4 Примеры расчетов

4.1 Составить материальный и тепловой балансы сжигания сероводорода для сернокислотного завода производительностью 10 т/ч моногидрата. Исходный газ содержит 90% Н₂S, 5% Н₂О и % (об.) N₂. На 1 м³ сероводородного газа в печь подается 10 м³ воздуха (в пересчете на сухой); содержание влаги в воздухе 1% (об.). Температура поступающего воздуха и сероводородного газа 20⁰С.

Решение.

Производим материальный расчет. Количество 100%-ного сероводородного газа, которое необходимо сжечь в печи:

10000 · 22.4/98 = 2290 м³/ч.

С учетом производственных потерь (5%), необходимо подать в печь, м³/ч:

100%-ного Н₂S 2290/0.95 = 2410

или 90%-ного сероводородного газа 2290 /(0.9 · 0.95) = 2680

Количество сухого воздуха, подаваемого в печь: 2680 · 10 = 26800 м³/ч

С воздухом войдет в печь водяных паров: (2680 · 0.01) /0.00 = 270 м³/ч.

Кроме того, с воздухом поступит, м³/ч:

О₂……………………………26800 · 0.21 = 5600

N₂…………………………….26800 · 0.79 = 21200

На сжигание сероводорода согласно реакции:

Н₂S + 1.5О₂ = SО₂ + Н₂О

израсходуется кислорода: 2680 · 0.9 · 1.5 = 3630 м³/ч

При этом образуется по 2410 м³/ч сернистого ангидрида и водяных паров.

Количество и состав обжигового газа:

м³/ч %об.

SО₂ ………………………………….2410 8.45

О₂…… ………………. 5600 – 3630 = 1970 6.9

Н₂О……….2680 · 0.05 +2410 + 270 = 2814 9.85

N₂…………….21200 + 2680 · 0.05 = 21334 74.8

Всего…………………………..28 528 100

Составляем материальный баланс сжигания сероводорода:

Приход	м3/ч	кг/ч	Расход	м3/ч	кг/ч
Сероводородный газ: Н2S Н2О N2 Воздух: О2 N2 Н2О Всего:	2410 135 135 5600 21200 270	3660 107 167 8000 26400 216 38550	Печной газ: SО2 О2 Н2О N2 Всего	2410 1970 2814 21334	6900 2810 2260 26500 38470

Невязка баланса:

(38550 – 38470)/38500 · 100 = 0.2%

Определим статьи теплового баланса.

Приход теплоты

За счет поступающего сероводородного газа (условно считаем, что газ содержит только Н₂S):

2680 · 1.47 · 20 = 78800 кДж/ч

где 1.47 – теплоемкость сероводорода, отнесенная к 1 м³ газа при нормальных условиях, кДж/(м³ *К).

Теплота, вносимая воздухом:

(26800 +270) · 1.34 · 20 = 725500 кДж/ч

где 1.34 – теплоемкость воздуха, (ввиду малого содержания влаги в воздухе различием теплоемкости водяного пара и сухого воздуха пренебрегаем) кДж/(м³·К).

При сжигании сероводорода выделится

(2410 · 519.3 · 1000) /22.4 = 55871000 кДж/ч

где 519.3 кДж – теплота сгорания 1 моль Н₂S.

Общее количество поступившей теплоты:

Q_прих = 78800 + 725500 + 55871000 = 55675300 кДж/ч

Расход теплоты

За счет теплопотерь из печи в окружающее пространство, принимаем равными 20% от прихода теплоты, уходит:

55675300 · 0.2 = 11135000 кДж/ч

Теплота, уносимая обжиговым газом, равна разности между приходом тепла и теплопотерями:

55675300 – 11350000 = 44325300 кДж/ч

Принимая среднюю теплоемкость обжигового газа 1.38 кДж/(м³ *К), определим температуру газа, уходящего из печи:

T = 44325300/1.38 · 28528 = 1126⁰С.

