВСЕГО:	1674,29	100,00	ВСЕГО:	1674,34	100,00

РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

Для контактных аппаратов рабочую скорость w_р, м/с, рекомендуется рассчитывать:

где ρ_x и ρ_y –плотности жидкой и газовой фазы соответственно, кг/м³,
С – коэффициент, зависящий от типа башне и межтарельчатого расстояния h_т.

где М_мет и М_вод – молярные массы аммиака и воздуха, кг/кмоль,
Диаметр башне D_p,м, находим по формуле:
,
где V – объёмный расход газовой смеси при рабочих условиях, м³/с.
V = G_см∙М_у/ρ_у.
V = 0,0991∙29,06/2,34 = 1,23 м³/с.
м.
По выбираем стандартный диаметр башне d = 1,2 м.
Найдем действительную скорость газа в башне w, м/с:
w = 4V/(π∙d²).
w = 4∙1,23/(3,14∙1,2²) = 1,09 м/с


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Курсовая работа по теме «Проект цеха производства концентрированной азотной кислоты с детальным контактном аппарате» выполнена с учетам требования предьявлемым и курсовой работе состоит из введения, некоторых конспектов теоретических основ выпуске аммиака влияние различных факторов равнавеси выхода азотной кислоты выбор методы сохраняемого свое значение из наиболее целесообразного и экономического для производства азотной кислоты материально и тепловых расчетов, расчет основного аппарата.

Технологическая схем и чертеж основного аппарата выполнение с наблюдением нормы и требований. Выбор и основной технологический схеме основаются на анализы литературе и известных технологи концентрированной азотной кислоты.
Материальной и тепловой расчет позволен расчиталь расход сырья и материалов на (в пересчете на HNO₃) 1150 т/сут.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности/Под ред. В.М. Олевского. – М.: Химия, 1985. – 400 с., ил.

2. Справочник азотчитка. / Под. ред. Е.Я. Мельникова. 2-ое изд. перераб. – М.: Химия 1986. – 512 с.
3. Патент РФ № 2248322, C01B21/40, C01B21/26, опубл. 20.03.2005.
4. Патент РФ на полезную модель № 115278, C01B21/40, C01B21/26, опубл. 20.06.2012
5. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 10-е, перераб./ Под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой: – Л.: Химия, 1993. – 232 с., ил.
6. Атрощенко В.И., Каркин С.И., Технология азотной кислоты. Издание 3-е, переработанное и дополненное.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов под ред. чл. – корр. АН России П.Г. Романкова. – 12-е изд., стереотипное. Перепечатка с издания 1987 г. М.: ООО ТИД «Альянс», 2005. – 576 с.