Лаб4_производство_HNO3

Описание процесса

Технологическая схема производства азотной кислоты под давлением 0,73 МПа представлена на рис. V.8:

Аммиак испаряется и подогревается в испарителе 1 и поступает в смеситель 4. Туда же направляется воздух, который отчищается в фильтре 2 и сжимается компрессором 3 до давления 0,73 МПа. Полученная аммиачно-воздушная смесь нагревается в рекуперативном теплообменнике 5 и поступает в реактор 6.

В реакторе протекает реакция окисления аммиака кислородом воздуха:

4NH₃ + 5O₂ —> 4NO + 6H₂O

4NH₃ + 3O₂ —> 2N₂ + 6H₂O

Тепло реакции идет на выработку пара в котле-утилизаторе 7 и подогрев исходный аммиачно-воздушной смести (АВС). В аппарате 8 проводится окисление:

2NO + O₂ —> 2NO₂

В холодильнике-конденсаторе 9 нитрозные газы охлаждаются дополнительно, при этом конденсируется вода и образуется некоторое количество слабой азотной кислоты:

3NO₂ + 2H₂O —> 2HNO₃ + NO

Жидкость и нитрозные газы из холодильника-конденсатора подаются в абсорбционную колонну 10, где происходит доокисление нитрозных газов и получение товарной азотной кислоты. Суммарное стехиометрическое уравнение:

4NO₂ + 2H₂O + O₂ —> 4HNO₃

Образовавшаяся азотная кислота насыщена оксидами азота, которые удаляются в отбелочной колонне 11 путем их десорбции при пропускании воздуха. Последний направляется в абсорбционную колонну 10 и способствует доокислению NO.

Выходящий из колонны газовый поток подогревается в теплообменнике 12 и далее разогревается до 700-800 С◦ природным газом (метаном) в подогревателе 13. При этом расходуется оставшийся кислород, а непрореагировавший метан восстанавливает оксиды азота в реакторе каталитической отчистки 14:

2NO + CH₄ + O₂ —> N₂ + CO₂ + 2H₂O

2NO₂ + CH₄ —> N₂ + CO₂ + 2H₂O

Потенциал нагретого и сжатого газа используется в газовой турбине 15 (что полностью обеспечивает энергией привод воздушного компрессора 3) и для подогрева газа после абсорбционной колонны 10. Очищенный отходящий газ выбрасывается в атмосферу (отходящие газы).

Задание

Концентрация NH3 в АВС, % об.	9,5
Избирательность окисления NH3	0,96
Степень окисления NO	1,0
Степень абсорбции NO2	0,995
Концентрация кислоты, % мас.	55

1. Рассчитать материальный баланс производства азотной кислоты мощностью 1 тонна 100 %-й ΗΝΟ3 в час.

Протекающие реакции:

Составим брутто уравнение:

Расчет количества подаваемых компонентов

1. Расчет количества аммиака. В соответствии с уравнением (5) реакции на 1 кмоль (63 кг) HNO₃ расходуется 1 кмоль (17 кг) NH₃. На 1000 кг безводной кислоты необходимо аммиака

17 × 1000 / 63 = 270 кг,

где 17 и 63 г/моль – молярные массы NH₃ и HNO₃ соответственно.

С учетом избирательности окисления NH3 и степени абсорбции полученных оксидов количество необходимого аммиака составит

270 × 100 / 96,0 × 100 / 99,5 = 282,66 кг или 282,66 / 17 = 16,63 кмоль.

2. Расчет аммиачно-воздушной смеси. Концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси 9,5 об.%. Следовательно, на долю воздуха приходится 90,5 об.%. Необходимое количество воздуха

16,63 × 90,5 / 9,5 = 158,42 кмоль, в т. ч.

кислорода: 158,42 × 21 / 100 = 33,27 кмоль, или 33,27 × 32 = 1064,64 кг;

азота: 158,42 × 79 / 100 = 125,15 кмоль, или 125,15 × 28 = 3504,20 кг,

где 21 и 79 – концентрация кислорода и азота в воздухе, об.%; 32 и 28 – их молярные массы, кг/моль.