Составляем часовой тепловой баланс сжигания сероводорода

Приход	кДж	Расход	кДж
с сероводородным газом с воздухом теплота реакции Всего:	78800 725500 55871000 55675300	Теплопотери с печным газом Всего:	11135000 44325300 55675300

4.2 Составить материальный и тепловой балансы процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком в аппарате ИТН. Составление материального баланса необходимо для определения расходных коэффициентов исходных реагентов и для подсчета размеров реакционной и вспомогательной аппаратуры. Тепловой баланс нейтрализатора позволяет проверить возможность получения раствора аммиачной селитры заданной концентрации.

Материальный баланс

Расчет ведется на 1000 кг 100% NН₄NО₃.

Принимаем концентрацию азотной кислоты 48% НNО₃, аммиака 97% NН_3, получаемого раствора 66% NН₄NО₃; потери аммиака на всех стадиях производства 0.3%, азотной кислоты 0.75% от выхода NН₄NО₃.

Согласно реакции NН_3(газ) + НNО_3(жидк) = NН₄NО_3(тв) + 145.8 кДж, теоретический расход 100% НNО₃:

63 · 1000/80 = 787.5 кг

100% NН₃:

17 · 1000/80 = 212.5 кг

где 63, 17, 80 – масса 1 моль соответственно НNО₃, NН₃, и NН₄NО₃.

Расход 100% НNО₃ с учетом потерь:

787.5 + (0.75 · 1000/100) = 795.0 кг

или в пересчете на 48% НNО₃:

795 · 100/48 = 1656.0 кг

Расход 100 % NН₃ с учетом потерь:

212.5 + (0.3 · 1000/100) = 215.5 кг

или в пересчете на 97% газообразный аммиак:

212.5 · 100/97 = 222.0 кг.

Содержание инертных газов в аммиаке:

222.0 – 215.5 = 6.5 кг.

Вся вводимая азотная кислота нейтрализуется аммиаком. Определяем массу образующейся 100% NН₄NО₃:

795 · 80/63 = 1009.7 кг

Масса 66% раствора аммиачной селитры, полученного в нейтрализаторе (включая потери раствора):

1009.7 · 100/66 = 1529.8 кг

или за вычетом потерь раствора:

1000 · 100/66 = 1515.1 кг

потери 66% раствора аммиачной селитры:

1529.8 – 1515.1 = 14.7 кг.

На образование 1009.7 кг NН₄NО₃ расходуется 100% NН₃:

1009.7 · 17/80 = 214.5 кг.

Отсюда потери 100% NН₃ с соковым паром равны:

215.5 – 214,5 = 1.0 кг.

Выход сокового пара (включая инертные газы и потери газообразного аммиака):

1656.0 + 222.0 – 1529.8 = 348.2 кг.

В том числе содержание собственно водяного пара:

348.2 – (6.5 + 1.0) = 340.7 кг.

Полученные результаты сведем в таблицу.

Таким образом, на 1 т аммиачной селитры (100% NН₄NО₃) расходуется 0.215 т газообразного аммиака (100% NН₃) и 0.795 т азотной кислоты (100% НNО₃).

Материальный баланс процесса нейтрализации (на 1 т NН₄NО₃)

Приход	кг	Расход	кг
48% НNО3 в том числе 100% НNО3 вода Аммиак газообразный 97% в том числе 100% NН3 Инертные газы	1656.0 795.0 861.0 222.0 215.5 6.5	Раствор аммиачной селитры (66%) в том числе 100% NН4NО3 вода Потери раствора NН4NО3 в том числе 100% NН4NО3 вода Выход сокового пара в том числе водяной пар 100% NН3 инертные газы	1515.1 1000.0 515.1 14.7 9.7 5.0 348.2 340.7 1.0 6.5
Итого	1878.0	Итого	1878.0

Тепловой баланс

Расчет ведется на 1000кг NН₄NО₃.

