Виробництво азотної кислоти (стр. 3 из 5)

На підставі практичних даних приймаємо, що при охолодженні нітрозних газів з 160 до 500С під тиском 7,3 ата утвориться конденсат у вигляді 52,5 %-ної азотної кислоти. По діаграмі на мал.52 [1] це відповідає 42,5 %-ному ступеню перетворення окислів азоту в азотну кислоту. З огляду на неповноту конденсації, приймаємо, що в холодильнику 42,2 % окислів азоту при взаємодії з конденсатом перетворюються в азотну кислоту.

Об'єм сухого газу складе:

3573,77 – (594,62 + (64,26 + 292,72)*0,425) = 2827,43 м³

Надходить з газом пари води:

де 0,0536 – парціальний тиск водяних пар над 52,5 % розчином азотної кислоти при t=50⁰С, кгс/див²;

6,7 - тиск газу з урахуванням втрат на 0,1 у попередніх апаратах, кгс/см².

Конденсується води:

594,62 – 22,80 = 571,82 м³ або 571,82*18/22,4 = 459,5 кг

Утвориться моногідрату:

У перерахуванні на продуктивність агрегату це складе:

х = 438,61*14,5 = 6359,86 кг/година

Витрачається води на утворення моногідратату:

438,61/7 = 62,66 кг/т або 908,57 кг/год.

Витрачається води на розведення:

459,5 – 62,66 = 396,84 кг/т

або 5754 кг/год.

Склад конденсату:

HNО₃ 438,61 кг/т або 6359,86 кг/год. - 52,5%

Н₂О 396,84 кг/т або 5754,18 кг/год. – 47,5%

Усього 835,45 кг/т або 12114,04 кг/год. – 100%

Витрачається NO₂ на утворення моногідрату:

При цьому регенерується NO у кількості:

233,93/3 = 77,98 м³

У газі залишається:

- оксиду азоту 77,98 + 64,26 = 142,24 м³

- диоксида азоту 292,72 – 233,93 = 58,79 м³

Газ, що виходить із холодильника-конденсатора, має наступний склад:

Речовина	кмоль	% об.	кг	м³
NО	6,35	4,99	190,50	142,24
NО₂	2,62	2,07	120,73	58,79
О₂	3,04	2,39	97,17	68,02
Н₂О	1,02	0,80	18,32	22,80
N₂	114,03	89,75	3192,79	2554,15
Усього	127,06	100,00	3619,51	2846,00

2.1.3Завдання 6

Реакція окислювання NO проводиться на каталізаторі - активному й промотованому вугіллі. Вивчення кінетики цієї каталітичної реакції показало, що швидкість реакції можна описати емпіричним рівнянням

де а = 16,19; b = 4,842·10⁵; с = 135;

Об'ємна маса каталізатора Gкат = 480 кг/м³; Р = 3·10⁵ Па. В вихідній газовій суміші міститься 1,5 % (моль.) NO, 98,5 % (моль) - повітря.

Визначити об'єм реактора продуктивністю 50 т/добу NO₂, що забезпечує ступінь перетворення х=90% , ступінь заповнення реактора δ = 0,8.

Рішення:

Проводимо матеріальні розрахунки, необхідні для визначення парціальних тисків компонентів у кінцевому газі.

Для забезпечення заданої продуктивності, яка дорівнює:

Потрібно NO при х=0,9:

Масова витрата вихідної газоповітряної суміші становить:

Склад кінцевої газоповітряної суміші:

N, мольні частки NO O₂ NO₂

P=N·P, Па 4,2·10³ 6,12·10⁴3,8·10³

Визначаємо швидкість реакції по заданому рівнянню:

Визначимо, необхідний об'єм каталізатору:

При ступені заповнення реактора δ = 0,8, об'єм реактора складе:

3. Абсорбція оксидів азоту

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO (33)

3N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ + 4NO (34)

Зневажаючи малою кількістю оксиду азоту (IV) в газі, всі розрахунки звичайно проводять по рівнянню (33). Рівновага цієї реакції вивчалося багатьма дослідниками. Якщо розглядати константу рівноваги

(35)

як добуток двох приватних констант

К = К₁∙ К₂

тоді

Якщо константа рівноваги До залежить, як звичайно, тільки від температури, то приватні константи рівноваги К₁ і К₂ залежать і від змісту кислоти в розчині.