Расчет количества нитрозных газов

1. Количество образующегося оксида азота. По реакции (1) из 1 кмоль NH₃ образуется 1 кмоль NO, а при степени избирательности окисления 96 % количество NO составит

16,63 × 96 / 100 = 15,96 кмоль, или 15,96 × 30 = 478,80 кг.

2. По реакции (2) из 1 кмоль NH₃ образуется 0,5 кмоль N₂. В этой реакции участвует 4 % аммиака от начального количества. Количество образующегося азота по реакции (2) составит

16,63 × 0,5 × 4 / 100 = 0,33 кмоль, или 0,33 × 28 = 9,24 кг.

3. Количество образующихся водяных паров. Согласно уравнениям реакции (1), (2), из 4 кмоль NH₃ образуется 6 кмоль Н₂О; суммарное количество паров воды по двум реакциям составит

16,63 × 6 / 4 = 24,95 кмоль, или 24,95 × 18 = 449,10 кг.

4. Количество оставшегося кислорода в нитрозных газах. По реакции (1) вступило в реакцию кислорода:

16,63 × 96 / 100 × 5 / 4 = 19,96 кмоль.

По реакции (2): 16,63 × 4 / 100 × 3 / 4 = 0,50 кмоль.

Всего вступило в реакцию кислорода: 19,96 + 0,50 = 20,46 кмоль.

Осталось в нитрозных газах кислорода:

33,27 - 20,46 = 12,81 кмоль, или 12,81 × 32 = 409,92 кг.

5. Количество азота в нитрозных газах складывается из первоначального количества азота в воздухе и азота, образовавшегося по реакции (2):

125,15 + 0,33 = 125,48 кмоль или 3504,20 + 9,24 = 3513,44 кг.

Приход				Расход
Наимен.	кмоль	% об.	кг	Наимен.	кмоль	% об.	кг
NH3	16,63	9,5	282,66	NO	15,96	9,87	478,80
O2	33,27	19	1064,64	O2	12,81	8,45	409,92
N2	125,15	71,5	3504,20	N2	125,48	72,42	3513,44
				H2O	24,95	9,26	449,10
Итого	175,05	100	4851,50	Итого	179,2	100	4851,26

2. Определить: – количества ΝΗ3 и воздуха для обеспечения заданной производительности с точностью < 1%.; – количество воды, подаваемой на орошение колонны для получения товарной кислоты заданного состава; – количество природного газа (CH4), которое надо подать для очистки отходящих газов от оксидов азота; – расходные коэффициенты по аммиаку, воздуху (О2), воде, метану на 1 тонну 100 %-й ΗΝΟ3.

Количество ΝΗ3 и воздуха для обеспечения заданной производительности с точностью < 1%.

(см. выше)

Количество воды, подаваемой на орошение колонны для получения товарной кислоты заданного состава

1000 – 55%

Х – 100%;

Х=1818,18 кг/сут. (кол-во разб. азотной кислоты)

G_H2O = (1818,18 – 1000)/0,995 = 822,29 кг/сутки.

Количество природного газа (CH4), которое надо подать для очистки отходящих газов от оксидов азота

4NO₂ + 2H₂O + O₂ = 4HNO₃

По реакции находим количество NO2:

G_NO2 = (1000/63)*46 = 730,16 кг

Учитывая степень адсорбции, найдем 100% NO2:

G_NO2 = 730,16/0,995 = 733,83 кг

Тогда количество непрореагировавшего NO2:

G_NO2 = 733,83*0,005 = 3,67 кг

Так как после получения HNO3 получилось 3,67 кг NO2, то по реакции

G_CH4 = (1/2)*(3,67/46)*16 = 0,64 кг

G_CO2 = (1/2)*(5,50/46)*44 = 1,76 кг

G_N2 = (1/2)*(5,50/46)*28 = 1,12 кг

Расходные коэффициенты по аммиаку, воздуху (О2), воде, метану на 1 тонну 100 %-й ΗΝΟ3

Наим.	Расх. коэф.
Аммиак	1,05
Воздух (О2)	9,98
Вода	2,88
Метан	0,003