Материальный баланс холодильника-конденсатора
1. Исходные данные для расчета
В холодильник-конденсатор поступает 5000 нм³/ч нитрозных газов.
Состав газа на входе, %об.: NO – 2, NO2 – 8,35, O2 – 1,92, N2 – 70,80, Н2О – 16,93.
Давление в системе 7,5 атм.
Степень превращения окислов азота при абсорбции – 0,98.
В расчете теплового баланса определить количество охлаждающей воды.
Температура нитрозного газа на входе в холодильник – конденсатор – 160ºС.
Температура нитрозного газа на выходе из холодильника–конденсатора – 40ºС.
Степень конденсации водяных паров – 90 %.
2. Материальный баланс холодильника-конденсатора
Цель материального баланса: определение состава нитрозного газа после холодильника-конденсатора.
Таблица 1. Состав нитрозных газов, поступающих в холодильник-конденсатор
|
Состав |
м3/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
% (об.) |
|
NO |
100 |
133,8 |
4,46 |
2 |
|
NO>2> |
417,5 |
857,44 |
18,64 |
8,35 |
|
O>2> |
96 |
137,152 |
4,286 |
1,92 |
|
N>2> |
3540 |
4425,008 |
158,036 |
70,80 |
|
H>2>O |
846,5 |
680,22 |
37,79 |
16,93 |
|
Всего |
5000 |
6233,62 |
223,212 |
100 |
В холодильнике – конденсаторе образуется конденсат, содержащий 40%-ную HNO>3> , что соответствует степени превращения окислов азота 25 %.
Условно пересчитываем окислы азота, содержащиеся в нитрозном газе, на NO>2>:
(NO+ NO>2>)=4,46+18,64=23,1 кмоль/ч
1. Количество конденсата.
Количество двуокиси азота, превращенной в азотную кислоту, составит:
23,1*0,25=5,775 кмоль/ч
На образование азотной кислоты по реакции
4 NO>2 >+ O>2 >+2Н>2>О = 4HNO>3 >- 73600 кДж
расходуется воды: 5,775 / 2 = 2,887 кмоль/ч.
Количество сконденсировавшейся воды x, пошедшей на образование 40%-ной HNO>3 >, можно вычислить по уравнению:
36382,5=14553+720x
x= 30,32 кмоль/ч
Всего сконденсировалось воды:
2,887 + 30,32 = 33,21 кмоль/ч
В газе осталось водяных паров:
37,79 – 33,21 =4,58 кмоль/ч
Количество образовавшейся 40%-ной HNO>3> :
5,775 + 30,32 = 36,095 кмоль/ч
2. Количество и состав газа после холодильника.
На образование HNO>3> пошло кислорода:
5,775*0,25 = 1,444 кмоль/ч
В газе осталось:
кислорода
4,286 - 1,444=2,842 кмоль/ч
окислов азота
23,1 – 5,775=17,325 кмоль/ч
Таблица 2. Состав нитрозных газов, выходящих из холодильника-конденсатора
|
Состав |
м3/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
% (об.) |
|
NO |
99,904 |
133,8 |
4,46 |
2,44 |
|
NO>2> |
288,176 |
591,79 |
12,865 |
7,04 |
|
O>2> |
63,661 |
90,944 |
2,842 |
1,55 |
|
N>2> |
3540,006 |
4425,008 |
158,036 |
86,46 |
|
H>2>O |
102,592 |
82,44 |
4,58 |
2,51 |
|
Всего |
4094,339 |
5323,982 |
182,783 |
100 |
Таблица 3. Состав конденсата
|
Состав |
м3/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
%(об.) |
|
HNO>3> |
129,36 |
363,825 |
2,05 |
39,99 |
|
H>2>O |
679,17 |
545,76 |
37,73 |
60,01 |
|
Всего |
808,53 |
909,585 |
39,78 |
100 |
3. Сводный материальный баланс холодильника–конденсатора
Таблица 4.
|
ПРИХОД |
РАСХОД |
||||||||
|
В-во |
м3/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
%(об.) |
В-во |
м3/ч |
кг/ч |
кмоль/ч |
%(об.) |
|
NO |
100 |
133,8 |
4,46 |
2 |
NO |
99,904 |
133,8 |
4,46 |
2,01 |
|
NO>2> |
417,5 |
857,44 |
18,64 |
8,35 |
NO>2> |
288,176 |
591,79 |
12,865 |
5,78 |
|
O>2> |
96 |
137,152 |
4,286 |
1,92 |
O>2> |
63,661 |
90,944 |
2,842 |
1,28 |
|
N>2> |
3540 |
4425,01 |
158,036 |
70,80 |
N>2> |
3540,01 |
4425,01 |
158,04 |
71,06 |
|
H>2>O |
846,5 |
680,22 |
37,79 |
16,93 |
H>2>O |
102,592 |
82,44 |
4,58 |
2,06 |
|
H>2>O >конд-ат> |
679,17 |
545,76 |
37,73 |
16,96 |
|||||
|
HNO>3> >конд-ат> |
129,36 |
363,825 |
2,05 |
0,92 |
|||||
|
Всего |
5000 |
6233,62 |
223,212 |
100 |
Всего |
4902,873 |
6233,57 |
222,39 |
100 |
Неувязка материального баланса составляет:
Она не превышает 1 %, соответственно материальный баланс рассчитан верно.
Тепловой баланс холодильника – конденсатора
Цель теплового баланса: расчёт тепловых потоков.
Теплоту, приносимую с нитрозным газом, находим по формуле,> >
>
>>,>
где n>i>> >– количество вещества исходных реагентов, кмоль/ч (материальный баланс);
c>i> – средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж / (кмоль К);
t>вх,>>i> – температура входного потока, ºС.
Находим среднюю теплоёмкость компонентов нитрозного газа по формулам:
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
Таблица 3. Средняя теплоёмкость нитрозного газа
|
Компоненты |
Теплоёмкость,
|
|
NО |
30,53 |
|
N>2> |
29,44 |
|
NO>2> |
39,86 |
|
O>2> |
29,78 |
|
H>2>O |
34,15 |
Рассчитаем среднюю теплоёмкость нитрозного газа по правилу аддитивности:
;
.
Q>1> =223,212*31,136*160 = 1111988,613 кДж/ч = 308,89 кВт.
Теплоту, поступающую за счет конденсации паров воды, определяем как:
Q>2> = (2780 – 4,18*40) 33,21*18 = 1561879,584 кДж/ч = 433,85 кВт.
где 2780 кДж / кг – теплота конденсации водяного пара.
Теплоту при образовании азотной кислоты находим по формуле, кДж:
,
где q – теплота образования безводной HNO>3> (по реакции), кДж; q=73600 кДж;
m – количество образовавшейся кислоты, кмоль/ч.( материальный баланс)
Q>3>
=
кДж/ч
= 29,52 кВт.
Теплота, выделяющаяся при разбавлении безводной кислоты до 40%-ной HNO>3>:
Q>4> = 28400 * 5,775 = 164010 кДж/ч = 45,56 кВт.
где 28400 – теплота разбавления азотной кислоты, кДж / моль.
Теплоту, отводимую нитрозным газом из конденсатора, находим по формуле, кДж:
>
>
где n>j>> >– количество вещества продуктов реакции, кг/ч, (материальный баланс); c>j> – средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж / (кмоль К);
t>кон,>>j> – температура выходного потока, ºС.
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
кДж / (кмоль К)
Таблица 3. Средняя теплоёмкость нитрозного газа
|
Компоненты |
Теплоёмкость,
|
|
NО |
30,12 |
|
N>2> |
29,18 |
|
NO>2> |
37,09 |
|
O>2> |
28,45 |
|
H>2>O |
33,59 |
.
Q>5> =182,787*29,859*40 = 218313,481 кДж/ч = 60,64 кВт.
Теплоту, отводимую с кислотой из холодильника – конденсатора находим как:
Q>6>
=
кДж/ч
= 30,73 кВт.
[3,041 – теплоемкость 40%-ной HNO>3> при 40 ºС, кДж / (кг К)].
По разности между количествами приходящей и расходуемой теплоты определяем теплоту, отводимую охлаждающей водой:
Q>7> = (308,89 + 433,85 + 29,52 + 45,56) – (60,64 + 30,73) = 726,45 кВт.
Таблица 5. Тепловой баланс холодильника–конденсатора
|
ПРИХОД |
РАСХОД |
||||
|
Поток |
кВт |
% |
Поток |
кВт |
% |
|
Q>1> |
308,89 |
37,77 |
Q>5> |
60,64 |
7,41 |
|
Q>2> |
433,85 |
53,05 |
Q>6> |
30,73 |
3,76 |
|
Q>3> |
29,52 |
3,61 |
Q>7> |
726,45 |
88,83 |
|
Q>4> |
45,56 |
5,57 |
|||
|
Всего |
817,82 |
100 |
Всего |
817,82 |
100 |
1