Разработка технологии концентрирования серной кислоты (стр. 6 из 15)
3.2.1 ТЕПЛОВЫЕ РАСЧЕТЫ ОТДЕЛЕНИЯ ДЕНИТРАЦИИ И КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫИсходные данные:1. Температура отработанной кислотной смеси, поступающей в колонну, t = 90 ºС.2. Температура азотной кислоты с массовой долей 50 %, поступающей в колонну,t = 20 ºС.3. Температура серной кислоты с массовой долей 92%, поступающей в колонну,t = 20 ºС.4. Температура отработанной серной кислоты 70%, выходящей из колонны,t = 170 ºС.5. Температура выходящих из колонны паров азотной кислоты и нитрозных газов t = 85ºС.6. Температура азотной кислоты 98%, выходящей из конденсатора, поступающей в колонну, t = 40 ºС.7. Температура концентрированной азотной кислоты с массовой долей 98%, выходящей из колонны, t = 85 ºС.8. Температура подсасываемого воздуха t = 20 ºСОбщий вид уравнения теплового баланса: Q приход = Q расход , (кДж) (3.31) Приход теплоты: Q приход = q1 + q2 + q3 + q4 + q5 + q6, (кДж) (3.32) где q1 – теплота от поступающей серной кислоты с массовой долей 92 %.Теплота от серной кислоты состоит из физической теплоты q1´ и теплоты разбавления q1´´: q1 = q1´ + q1´´, (кДж) (3.33) Физическая теплота определяется по формуле: q1´ = G ´ · c1 ∙ t, кДж, (3.34)где - G ´– масса серной кислоты с массовой долей 92 %, поступающей в колонну, кг; с 1 – удельная теплоемкость серной кислоты с массовой долей 92 % при температуре 20 ºС, кДж / (кг · К) /6/; t – температура поступающей в колонну серной кислоты, К. q1´ = 1900 · 1,579 ∙ 293 = 979235,3 кДжТеплота разбавления серной кислоты q1´´ определяется разницей теплот разбавления моногидрата серной кислоты до массовой доли 70 %: q1´´ = q70 + q92, кДж, (3.35) q70 – теплота разбавления серной кислоты с массовой долей 70 %; q92 – теплота разбавления серной кислоты с массовой долей 92 %.Удельная теплота разбавления моногидрата:
, (кДж) (3.36) где – молярное отношение H2O : H2SO4.Находим nдля серной кислоты с массовыми долями 92 % и 70 %.В серной кислоте с массовой долей 92 % содержится: H2SO4 = 
, (моль) (3.37) где – G ´– масса серной кислоты с массовой долей 92 %, поступающей в колонну, кг; w – концентрация серной кислоты, %; М – молекулярная масса серной кислоты, кг / моль.H2SO4 = 
мольH2O =
, (моль) (3.38)где – G ´– масса серной кислоты с массовой долей 92 %, поступающей в колонну, кг; w – содержание воды в 92 % серной кислоте, %; М – молекулярная масса воды, кг / моль.H2O = 
мольОтсюда n= 8,44 / 17,8 = 0,47 В серной кислоте с массовой долей 70 % содержится: H2SO4 = 
, (моль) (3.39) где – G ´– масса серной кислоты с массовой долей 70 %, поступающей в колонну, кг; w – концентрация серной кислоты, %; М – молекулярная масса серной кислоты, кг / моль.H2SO4 = 
моль H2O = , (моль) (3.40) где – G ´– масса серной кислоты с массовой долей 70 %, поступающей в колонну, кг; w – содержание воды в 70 % серной кислоте, %; М – молекулярная масса воды, кг / моль.H2O = 
мольОтсюда n= 45,33 / 19,42 = 2,33 Тогда удельная теплота разбавления серной кислоты с массовой долей 100 % до массовой доли 70 %: 
ккал / моль (42238,80 кДж / моль)и до массовой доли 92 %: 
ккал / моль (15507,82 кДж /моль)Следовательно, удельная теплота разбавления серной кислоты с массовой долей 92 % и 70 % составит: 
кДж / мольИли на 1 т отработанной кислоты:q2´´ = 17,8 · 26730,98 = 475811,44 кДжТогда на 1 т отработанной серной кислоты приход теплоты:q1 = 979235,3 + 475811,44 = 1455046,74 кДжФизическая теплота, поступающая с азотной кислотой с массовой долей 50 %: q2 = G2 · с 2 ∙ t2 , (кДж) (3.41) где – G2 – масса азотной кислоты с массовой долей 50 %, поступающей в колонну, кг; с 2 – удельная теплоемкость азотной кислоты с массовой долей 50 % при температуре 20 ºС, кДж / (кг · К) /7/; t – температура поступающей в колонну азотной кислоты, К. q2 = 333,40 · 2,847 ∙ 293 = 278112,61 кДж Физическая теплота, поступающая с отработанной кислотной смесью: q3 = G3 · с 3 ∙ t3 , (кДж) (3.42) где – G3 – масса кислотной смеси, поступающей в колонну, кг; с 3 – удельная теплоемкость кислотной смеси при температуре 90 ºС, кДж / (кг · К) /2/; t3 – температура поступающей в колонну кислотной смеси, К. q3 = 666,60 · 2,22 ∙ 363 = 537186,28 кДж Физическая теплота, поступающая с азотной кислотой с массовой долей 98 %, поступающей из конденсатора в зону отдувки: q4 = G4 · с 4 ∙ t4 , (кДж) (3.43) где – G4 – масса азотной кислоты, поступающей в колонну, кг; с 4 – удельная теплоемкость азотной кислоты при температуре 30 ºС, кДж / (кг · К) /7/; t4 – температура поступающей в колонну азотной кислоты, К. q4 = 243 · 1,93 ∙ 303 = 142103,97 кДж Физическая теплота, поступающая с воздухом, подсасываемым из помещения: q5 = G5 · с 5 ∙ t5 , (кДж) (3.44) где – G5 – масса воздуха, поступающего в колонну, кг; с 5 – удельная теплоемкость воздуха, кДж / (кг · К) /5/; t5 – температура поступающей в колонну азотной кислоты, К. q5 = 18,83 · 1 ∙ 293 = 5517,20 кДж Физическая теплота, поступающая с перегретым паром равна q6.Итого: Qприход = 1455046,74 + 278112,61 + 537186,28 + 142103,97 + 5517,20 + q6Расход теплоты:Q расход = q1´ + q2´+ q3´+ q4 ´+ q5 ´+ q6´ + q7´ + q8´ + q9´ , (кДж) (3.45)где q1´ - теплота на закрепление содержащейся в отработанной кислоте азотной кислоты при ее массовой доле в смеси: 
%до массовой доли 98 %Удельная теплота разбавления для азотной кислоты: 
, (кДж) (3.46) В кислоте с массовой долей 29 %, моль:HNO3 = 
1,08 мольH2O = 
9,20 мольОтсюда n= 9,20 / 1,08 = 8,52. Принимаем n= 8,5.Удельная теплота разбавления для азотной кислоты с массовой долей 29 %: 
= 7451,3 ккал / моль (31220,96 кДж/моль)Теплота разбавления для азотной кислоты с массовой долей 98 %. В кислоте, моль:HNO3 = 
0,020 мольH2O = 
0,01 мольОтсюда n= 0,01 / 0,020 = 0,5. Принимаем n= 0,5.Теплота разбавления:q´ = 
2005,81 ккал/моль (8704,35 кДж/моль)Теплота закрепления азотной кислоты, находящейся в отработанной кислоте с 29 % до массовой доли 98 %:q1´ = (31220,96 – 8704,35) · (233,28 / 63) = 83309,2 кДжФизическая теплота, уносимая парами кислоты с массовой долей 98 % из колонны при 85 ºС: q2´ = 0,97 ∙ G2´ · с 2´ ∙ t2´ , (кДж) (3.47)где – G2´ – масса азотной кислоты, поступающей в колонну, кг; с 2´ – удельная теплоемкость азотной кислоты при температуре 85 ºС, кДж / (кг · К) /7/; t2´ – температура, поступающей в колонну азотной кислоты, К. q2´ = 0,97 · 243 · 1,936 ∙ 358 = 163367,77 кДжРасход теплоты на испарение азотной кислоты: q3´ = 0,97 ∙ 243 i, (кДж) (3.48) где – i – теплота испарения 1 кг кислоты, кДж / кг.q3´ = 0,97 · 243 · 483 = 113847,93 кДжРасход теплоты на испарение 2 % воды, содержащейся в азотной кислоте: q4´ = 0,97 · 2 / 98 · 243 i1 , (кДж) (3.49) где – i1 – теплота парообразования воды, кДж / кг.q4´ = 0,97 · 2 / 98 · 243 · 2259 = 10866,71 кДж,Физическая теплота, уносимая с отработанной серной кислотой с массовой долей 70 % из колонны при 170 ºС: q5´ = G3´ · с 5´ ∙ t5´, (кДж) (3.50) где – G3´ – масса серной кислоты, поступающей в колонну, кг; с 2´ – удельная теплоемкость серной кислоты с массовой долей 70 %, кДж / (кг · К) /6/; t2´ – температура серной кислоты, выходящей из колонны, К. q5´ = 2720 · 2,09 ∙ 443 = 2518366,4 кДжРасход теплоты на нагревание подсасываемого воздуха в среднем до 90 ºС: q6´ = gподс ∙ с · (t2 – t1), (кДж) (3.51)где – с – удельная теплоемкость воздуха, кДж / кг ∙ К; t1 – температура подсасываемого воздуха, К.q6´ = 18,83 · 1 ∙ (363 – 273) = 1694,7 кДжРасход теплоты, уносимой с азотной кислотой с массовой долей 98 % из колонны при температуре 85 ºС: q7´ = G 2´ ∙ с · t , (кДж) (3.52) где – с – удельная теплоемкость азотной кислоты при температуре 85 ºС, кДж / кг∙ К /7/; t1 – температура уходящей азотной кислоты из колонны, К.q7´ = 243 · 1,93 ∙ 358 = 167898,42 кДжРасход теплоты в окружающую среду:Колонна типа ГБХ в течение 1 часа теряет в окружающую среду порядка 33520 кДж. При условии подачи в колонну 92 кг / мин тройной кислотной смеси потери теплоты в окружающую среду:q´8 = 
6072,46 кДжТеплота, уносимая нитрозными газами q´9: q9´ = ∑ q9i´, (кДж) (3.53) где ∑ q9i´ = ∑( gi ∙ с i· ti) ; gi – масса уносимого газа, кг; с i– удельная теплоемкость уносимого газа, кДж / кг ∙ К /2/; ti– температура уносимого газа, К.q NO2´ = 13,6 ∙ 0,754 ∙ 358 = 3671,08 кДжq NO´= 7,09 ∙ 0,996 ∙ 358 = 2528,07 кДжq N2´ = 15,46 ∙ 1,040 ∙ 358 = 5756,07 кДжq O2´= 7,26 ∙ 0,923 ∙ 358 = 2398,95 кДжq НNO3´= 2,48 ∙ 1,800 ∙ 358 = 1598,11 кДжqН2O´= 1,45 ∙ 1,873 ∙ 358 = 972,27 кДжИтого: q9´ = 16924,55 кДжОтсюда Q расход = 83309,2 + 163367,77 + 10866,71 + 966416 + 1694,7 + 167898,42 + 16924,55 = 1410477,35 кДжПриравнивая приход теплоты к расходу, определяем количество теплоты, которое необходимо подать в колонну с перегретым паром. Qприход = 1455046,74 + 278112,61 + 537186,28 + 142103,97 + 5517,20 + q6 = 2417966,8 + q6 = Q расход 2417966,8 + q6 = 2951575,66Отсюда q6 = 533608,86 кДж Таблица 3.4 – Тепловой баланс концентрирования азотной кислоты | Приход | кДж | Расход | кДж |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. Теплота от поступающей серной кислоты с массовой долей 92 %.2. Теплота, поступающая с азотной кислотой с массовой долей 50 %:3. Физическая | 1455046,74 278112,61 537186,28 | 1. Теплота закрепления азотной кислоты, находящейся в отработанной кислоте с 29 % до массовой доли 98 %2. Физическая теплота, уносимая парами кислоты с | 83309,2163367,77 |
| Продолжение таблицы 3.4 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| теплота, поступающая с отработанной кислотной смесью4. Физическая теплота, поступающая с азотной кислотой с массовой долей 98 %, поступающей из конденсатора в зону отдувки 5. Физическая теплота, поступающая с воздухом, подсасываемым из помещения6. Физическая теплота, поступающая с перегретым паром | массовой долей 98 % из колонны при85 ºС3. Расход теплоты на испарение азотной кислоты4. Расход теплоты на испарение 2 % воды, содержащейся в азотной кислоте 5. Физическая теплота, уносимая с отработанной серной кислотой с массовой долей 70 % из колонны при 170 ºС 6. Расход теплоты на нагревание подсасываемого воздуха в среднем до 90 ºС | ||
| Продолжение таблицы 3.4 | |||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 7. Расход теплоты,уносимой с 98 % азотной кислотой с массовой долей изколонны при температуре 85 ºС8. Расход теплоты в окружающую среду9. Теплота, уносимая нитрозными газами | |||
| Итого: | 2951575,66 | Итого: | 2951575,66 |