Нижче наведений метод обчислення рівноважного складу окислів азоту над азотною кислотою заснований на наступних реакціях:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO (36)

2NO₂ = N₂O₄ (37)

Позначивши через а, b і с парціальні тиски компонентів початкового газу, знайдемо їхні парціальні тиски в кінцевому газі:

До поглинання Після поглинання

NО ..... а K₁x³

NO₂..... b х

N₂O₄…...c x²/K

де х – парціальний тиск двоокису вуглецю в момент рівноваги.

Значення К визначається по рівнянню

(38)

Відповідно до реакції, кількість оксиду (ІІ), що утвориться, у три рази менше кількості поглиненого оксиду азоту (IV). Розглядаючи N₂O₄ як 2NO₂, одержимо

або

(39)

Тоді ступінь поглинання окислів азоту складе ( в %):

(40)

Ступінь перетворення в азотну кислоту:

(41)

На практиці ступінь перетворення окислів азоту в азотну кислоту іноді розраховують по різниці парціальних тисків всіх окислів азоту в початковому й кінцевому газі.

(42)

Частка всіх окислів азоту, перетворених в азотну кислоту, складе (частки од.):

(43)

Кількість нітрозних газів, що поглинаються в абсорбційній колоні пропорційна зменшенню парціального тиску оксидів азоту внаслідок перетворення їх в азотну кислоту. Це зменшення можна визначити по рівнянню R=C(p_н- p_к)

При сталій рівновазі коефіцієнт С = 1. Якщо рівновага не досягається, величина С буде характеризувати ступінь досягнення рівноваги, а у випадку поглинання нітрозних газів в абсорбційних колонах тарілчастого типу - коефіцієнт корисної дії тарілок. Тоді кількість оксидів азоту, перетворених в азотну кислоту, складе

де Q - загальна кількість оксидів азоту, що знаходяться в газі.

Коефіцієнт С, що характеризує ступінь досягнення рівноваги або к. п. д. сітчастих тарілок при поглинанні оксидів азоту в абсорбційних колонах, залежить від ряду факторів. Виведене рівняння для розрахунку к. п. д. сітчастих тарілок абсорбційних колон має вигляд

(44)

де а — постійна (для тарілок з отворами діаметром 2 мм кроком 8 мм при концентрації оксидів азоту у вихідному газі 8-9% а=0,3);

с_NH3 – концентрація азотної кислоти, % мас;

Р – тиск газу, МПа; h – відстань між тарілками, м;

t – температура кислоти, ⁰С;

w – швидкість газу, м/с;

К – коефіцієнт, що залежить від тиску й швидкості газу.

Розрахунки показують, що найбільш ефективні сітчасті тарілки з діаметром отворів 1-2 мм і вільним перетином у межах 3-5%.

У промисловості знайшли застосування установки для одержання азотної кислоти, у яких абсорбція оксидів азоту проводиться при різних тисках: від 0,1 до 0,9 МПа.

Застосування підвищеного тиску дозволяє досягти високого ступеня поглинання оксидів азоту до 99,8-99,9%.

3.1 Технологічні розрахунки

3.1.1 Завдання 7

Визначити ступінь поглинання окислів азоту 50%-ний азотною кислотою при 25⁰С и атмосферному тиску. У газі міститься 2% NO; 4,7% NO₂; 1,6% N₂O₄.

Рішення:

Позначивши парціальні тиски компонентів газу через а, b і с, визначимо:

а = 0,02 ата b = 0,047 ата с = 0,016 ата

при 25⁰С розрахуємо К: