Химическая технология неорганических веществ

Задание для самостоятельной работы

Рассчитать линии адиабаты и охлаждения для 2-го и 3-го слоев контактного аппарата.

Результаты расчета распределения степени контактирования и температур по 1–3 слоям катализатора представлены в табл. 24.

Таблица 24

Распределение степени контактирования и температуры по слоям катализатора для первой ступени контактного аппарата

Т = 298 К, Р = 105 Па. Молярные объемы газов принимаем: vSO2 =

= 21,9; vSO3 = ; vO2 = 22,4; vN2 = 22,4 м3/кмоль.

Рассчитываем необходимое количество газа на входе (м3/ч) в 1-й слой контактного аппарата, учитывая производительность и степень контактирования:

где GH2SO4 – производительность 100%-ной серной кислоты, т/г.;

Тр – годовой фонд рабочего времени, сутки; МH2SO4 – молярная масса серной кислоты, кг/кмоль;

261

а – концентрация SO2 в исходном газе, мол. доли; хобщ – степень контактирования на выходе.

Количества компонентов газа на входе в 1-й слой контактного аппарата определяем с учетом состава исходного газа:

Vвх SO2 = Vвх а = 155 576 · 0,09 = 14 001 м3/ч; V вх О2 = Vвх b = 155 576 · 0,12 = 18 669 м3/ч;

Vвх N2 = Vвх (1 – а – b) = 155 576 · 0,79 = 122 906 м3/ч.

Количества компонентов газа на выходе из 1-го слоя определяем с учетом степени превращения SO2 в слое и стехиометрии реакции окисления SO2 в SO3:

Vвых SO2 = Vвх (а – ахк) = 155 576 (0,09 – 0,09 · 0,68) = 4481 м3/ч; Vвых SO3 = Vвх ахк = 155 576 · 0,09 · 0,68 = 9521 м3/ч;

в табл. 25 приведены количества компонентов в кг/ч.

262

Задание для самостоятельной работы

Рассчитать материальный баланс 2-го и 3-го слоев контактного аппарата.

Расчет времени контактирования и количества катализатора в каждом слое контактного аппарата.

Расчет ведем с использованием кинетических данных, данных материального баланса и с учетом протекания процесса в слое в адиабатических условиях.

Программа и пример расчета времени контактирования для первого слоя с использованием MathCad приведена ниже.

263

264

Задание для самостоятельной работы

Провести расчет времени контактирования и количества катализатора для 2-го и 3-го слоев контактного аппарата.

7.3.Технологические расчеты при проектировании абсорберов в производстве серной кислоты

Абсорбционное отделение производства серной кислоты включает два последовательно соединенных по газу абсорбера – олеумный и моногидратный.

С целью отвода выделяющегося в процессе абсорбции SO3 тепла каждый абсорбер работает по орошению жидкой фазой циклически. Это означает, что на орошение абсорбера подается значительный избыток серной кислоты по сравнению с кислотой, которая вводится и выводится из цикла. В каждом абсорбере происходит небольшое увеличение концентрации кислоты. Избыток кислоты, подаваемой на орошение, способствует тому, что в абсорбере температура повышается незначительно и обеспечивается высокая движущая сила процесса.

Циркулирующая кислота перед возвратом на орошение охлаждается и разбавляется менее концентрированной кислотой. Для этого существует связь по жидкой фазе между абсорберами, а также с сушильной башней.

Отвод продукта на склад осуществляется из цикла олеумного абсорбера, если вся продукция получается в виде олеума.

Целью технологических расчетов при проектировании абсорберов является определение размеров абсорберов и характеристик холодильников для охлаждения кислоты. В качестве исходных данных при расчете используются данные по количеству и составу газа, поступающего в абсорбционное отделение, производительность по 100%-ной серной кислоте, общая степень абсорбции SO3, а также доля SO3, поглощаемая в олеумном абсорбере.

265

Порядок расчета

1.Расчет материального баланса каждого абсорбера.

2.Расчет основных геометрических размеров абсорбера – диаметра, высоты и объема насадки.

3.Расчет материального баланса абсорберов с учетом циркуляции и связи абсорберов с другими аппаратами.

4.Расчет теплового баланса абсорбера.

5.Расчет холодильников для охлаждения циркулирующей кислоты.

Пример расчета олеумного абсорбера

1. Рассчитать материальный баланс олеумного абсорбера.

Исходные данные:

Выпускается только олеум, содержащий 20 % своб. SO3. Производительность – 450 000 т в год 100%-ной серной кислоты. Содержание SO3 в газе 7,5 об. %. Степень абсорбции SO3: общая – 99,95 %, в олеумном абсорбере 32 %. Концентрация олеума на входе 20,8 % своб. SO3, на выходе – 21 %.

1. Определяем расход газа, поступающего в олеумный абсорбер:

450 000 1000 100 100 vSO

Vвх = Tэф 24 МH2SO4 CSO3 xSO33 =

= 450 000 1000 100 100 21,7 =166 237 м3/ч. 333 24 98 7,5 99,95

2. Определяем количество SO3, поступающего в абсорбер с исходным газом

В массовых единицах

4.Определяем количество SO3 , покидающее абсорбер с газом:

VSOвых3 =VSO3 −∆VSO3 =12 468 −3989,8 =8478,2 м3/ч.

5.Определяем количество олеума на входе и выходе олеумного абсорбера.

Обозначим количество олеума на входе – х, выходе – у. Составляем уравнения баланса абсорбера общее и по SO3 в кг/ч:

х+∆GSO3 = y,

x 10020 +∆GSO3 = y 10021 .

Решаем систему двух линейных алгебраических уравнений с двумя неизвестными:

х – у = 14 708,9; 0,2х – 0,21у – 14 708,9.

Программа решения системы двух линейных уравнений в MathCad приведена ниже.

В ней используется встроенная функция «lsolve», в которой М – матрица коэффициентов левых частей уравнений, v – вектор значений правых частей уравнений, soln – результат решения – верхнее значение х, нижнее – у.

267

Результаты расчета сведены в табл. 26. В расчете принято, что в газе кроме SO3 содержится азот.

7.4. Технологические расчеты в производстве соды

Определение показателей растворов по результатам анализов в производстве соды

Впроизводстве соды аналитическим методом определяют: прямой титр (ПТ) – соединения, которые определяют прямым титрованием исходных растворов раствором кислоты, общий аммиак (хобщ) – определяют путем отгонки его при нагревании исходных растворов

сизбытком раствора щелочи, полусвязанный аммиак (хпс), который определяется путем простой отгонки при нагревании исходного раствора и улавливании аммиака раствором кислоты. Отдельно определяется хлорид-ион и ион натрия.

Вкачестве единицы измерения концентраций используют нормальные деления (н.д.), причем 1 н.д. = 1/20 кг-экв/м3.

Для перехода от концентрации, выраженной в н.д., к концентрации в кг/м3 необходимо использовать пересчетный коэффициент, который определяют с учетом молекулярной массы и заряда иона. Так, например пересчетный коэффициент для аммиака определяют по уравнению

Если учесть, что МNH3 = 17, а zNH3 = 1, то аNH3 = 0,85.

268

В табл. 27 приведены значения пересчетных коэффициентов для основных соединений растворов содового производства.

Таблица 27

Значения коэффициентов для пересчета концентраций растворов от н.д. на кг/м3

Пример. Пусть концентрация Cl– в растворе 106,5 н.д., тогда массовая концентрация этого соединения будет 106,5 · 1,7725 = = 188,77 кг/м3.

Для пересчета концентраций с кг/м3 на мас.% необходимо знание плотности раствора.

Задание для самостоятельной работы

Исходный рассол хлорида натрия имеет концентрацию 106 н.д. Степень использования натрия 75 %. Определить теоретический расход рассола на 1 т Na2CО3.

Определение практического расхода очищенного рассола для получения 1 т соды

В основе расчета лежат уравнения материального баланса всего производства по хлору и натрию.

Для составления балансовых уравнений необходимо знать составы исходного рассола и фильтровой жидкости, а также потери натрия и хлора на всех стадиях производства.

269

Составы растворов приведены ниже.

с фильтровой жидкостью:

Vфж Na+ 1,15.

Потери в виде Na2CО3:

Следовательно,

Vор Na+ 1,15 = 433,96 +Vфж Naфж 1,15 + 0,434q + 0,393s,

где q и s – соответственно потери Na2CО3 и NaCl в производстве. 270