Приняты следующие исходные показатели:

Начальная температура, ⁰С

азотной кислоты………………………………………………………….30

аммиака……………………………………………………………………50

Давление аппарате ИТН, кПа………………………………………….120

Температура 66% раствора NН₄NО₃ на выходе из аппарата ИТН, ⁰С 122

Приход тепла

Физическое тепло 48% азотной кислоты:

1656 · 2.91 · 30 = 144069 кДж

где 2.91 кДж/(кг·К) – теплоемкость 48% НNО_3.

Физическое тепло газообразного аммиака:

222 · 2.19 · 50 = 24309 кДж,

где 2.19 кДж/(кг·К) – теплоемкость газообразного аммиака.

Тепловой эффект реакции определяется по номограмме. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации 48% НNО₃ равна 1486 кДж/кг (кривая 1). Теплота растворения NН₄NО₃ при получении 66% раствора составляет 184 кДж/кг (кривая 2).

Рисунок 1. Диаграмма для определения суммарного теплового эффекта (раз­ность значений на кривых 1 и 2) нейтрализации раство­ров HNO₃ аммиаком при 18 ⁰С (данные Я. И. Кильмана): 1 — теплота реакции NН₃(газ) + HNО₃ (жидк.) = NH₄NO₃(тв.) с учетом теплоты разбав­ления азотной кислоты водой; 2 — теплота растворения NH₄NO₃ в воде.

Суммарный тепловой эффект процесса нейтрализации в заданных условиях:

1486 – 184 =1302 кДж/кг

Количество тепла, выделяющегося при образовании 1009.7 кг NН₄NО₃:

1009.7 · 1302 = 1314629 кДж

Общий приход тепла в нейтрализаторе:

144069 + 24309 + 1314629 = 1483007 кДж

Расход тепла

Количество тепла, уносимого раствором NН₄NО₃ из нейтрализатора:

1529.8 · 2.47 · 122 = 460990 кДж

где 2 .47 кДж/ (кг·К) – теплоемкость 66% раствора NН₄NО₃

Расход тепла на образование сокового пара в нейтрализаторе:

2682.6 · 340.7 = 913962 кДж

где 2682.6 кДж/кг – энтальпия насыщенного водяного пара при абсолютном давлении 120 кПа.

Количество тепла, уносимого из нейтрализатора инертными газами, относим к тепловым потерям аппарат в окружающую среду.

Общее количество уносимого тепла:

460990 + 913962 = 1374952 кДж

Разность между приходом и расходом тепла составляет:

1483007 – 1374952 = 108055 кДж

или по отношению к приходу тепла:

108055 · 100/1483007 = 7.3%

Подсчитанная разность между приходом и расходом тепла (7.3%) может быть отнесена на тепловые потери в окружающую среду.

Полученные результаты сведем в таблицу.

Тепловой баланс процесса нейтрализации (на 1 т NН₄NО₃)

Приход	кДж	Расход	кДж
Физическое тепло 48% НNО3 Физическое тепло газообразного аммиака Тепло образования NН4NО3	144069 24309 1314629	Тепло, уносимое 66% раствором аммиачной селитры Тепло образования сокового пара Разность между приходом и расходом тепла	460990 913962 108055
Итого	1483007	Итого	1483007

Результаты расчета показывают, что образование 66% раствора аммиачной селитры в заданных условиях возможно. Из теплового баланса процесса нейтрализации видно, что основное количество тепла (88.7%) поступает за счет теплового эффекта реакции. Наибольшее количество поступающего тепла (61.6%) тратится на парообразование (концентрирование раствора) непосредственно в аппарате –нейтрализаторе.

Содержание:

Введение 3

1 Содержание и объем курсовой работы 4

2 Задание 4

3 Методические указания к выполнению курсовой работы 4

Типовая таблица материального баланса 5

Расход 5

Статья прихода 5

Статья расхода 5

Количество, кг 5

Продукт А 5

Продукт В 5

Продукт С 5

Итого 5

G 5

Итого 5

4 Примеры расчетов 8