Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Расчет материального баланса производства азотной кислоты

Содержание

материальный баланс производство азотный кислота

Введение

1. Данные для расчета

2. Структурная и операторные схемы производства азотной кислоты

3. Материальный баланс производства разбавленной азотной кислоты

4. Материальный баланс контактного агрегата

5. Материальный баланс конденсатора

6. Материальный баланс абсорбционной установки

7. Материальный баланс сборника азотной кислоты

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;

NO + O2 = NO2 - реакция газофазная, обратимая, экзотермическая;

2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3 - гетерогенный («газ - жидкость») химический процесс с дополнительным окислением.

1. Данные для расчета

1. Производительность 63% кислоты: 28000 т/год.

2. Число рабочих дней в году: 330.

3. Давление газа в системе: 7,3 ат.

4. Выход по поглощению: 98%.

5. Содержание NH3 в АВС: 9%об.

6. Степень конверсии до NO: 95%.

7. Степень превращения NH3: 0,99.

8. Степень абсорбции диоксида азота: 0,999.

9. Парциальное давление водяных паров в воздухе: 0,0039 Па.

2. Структурная и операторная схемы производства азотной кислоты

1. Структурная схема производства азотной кислоты:

вода пар

1 2 6 7,8 9

NH₃

вода вода

5 газы

11

воздух 3 10

12

вода 4

2. Операторная схема синтеза азотной кислоты.

вода вода

1 2 6 7 8 9

NH₃

вода пар

11 10 5

3

воздух

12

вода 4

Технологические 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.)

воздух 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 = 28000*0,63 = 17640 т/год или NHNO= = 848,49;

При 100%-ом выходе по поглощению рассчитываем расходы реагентов:

NNO= ==1272,73 кмоль/сут.

NHO= 848,49/2=424,25 кмоль/сут.

NNO =424,25 кмоль/сут.

При 99,9%-ом выходе по поглощению при той же производительности по азотной кислоте имеем:

NNO=1272,73 /0,999=1274,00; следовательно в реакцию не вступает ДNNO= 1,27 кмоль/сут.

NHO = 424,25 /0,999=424,68; в реакцию не вступает ДNHO = 0,43 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= 1274,00/2 = 637,00 кмоль/сут.

NNO = 1274,00 кмоль/сут.

Зная количество NO, которое получается по реакции поглощения, определим количество, получаемое по реакции окисления аммиака:

NNO = 1274,00- 424,25 = 849,75 кмоль/сут.

Определим количество аммиака и кислорода, необходимого для получения 849,75 кмоль/сут. NO по реакции окисления, а также количество образующейся воды:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;

NNH= 849,75 кмоль/сут.

NO= 5/4*849,75 = 1062,19 кмоль/сут.

NHO = 6/4*849,75 =1274,63 кмоль/сут.

Степень конверсии до NO составляет 95%, следовательно, необходимое количество аммиака будет:

NNH= 849,75 /0,95 = 894,47 кмоль/сут.

Общая степень конверсии аммиака составляет 99%, следовательно, 4% (35,78 кмоль/сут) исходного аммиака вступает в побочную реакцию:

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O;

По реакции образуется 17,89 кмоль\сут. N2 и 53,67 кмоль/сут. H2O, расходуется 26,83 кмоль/сут O2.

В реакцию окисления не вступает 8,95 кмоль/сут. NH3 и 11,18 кмоль/сут О2.

Определим общее количество воды, образующейся в процессе получения азотной кислоты:

NУH2O=1274,63 + 53,67 - 424,25 = 904,05 кмоль/сут.

Определим общее количество израсходованного кислорода:

NУO2 = 637,00 + 1062,19 + 26,83 +11,18 = 1737,20 кмоль/сут.

По результатам расчета составим таблицу материального баланса производства 100%-ой азотной кислоты из аммиака и чистого кислорода:

Вход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут	Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
NH3	894,47	15,21	NH3	8,95	0,15
O2	1737,20	55,59	N2	17,89	0,50
			NO2	1,27	0,06
			H2O	904,05	16,27
			HNO3	848,49	53,46
			О2	11,18	0,36
ИТОГО		70,80	ИТОГО		70,80

Д=0

Запишем суммарное уравнение процесса:

894,47NH3 + 1737,20O2 = 8,95NH3 + 17,89N2 +1,27NO2 + 904,05H2O+848,49 HNO3+11,18O2.

В промышленности получают разбавленную азотную кислоту.

Рассчитаем количество воды, которое необходимо добавить к продукту, чтобы получить 63%-ую азотную кислоту:

53,46 - 63%

Х - 100%; Х=84,86 тонн/сут. (кол-во разбавленной азотной кислоты).

