Курсовая работа: "Расчет материального баланса производства азотной кислоты"
Download 95.77 Kb.
|
Nitrat kislota
|
РОССИЙСКИЙ ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Д. И. Менделеева кафедра общей химической технологии Курсовая работа: “Расчет материального баланса производства азотной кислоты” Выполнил: Магсумов М.И. гр.: О-42 Руководитель: Игнатенков. В.И. г. Москва 2001г. Содержание.
Введение. В 1914 г. разработан и в 1916 г. в Донецке пущен в эксплуатацию цех азотной кислоты на основе аммиака коксового газа. Сейчас получение азотной кислоты из аммиака - основной способ ее производства. Сырьем является синтетический аммиак, кислород воздуха и вода. Химическая схема и характеристики реакций следующие: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O – реакция окисления аммиака экзотермическая, протекает во внешнедиффузионной области на платиновом катализаторе в виде сеток; температура 800 – 900 0С; концентрация NH3 – 10%; NO + O2 = NO2 – реакция газофазная, обратимая, экзотермическая; 2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3 – гетерогенный («газ – жидкость») химический процесс с дополнительным окислением. 1. Данные для расчета. Производительность агрегата: 500 т/сутки. Давление газа в системе: 7,3 ат. Выход по поглащению: 98%. Температура воздуха: 120 0С. Содержание NH3 в АВС: 10%об. Степень конверсии до NO: 96%. Относительная влажность воздуха: 65%. Общая степень конверсии: 98%. 2. Структурная и операторная схемы производства азотной кислоты. 1. Структурная схема производства азотной кислоты: в ода пар 1 2 6 7,8 9 NH 3 в ода вода 5 газы 1 1 в оздух 3 10 1 2 вода 4 2 . Операторная схема синтеза азотной кислоты. в ода вода 1 2 6 7 8 9 N H 3 в ода пар 11 10 5 3 воздух 1 2 в ода 4 Те хнологические единицы: 1 – испаритель аммиака; 2 – нагреватель аммиака; 3 – компрессор; 4 – холодильник; 5 – теплообменник; 6 – смеситель; 7 – реактор окисления аммиака; 8 – котел – утилизатор; 9 – окислитель; 10 – конденсатор; 11 – абсорбционная колонна; 12 – сборник азотной кислоты. 3. Материальный баланс производства разбавленной азотной кислоты. Для расчета материального баланса представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него: аммиак азотная кислота (разб.) в оздух аммиак вода газы (N2, O2,NO2) Сначала составим материальный баланс производства 100%-ой азотной кислоты из аммиака и чистого кислорода. Расчет начинаем с последней протекающей реакции: 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO. Производительность установки – G HNO = 400 т/сутки или NHNO = = 6349.2 ; При 100%-ом выходе по поглащению рассчитываем расходы реагентов: NNO = = =9523.8 кмоль/сут. NH O= =3174.6 кмоль/сут. NNO = 3174.6 кмоль/сут. При 97%-ом выходе по поглащению при той же производительности по азотной кислоте имеем: NNO =9523.8/0,97=9818.35; следовательно в реакцию не вступает ΔNNO = 294.55 кмоль/сут. NH O = 3174.6/0,97=3272.78; в реакцию не вступает ΔNH O = 98.18 кмоль/сут. Используемый на последней стадии NO2, образуется в процессе окисления NO по реакции: 2NO + O2 = 2NO2. По известному количеству NO2 рассчитаем необходимое количество О2 и NO: NO = 9523.8/2 = 4761.9 кмоль/сут. NNO = 9523.8 кмоль/сут. Зная количество NO, которое получается по реакции поглащения, определим количество, получаемое по реакции окисления аммиака: NNO = 9523.8 – 3174.6 = 6349.2 кмоль/сут. Определим количество аммиака и кислорода, необходимого для получения 6349.2 кмоль/сут. NO по реакции окисления, а также количество образующейся воды: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O; NNH = 6349.2 кмоль/сут. NO = 7936.5 кмоль/сут. NH O = 9523.8 кмоль/сут. Степень конверсии до NO составляет 93%, следовательно необходимое количество аммиака будет: NNH = 6349.2/0,93 = 6827.1 кмоль/сут. Общая степень конверсии аммиака составляет 97%, следовательно, 4% (204.8 кмоль/сут) исходного аммиака вступает в побочную реакцию: 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; По реакции образуется 102.4 кмоль\сут. N2 и 307.2 кмоль/сут. H2O, расходуется 153.6 кмоль/сут O2. В реакцию окисления не вступает 204.8 кмоль/сут. NH3 и 443.77 кмоль/сут О2. Определим общее количество воды, образующейся в процессе получения азотной кислоты: NΣH2O=9523.8 + 307.2 – 3174.6 = 6656.4 кмоль/сут. Определим общее количество израсходованного кислорода: NΣO2 = 4761.9 + 7936.5 + 443.77 + 153.6 = 13295.77 кмоль/сут. По результатам расчета составим таблицу материального баланса производства 100%-ой азотной кислоты из аммиака и чистого кислорода:
Δ = 0,00147%. Запишем суммарное уравнение процесса: 8520,3NH3 + 16724,4O2 = 170,4NH3 + 85,2N2 + 243NO2 + 8556,36H2O+7937HNO3+298,2O2. В промышленности получают разбавленную азотную кислоту. Рассчитаем количество воды, которое необходимо добавить к продукту, чтобы получить 55%-ую азотную кислоту: 500 – 55% Х – 100%; Х=909,1 тонн/сут. (кол-во разб. азотной кислоты) Необходимо добавлять: GH2O=909,1 – 500 = 409,1 тонн/сутки. Но, известно, что в процессе образуется 154,1 тонн/сут воды, следовательно необходимо добавлять: 409,1 – 154,1 = 255 тонн/сут воды. Данное утверждение верно, если в процессе используется сухой воздух. В рассчитываемом процессе относительная влажность воздуха составляет 65%. Рассчитаем количество воздуха, которое необходимо подавать в реакционный узел и количество воды, приходящее с ним: По условию концентрация аммиака в АВС равна 10%об, следовательно в смеситель необходимо подавать: Nвозд= =85203-8520,3=76682,7 кмоль/сут или Gвозд=2211,53тонн/сут С воздухом, подаваемым в смеситель, подается 16103,37кмоль/сут(515,31 тонн/сут) О2 и 60579,33 кмоль/сут(1696,22 тонн/сут) N2. Для протекания процесса необходимо 535,18 тонн/сут О2, следовательно дополнительное количество воздуха подается в конденсатор, минуя смеситель. Рассчитаем это количество: ΔGO =19,87 тонн/сут., ΔGN =65,4 тонн/сут, ΔGвозд=85,27 тонн/сут. Суммарное количество воздуха равно: GΣвозд=2296,8 тонн/сут. в т.ч. GΣО =535,18 тонн/сут, GΣN =1761,62 тонн/сут. Определим количество воды, поступающей с воздухом: Влагосодержание парогазовой смеси определяется по формуле: x=0,622* , где П – общее давление смеси, 0,101МПа, Рнас – давление насыщенного пара при t=300C, 0,004241МПа, φ – относительная влажность воздуха. х=0,622* . GH2O=0,01772*2296,8=40,7 тонн/сут. Следовательно, для получения 55%-ой кислоты в реакционный узел необходимо добавить: GH2O=255 – 40,7=214,3 тонн/сут. Данные расчета запишем в таблицу материального баланса реакционного узла получения 55%-ой азотной кислоты из аммиака и кислорода воздуха:
Δ=0,0026%. Запишем суммарное уравнение процесса(в тонн/сут): 144,85NH3 + 535,18O2 + 1761,62N2 + 255H2O = 2,9NH3 + 1764N2 + 11,178NO2 + 909,1HNO3(р-р 55%) + 9,54O2. По данным расчета определим расходные коэффициенты( ) всех входящих потоков( ): NH =0,159; возд=2,571; H O=0,236. 4. Материальный баланс контактного агрегата (реактора окисления NH3). Для расчета материального баланса представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него: Контактный агрегат А ВС газовая смесь (вода, азот, кислород, аммиак, NO) В контактном агрегате протекают следующие процессы: 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O; 4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O; Аммиачновоздушная смесь, с 10%-ым по объему содержанию аммиака, образуется в смесителе. Полная степень конверсии аммиака: 98%. Степень конверсии по NO – 96%. Определим количество аммиачновоздушной смеси и ее состав: Для расчета пользуемся данными из материального баланса получения разбавленной азотной кислоты. Количество влажного воздуха, подаваемого в смеситель: Gвозд=2211,53(1+0,01772)=2250,72 тонн/сут., в т.ч.: GO =515,31 тонн/сут.(16103,37 кмоль/сут), GN =1696,22 тонн/сут.(60579,33 кмоль/сут), GH O=39,19 тонн/сут.(2177,2 кмоль/сут). Количество подаваемого аммака: GNH =144,85 тонн/сут.(8520,3 кмоль/сут). Количество АВС: GАВС= GNH + Gвозд=144,85+2250,72=2395,57 тонн/сут. Определим количество и состав газов, выходящих из контактного аппарата. ΔGNH =144,85*0,98=141,95 тонн/сут.( 8350,18кмоль/сут). GNH =144,85–141,95=2,9тонн/сут(170,59кмоль/сут), GNO=8520,3*0,96*30/1000=245,38 тонн/сут(8179,5 кмоль/сут), GN =8520,3*0,02*0,5*28/1000+1696,22=1698,6 тонн/сут(60664,49 кмоль/сут). GO =515,31-( *8179,5+ *85,2)*32/1000=184,04 тонн/сут(5751,26 кмоль/сут). GH O=39,19+(3*85,2+1,5*8179,5)*18/1000=264,64 тонн/сут(14702,07 кмоль/сут) По данным расчета составим таблицу материального баланса контактного аппарата:
