Сводный материальный баланс холодильника–конденсатора

Исходные данные для расчета

 

1. В холодильник-конденсатор поступает 5000 нм³/ч нитрозных газов.

2. Состав газа на входе, %об.: NO – 2, NO2 – 8,35, O2 – 1,92, N2 – 70,80, Н2О – 16,93.

3. Давление в системе 7,5 атм.

4. Степень превращения окислов азота при абсорбции – 0,98.

5. В расчете теплового баланса определить количество охлаждающей воды.

6. Температура нитрозного газа на входе в холодильник – конденсатор – 160ºС.

7. Температура нитрозного газа на выходе из холодильника–конденсатора – 40ºС.

8. Степень конденсации водяных паров – 90 %.

 

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
NO2	417,5	857,44	18,64	8,35
O2	96	137,152	4,286	1,92
N2	3540	4425,008	158,036	70,80
H2O	846,5	680,22	37,79	16,93
Всего	5000	6233,62	223,212	100

 

В холодильнике – конденсаторе образуется конденсат, содержащий 40%-ную HNO₃ , что соответствует степени превращения окислов азота 25 %.

Условно пересчитываем окислы азота, содержащиеся в нитрозном газе, на NO₂:

 

(NO+ NO₂)=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 NO₂ + O₂ +2Н₂О = 4HNO₃ - 73600 кДж

 

расходуется воды: 5,775 / 2 = 2,887 кмоль/ч.

Количество сконденсировавшейся воды x, пошедшей на образование 40%-ной HNO₃ , 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 HNO₃ :

 

5,775 + 30,32 = 36,095 кмоль/ч

 

2. Количество и состав газа после холодильника.

На образование HNO₃ 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
NO2	288,176	591,79	12,865	7,04
O2	63,661	90,944	2,842	1,55
N2	3540,006	4425,008	158,036	86,46
H2O	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.)
HNO3	129,36	363,825	2,05	39,99
H2O	679,17	545,76	37,73	60,01
Всего	808,53	909,585	39,78	100

 

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
NO2	417,5	857,44	18,64	8,35	NO2	288,176	591,79	12,865	5,78
O2	96	137,152	4,286	1,92	O2	63,661	90,944	2,842	1,28
N2	3540	4425,01	158,036	70,80	N2	3540,01	4425,01	158,04	71,06
H2O	846,5	680,22	37,79	16,93	H2O	102,592	82,44	4,58	2,06
					H2O конд-ат	679,17	545,76	37,73	16,96
					HNO3 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.

1. 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
N2	29,44
NO2	39,86
O2	29,78
H2O	34,15

 

Рассчитаем среднюю теплоёмкость нитрозного газа по правилу аддитивности:

 

;

.

Q₁ =223,212*31,136*160 = 1111988,613 кДж/ч = 308,89 кВт.

 

2. Теплоту, поступающую за счет конденсации паров воды, определяем как:

 

Q₂ = (2780 – 4,18*40) 33,21*18 = 1561879,584 кДж/ч = 433,85 кВт.

где 2780 кДж / кг – теплота конденсации водяного пара.

 

3. Теплоту при образовании азотной кислоты находим по формуле, кДж:

 

,

где q – теплота образования безводной HNO₃ (по реакции), кДж; q=73600 кДж;

m – количество образовавшейся кислоты, кмоль/ч.( материальный баланс)

 

Q₃ = кДж/ч = 29,52 кВт.

 

Теплота, выделяющаяся при разбавлении безводной кислоты до 40%-ной HNO₃:

 

Q₄ = 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
N2	29,18
NO2	37,09
O2	28,45
H2O	33,59

 

.

Q₅ =182,787*29,859*40 = 218313,481 кДж/ч = 60,64 кВт.

 

Теплоту, отводимую с кислотой из холодильника – конденсатора находим как:

 

Q₆ = кДж/ч = 30,73 кВт.

[3,041 – теплоемкость 40%-ной HNO₃ при 40 ºС, кДж / (кг К)].

 

По разности между количествами приходящей и расходуемой теплоты определяем теплоту, отводимую охлаждающей водой:

 

Q₇ = (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	%
Q1	308,89	37,77	Q5	60,64	7,41
Q2	433,85	53,05	Q6	30,73	3,76
Q3	29,52	3,61	Q7	726,45	88,83
Q4	45,56	5,57
Всего	817,82	100	Всего	817,82	100