q3 = Gтоп газ∙ с · t , (кДж) (3.57) где Gтоп газ – масса топочных газов, кг; с – удельная энтальпия газов, кДж/кг · К /2/; t – температура поступивших газов, К.q3 = 2600∙ 1,450 · 1173 = 4422210 кДж Общий приход тепла: Qобщ = q1 + q2 + q3 = 2078581,1 + 1403597,92 + 4422210 = 7904389,02 кДжРасход теплоты в концентраторе:1. С продукционной кислотой при 250 ºС: q1´ = Gконц∙ Н конц, (кДж) (3.58) где H конц = 436 кДж/кг – энтальпия серной кислоты 92%; Gконц – масса выходящей из колонны серной кислоты с массовой долей 92 %, кг.q1´ = 6043,76∙ 436 = 2635079,36 кДж 2. С водяным паром выделяется при выпаривании и разложении: q2 ´ = Cвп ∙ Hвп , (кДж) (3.59) где Gвп = Gуп + Gразл = 1606,56 + 0,42 = 1606,98 кг; Hвп = 2737,7 кДж/кг – энтальпия водяного пара.q2 ´ = 1606,98 · 737,7 = 4399429,15 кДж 3. С дымовыми газами, уходящими с t = 130 ºС: q3´ = Gтоп газ∙ с 2 · t2, (кДж) (3.60) где Gтоп газ – масса дымовых газов на м 3 сжигаемого газа, кг; с 2 – удельная теплоемкость дымовых газов при t = 130 ºС /2/; t2 – температура дымовых газов, К.q3 ´ = 2600∙ 1,336 · 403 = 1399860,8 кДж 4. На испарение серной кислоты: q4 ´ =G исп ∙ H исп, (кДж) (3.61) где Gисп – масса серной кислоты, уносимой дымовыми газами, кг; Н исп = 511.2 кДж/кг – удельная теплота парообразования серной кислоты.q4 ´ =2,3 · 511,2 = 1175,76 кДж 5. С парами серной кислоты: q5 ´ =G исп ∙ H , (кДж) (3.62) q5´ =2,3 ∙ 201,4 = 463,22 кДжгде Н – энтальпия 100% серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ºС/6/. 6. На разложение серной кислоты: q6 ´ =G разл ∙ Qразл / М Н2SО4 , (кДж) (3.63) q6 ´ = 2,3 ∙ 228900 / 98 = 5372,14 кДж7. С продуктами разложения серной кислоты в результате разложениясерной кислоты при температуре отходящих газов 130 ºС образуются: q7 ´ = (GSO2 · с 3 + GO2 · с 4) , (кДж) (3.64) где GSO2 = 1,5 кг; GO2 = 0,38 кг; GН2O= 0,42 кг, Gпот=2,3 кг. q7´ = (1,5 · 0,642 + 0,38 · 0,928) ∙ 403 = 503,348 кДж8. При концентрировании серной кислоты (дегидратации) от 70% до 92% расходуется тепла:
q8 ´ = Gразб · (Q70 + Q92) , (кДж) (3.65) где Q 70 = 427,4 кДж/кг – удельная теплота разбавления серной кислоты до 70%; Q 92 = 157,3 кДж/кг – удельная теплота разбавления серной кислоты до 91% /6/;Gразб – масса поступившей разбавленной серной кислоты, кг.q8 ´ = 7650,28 ∙ (427,4 – 157,3) = 2066340,63 кДж 9. Потери тепла в окружающую среду для этого типа концентраторов составляют 1,5% от общего количества расхода тепла на концентрировании серной кислоты: qпотери = 1.5 % · Q общ, (кДж) (3.66) Q расход = 2635079,36 + 4399429,15 + 1399860,8 + 1175,76 + 463,22 + 5372,14 + 503,348 + 2066340,63 = 10508251,41 кДжqпотери = 0,015 · 10508251,41 = 157623,77 кДжОбщий расход теплоты:Q общ = 10508251,41 + 157623,77 = 10665874,2 кДжКоличество теплоты, которое необходимо подать с топочными газами:qтоп, газ.´ = 10665874,2 – 7904389,02 = 2761485,2 кДж В таблице 3.5 приведен сводный тепловой баланс отделения концентрирования серной кислоты. Таблица 3.5 - Сводный тепловой баланс отделения концентрирования серной кислоты
| Приход | кДж | Расход | кДж |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1. С серной кислотой с массовой долей 70 %2. С топочными газами, поступившими из топки 3. С конденсатом | 2078581,144222101403597,92 | 1. С продукцион-ной кислотой при 250 ºС2. С водяным паром выделяется при выпаривании и разложении3. С дымовыми газами, уходящими с t = 130 ºС4. На испарение серной кислоты | 2635079,364399429,151399860,81175,76 |
Продолжение таблицы 3.5