Δ=0,00042%. Запишем суммарное уравнение процесса, протекающего в контактном аппарате(т/с): 144,85NH3 + 515,31O2 + 1696,22N2 + 39,19H2O = 2,9NH3 + 1698,6N2 + 245,38NO + 184,04O2 + 256,27H2O. 5. Материальный баланс конденсатора. Г азы после окислителя газы на абсорбцию(NO2, N2, NH3) р азб. HNO3 И з материального баланса контактного аппарата находим массу газов после окислителя: Gгазов=2395,55 тонн/сут. В окислителе до конца протекает реакция: 2NO + O2 = 2NO2 Следовательно, на выходе из него состав смеси газов будет следующий: GNH3=2,9 тонн/сут(170,59 кмоль/сут), GN2=1698,6 тонн/сут(60664,49 кмоль/сут), GH2O=264,64тонн/сут(14702,07кмоль/сут), GNO2=GNO*46/30=376,25тонн/сут(8179,5кмоль/сут), GO2=184,04- NNO*32*0,5/1000=53,17 тонн/сут(1661,5 кмоль/сут). При уменьшении температуры конденсируется вода из газовой смеси и происходит абсорбция нитрозного газа по реакции: 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO. При адсорбции образуется разбавленная азотная кислота и NO, который окисляется кислородом до NO2 по реакции: 2NO + O2 = 2NO2. Суммарная реакция: 2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3. В недостатке (по балансу) находится кислород, следовательно он полностью расходуется по реакции. Определим потоки веществ: GNH3=2,9 тонн/сут(170,59 кмоль/сут), GN2=1698,6 тонн/сут(60664,49 кмоль/сут), GNO2=376,25-4*1661,5*46/1000=70,534 тонн/сут(1533,35 кмоль/сут), GН2O=264,64-2*1661,5*18/1000=204,83 тонн/сут(11379,22 кмоль/сут). GНNO3=4*1661,5*63/1000=418,7 тонн/сут(6646 кмоль/сут). Полученная кислота растворяется в воде и сливается в сборник азотной кислоты: GНNO3(р-р)=204,83+418,7=623,53 тонн/сут. Концентрация кислоты равна: (418,7/623,53)*100=67,15%. Оставшиеся газы подаются на абсорбцию и доокисление в колонну. По данным расчета составим таблицу материального баланса конденсатора.
Δ=0,00017%. 6. Материальный баланс абсорбционной установки. в ода г а зы после конденсатора газы(NH3, O2, N2, NO2) д ополнительный воздух р -р HNO3 О пределим количество дополнительного влажного воздуха, подаваемого в колонну: Gвозд=85,27*(1+0,01772)=86,78 тонн/сут., в т. ч. GO2=19,87 тонн/сут.(620,94кмоль/сут), GN2=65,4 тонн/сут.(2335,71кмоль/сут), GH2O=1,51 тонн/сут.(83,89кмоль/сут). Для абсорбции образовавшегося NO2 и получения разбавленной азотной кислоты сверху абсорбционной колонны подают 214,3 тонн/сут.(11893,33 кмоль/сут) воды(см. расет выше). Состав и количество газов после конденсатора представим в виде таблицы:
Суммарная реакция, протекающая в абсорбционной колонне: 2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3. Из колонны выходит смесь газов и разбавленная азотная кислота. Определим состав и количество газов (см. расчет материального баланса производства разбавленной азотной кислоты): GNН3=2,9 тонн/сут.(170,59 кмоль/сут), GN2=1764 тонн/сут.(63000 кмоль/сут), GNО2=11,18 тонн/сут.(243 кмоль/сут), GО2=9,54 тонн/сут.(298,2 кмоль/сут). Определим количество и концентрацию образующейся азотной кислоты: GН2О=214,3+1,51-2*(620,94-298,2)*18/1000=204,19 тонн/сут.(11343,96 кмоль/сут). GНNO3=4*(620,94-298,2)*63/1000=81.33тонн/сут.(1290.96кмоль/сут). Производительность колонны по разбавленной азотной кислоте: GНNO3(р-р)=204,19+81,33=285,52 тонн/сут. Концентрация азотной кислоты равна 81,33/285,52*100=28,48%. По данным расчета составим таблицу материального баланса абсорбционной колонны:
Δ=0,00116%. 7. Материальный баланс сборника азотной кислоты. Для простоты расчета будем считать, что азотная кислота не разлагается. 6 7,15%-ая азотная кислота из конденсатора 28%-ая азотная кислота из абсорбционной колонны на склад Цель расчета материального баланса сборника заключается в определении концентрации получаемой азотной кислоты. Определим общее количество воды и кислоты поступающих в сборник: GH O=204,19+204,83=409,02 тонн/сут(22723,33кмоль/сут). GHNO3=81,33+418,83=500,16 тонн/сут(7939 кмоль/сут). Производительность по разбавленной кислоте: GHNO3(р-р)=909,18 тонн/сут. Концентрация получаемой кислоты равна: 500,16/909,18*100=55%. Сравнивая данные, полученные при составлении материальных балансов всего реакционного узла производства азотной кислоты и отдельных элементов, можно сделать вывод о совпадении значении материальных потоков каждого из веществ, что говорит о корректности проведенных расчетов. Download 95.77 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: 
|