Необходимо добавлять:

GH2O=84,86- 53,46 = 31,40 тонн/сутки. Но, известно, что в процессе образуется 16,27 тонн/сут воды, следовательно, необходимо добавлять: 31,40 - 16,27 = 15,13 тонн/сут воды.

Данное утверждение верно, если в процессе используется сухой воздух.

В рассчитываемом процессе влагосодержание воздуха составляет 0,0385 моль воды/моль воздуха.

Рассчитаем количество воздуха, которое необходимо подавать в реакционный узел и количество воды, приходящее с ним:

По условию концентрация аммиака в АВС равна 9%об, следовательно, в смеситель необходимо подавать: Nвозд= =894,47/0,09-894,47=9044,09 кмоль/сут.

С воздухом, подаваемым в смеситель, подается 1899,26 кмоль/сут(60,78 тонн/сут) О2 и 7144,83 кмоль/сут(200,06 тонн/сут) N2.

Для протекания процесса необходимо 55,59 тонн/сут О2, следовательно дополнительное количество воздуха не нужно.

Определим количество воды, поступающей с воздухом:

NH2O=9044,09 *0,0385=348,20кмоль/сут., 6,27 тонн/сут.

Следовательно, для получения 63%-ой кислоты в реакционный узел необходимо добавить:

GH2O=15,13 - 6,27 =8,86 тонн/сут.

Данные расчета запишем в таблицу материального баланса реакционного узла получения 63%-ой азотной кислоты из аммиака и кислорода воздуха:

Вход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут	Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
NH3	894,47	15,21	NH3	8,95	0,15
Воздух в т. ч.: О2 N2 H2O	1899,26 7144,87 561,11	267,11 60,78 200,06 6,27	NO2	1,27	0,06
			O2	173,44	5,55
			N2 возд +N2образ	7144,87+17,89	200,56
			63% р-рHNO3 в т. ч.: HNO3 H2O	848,49 1744,44	84,86 53,46 31,40
H2O	492,22	8,86
ИТОГО		291,18	ИТОГО		291,18

Д=0

Запишем суммарное уравнение процесса (в тонн/сут):

15,21NH3 + 60,78O2 + 200,06N2 + 15,13 H2O = 0,15NH3 + 200,56 N2 + 0,06 NO2 + 84,86HNO3(р-р 64%) + 5,55O2.

По данным расчета определим расходные коэффициенты() всех входящих потоков():

NH=0,179; возд=3,148; HO=0,104.

4. Материальный баланс контактного агрегата (реактора окисления NH3)

Для расчета материального баланса представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него:

АВС газовая смесь

(вода, азот, кислород,

аммиак, NO)

В контактном агрегате протекают следующие процессы:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O;

Аммиачно-воздушная смесь, с 9%-ым по объему содержанию аммиака, образуется в смесителе. Полная степень конверсии аммиака: 99%.

Степень конверсии по NO - 95%.

Определим количество аммиачно-воздушной смеси и ее состав:

Для расчета пользуемся данными из материального баланса получения разбавленной азотной кислоты.

Количество влажного воздуха, подаваемого в смеситель:

Nвозд=9044,09 (1+0,0385)=9392,29 кмоль/сут., в т.ч.:

GO=60,78 тонн/сут., GN=200,06 тонн/сут., GHO=6,27 тонн/сут., Gвозд=267,11 тонн/сут.

Количество подаваемого аммиака: GNH=15,21 тонн/сут.

Количество АВС: GАВС= GNH+ Gвозд=15,21 +267,11 =282,32 тонн/сут.

Определим количество и состав газов, выходящих из контактного аппарата.

ДGNH=15,21*0,99=15,06 тонн/сут.

GNH=15,21-15,06=0,15 тонн/сут,

GNO=894,47*0,95*30/1000=25,49 тонн/сут,

GN=894,47*0,04*0,5*28/1000+200,06=200,56 тонн/сут

GO=60,78 -(*849,75+*17,89) *32/1000=25,93 тонн/сут

GHO=6,27+(3*17,89+1,5*849,75)*18/1000=30,18 тонн/сут.

По данным расчета составим таблицу материального баланса контактного аппарата:

Вход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут	Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
АВС в т. ч.: NH3 O2 N2 H2O	894,47 1899,26 7144,87 348,33	282,32 15,21 60,78 200,06 6,27	NH3 N2 O2 NO H2O	8,95 7162,76 810,31 849,75 1676,67	0,15 200,56 25,93 25,49 30,18
ИТОГО		282,32	ИТОГО		282,31

Д=0,0035%.

Запишем суммарное уравнение процесса, протекающего в контактном аппарате (т/сут):

15,21NH3 + 60,78 O2 + 200,06N2 + 6,27H2O = 0,15 NH3 + 200,56N2 + 25,49 NO + 25,49O2 + 30,18 H2O.

5. Материальный баланс конденсатора

Газы после окислителя газы на абсорбцию(NO2, N2, NH3)

разб. HNO3

Из материального баланса контактного аппарата находим массу газов после окислителя: Gгазов=282,32 тонн/сут.

В окислителе до конца протекает реакция: 2NO + O2 = 2NO2

Следовательно, на выходе из него состав смеси газов будет следующий:

GNH3=0,15 тонн/сут(8,95 кмоль/сут),

GN2=200,56 тонн/сут(7161,76кмоль/сут),

GH2O=30,18 тонн/сут(1676,67 кмоль/сут),

GNO2=GNO*46/30=39,09 тонн/сут(849,75 кмоль/сут),

GO2=25,49 - NNO*32*0,5/1000=11,89 тонн/сут(371,69 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 скоростном конденсаторе-теплообменнике конденсируется вода - ее образуется в 1,5 раза больше потребляемого аммиака: Н2Оконд = 1,5*894,47 = 1341,71 кмоль/сут. Суммарная реакция образования азотной кислоты идет на 30%, причем, диоксид азота в недостатке. В итоге на образование азотной кислоты расходуется:

N(NO2)= 849,75*0,3=254,93 кмоль/сут

N(H2O)=254,93/2=127,47 кмоль/сут

N(O2)=254,93/4=63,73 кмоль/сут

Образуется: N(HNO3)=254,93 кмоль/сут

На выходе остается:

N(NO2)=849,75-254,93=594,82 кмоль/сут

N(O2)= 371,69-63,73=307,96 кмоль/сут

N(Н2Оконд)=1341,71-127,47=1213,93 кмоль/сут

N(Н2Опар)=1676,67-1341,71=334,96 кмоль/сут

N(HNO3)=254,93 кмоль/сут

NNH3=8,95 кмоль/сут

NN2=7161,76 кмоль/сут

Концентрация образующейся кислоты: 16,06/(16,06+21,85)*100=42,36%.

Оставшиеся газы подаются на абсорбцию и доокисление в колонну.

По данным расчета составим таблицу материального баланса конденсатора.

Вход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут	Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
NH3 N2 O2 NO H2O	8,95 7161,76 754,38 849,67 1743,89	0,15 200,56 24,14 25,49 31,39	NH3 N2 O2 NO2 H2O (пар) HNO3(р-р) в т. ч.:HNO3 H2O	8,95 7161,76 307,96 594,82 334,96 254,93 1213,93	0,15 200,56 9,85 27,36 6,03 16,06 21,85
ИТОГО		281,79	ИТОГО		281,86

Д=0,025%.

Разбавленная к-та, образовавшаяся в конденсаторе, идет в сборник.

6. Материальный баланс абсорбционной установки

вода

газы после конденсатора газы(NH3, O2, N2, NO2)

дополнительный воздух

р-р HNO3

Состав и количество газов после конденсатора представим в виде таблицы:

Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
NH3 N2 O2	8,95 7161,76 307,96	0,15 200,56 9,85

Суммарная реакция, протекающая в абсорбционной колонне:

2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3

Из колонны выходит смесь газов:

NH3	8,95	0,15
NO2	1,27	0,06
O2	173,24	5,54

См. расчет материального баланса производства разбавленной азотной кислоты.

Определим количество и концентрацию образующейся азотной кислоты:

N(HNO3)= 594,82 -1,27+254,93=848,48 кмоль/сут, GНNO3=53,45тонн/сут.

N(Н2О)= 1213,93+334,96+492,22-0,5*594,82 =1743,70 кмоль/сут, GH2O=31,39 тонн/сут.

Производительность колонны по разбавленной азотной кислоте:

GНNO3(р-р)= 53,45+31,39=84,84 тонн/сут.

Концентрация азотной кислоты равна 53,45 /84,84 *100=63%.

По данным расчета составим таблицу материального баланса абсорбционной колонны:

Вход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут	Выход	N, кмоль/сут	G, тонн/сут
NH3 N2 O2 NO2 H2O (пар) H2O (доп) HNO3(р-р) в т. ч.:HNO3 H2O	8,95 7161,76 307,96 594,82 334,96 492,22 254,93 1213,93	0,15 200,56 9,85 27,36 6,03 8,86 16,06 21,85	NH3 N2 O2 NO2	8,95 7161,76 108,22 0,60	0,15 200,56 5,54 0,06
			р-р HNO3 в т.ч. HNO3 H2O	594,15 531,78	53,45 31,39
ИТОГО		290,72	ИТОГО		291,15

Д=0,15%.

Заключение

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.

Размещено на Allbest.ru