Производство азотной кислоты

Аварийные противогазы хранятся в аварийных шкафах.

2. Расчетная часть

Исходные данные для материального расчета:

Производительность цеха - 190000 т \ год по моногидрату

Производительность агрегата - 45000 т \год

Концентрация продукционной азотной кислоты (ОСТ 113-03-270-90):

Азотная кислота - 50%

Вода - 50%

Аммиак (ГОСТ 6221-90):

Содержание аммиака, % об. - не менее 99,6 %

Вода - 0,4 %

Степень окисления аммиака - 0,97 %

Степень абсорбции - 0,99 %

Степень использования оборудования - 0,965

Состав аммиачно-воздушной смеси (материальный баланс действующего производства), % (об.):

Аммиак - 11,1

Кислород - 17,9

Азот - 67,8

Вода - 3,2

2.1 Предварительный расчет

2.1.1 Рассчитываем часовую производительность

Пч = П \ 24 * 0,965 * 365 (1.1)

Где П - производительность цеха, т\год;

24 - часов в сутки;

0,965 - коэффициент использования оборудования;

365 - дней в году.

Пч = 190000 \ 24 * 0,965 * 365 = 22,475 т\час = 22475 кг\час

При средней производительности одного агрегата 45000 т\год моногидрата азотной кислоты, количество установок в проектируемом цехе составит:

N = Пч \ Пагр (1.2)

Где Пч - часовая производительность цеха, т\час;

Пагр - средняя произволительность одного агрегата, т\час;

N = 22,475 \ 5,130 = 4,38

Принимаем количество 5 агрегатов.

Для обеспечения заданной производительности нужно взять 5 установок, тогда по моногидрату на 1 установку составит:

П = Пч \ N (1.3)

П = 22,47 \ 5 = 4,5 т\час или 4500 \ 63 = 71,42 кмоль

Где 63 - молекулярная масса азотной кислоты.

2.2 Расчет материального баланса на 1 агрегат в час

Определяем теоретическое количество аммиака, необходимого для получения 4,5 т\час моногидрата азотной кислоты по реакции:

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (1)

Так как на получение 1 моль моногидрата азотной кислоты расходуется 1 моль аммиака, то для получения 71,42 кмоль моногидрата соответственно необходимо 71,42 кмоль аммиака.

Расход аммиака с учетом степени окисления и абсорбции окислов азота составит:

С1NH3 = П \ 0,97 * 0,99 (2.1)

Где П - нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кмоль\час;

0,97 - степень окисления аммиака (дольные единицы);

0,99 - степень абсорбции (дольные единицы);

С1NH3 = 5,130 \ 0,97 * 0,99 = 5,342 кг или 5342,08 \ 17 = 314,23 кмоль

Определяем расход сухого воздуха при содержании аммиака в АВС 10,3 % об.

314,23 кмоль аммиака соответствует 10,3 % об.

Х кмоль воздуха соответствует 89,7 % об.

Х1 = 2736,54 кмоль\час воздуха.

Количество водяных паров, вносимых потоком воздуха при среднем содержании 0,2 % об.

2736,54 кмоль воздуха - 98,2 % об.

Х кмоль воды - 0,2 % об.

Х2 = 5,57 кмоль\час водяных паров.

Количество кислорода, поступающего в систему вместе с потоком воздуха.

С1О2 = х1 * 0,21 (2.2)

Где х1 - расход сухого воздуха;

0,21 - содержание кислорода в воздухе.

С1О2 = 2736,54 * 0,21 = 574,67 кмоль \ час

Количество азота, поступающего в систему с потоком воздуха.

С1N2 = х1 * 0,79 (2.3)

Где 0,79 - содержание азота в воздухе.

С1N2 = 2736,54 * 0,79 = 2161,86 кмоль \ час

Таблица 7 - Приход АВС в контактный аппарат.

Компонент	Кмоль	% об.	Кг	% вес.
Аммиак	314,23	10,27	5342,08	6,33
Кислород	574,67	18,80	18389,44	21,80
Азот	2161,86	70,73	60532,08	71,75
Вода	5,57	0,20	100,26	0,12
Итого:	3056,33	100	84363,86	100

Состав после окисления аммиака в соответствии с принятой степенью конверсии 97 % рассчитываем по следующим реакциям:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (2)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O (3)

Определяем количество оксида азота, образовавшегося по реакции (2) в час:

С1NO = С1NH3 * K1 (2.4)

С1NO = 314.23 * 0.97 = 304.803 кмоль \ час

Определяем количество инертного азота, образующегося по реакции (3) в час:

С2N2 = С1NH3 - С1NO \ 2 (2.5)

Где С1NH3 - расход аммиака;

С1NO - количество оксида азота.

С2N2 = 314,23 - 304,803 \ 2 = 4,71 кмоль\ час

Всего инертного газа в газовой смеси после окисления аммиака

С1N2общ = С1N2 + C2N2 (2.6)

Где С1N2 - количество азота;

C2N2 - количество инертного азота.

С1N2общ = 2161,86 + 4,71 = 2166,57 кмоль\час

Образующаяся вода по реакциям, которая находится в паровом состоянии:

8 моль аммиака образуют 12 моль воды

314,23 кмоль аммиака образуют х кмоль воды

Х3 = 471,34 кмоль\час

Определяем количество водяных паров, образовавшихся после окисления аммиака:

С(Н2О)общ. = х1 + х3 (2.7)

С(Н2О)общ. = 5,57 + 471,34 = 476,91 кмоль\час

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксидов азота по реакции (2) в час:

4 моль аммиака требуют 5 моль кислорода

314,23 кмоль аммиака требуют х кмоль кислорода.

Х4 = 392,78 кмоль \ час кислорода.

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксида азота по реакции (3) принимаем 4 % от общего кислорода.

С(О2 - N2) = 0.75 * С1NH3 (1 - ?К) (2.8)

С(О2 - N2) = 0,75 * 5342,08 * 0,025 = 3,13 кмоль \ час

Общий расход кислорода составит:

С(О2)общ = х4 + С(О2 - N2) (2,9)

С(О2)общ = 392,78 + 3,13 = 395,91 кмоль \ час

Определяем, сколько остается кислорода в газовой смеси после окисления аммиака:

СОСТ. = С1 О2 - С(О2)общ (2.10)

СОСТ. = 574,67 - 395,91 = 178,76 кмоль \ час

Таблица 8 - Расход из контактного аппарата

Компонент	Кмоль	% об.	Кг	% вес.
Аммиак	304,803	9,74	9144,09	10,87
Кислород	178,76	5,71	5720,32	6,80
Азот	2166,57	69,28	60663,96	72,12
Вода	476,91	15,25	8584,38	10,21
Итого:	3127,043	100	84112,75	100

2.3 Тепловой расчет

Определяем приход тепла по реакциям

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 908 кДж (4)

4NH3 + 3О2 = 2NO3 + 6H2O + 1270кДж (5)

Q1 = QP * ПЧАС \ 4 * 10613, 3 (3.1)

Где QP - тепло в реакции,

ПЧАС - производительность часовая,

4 - коэффициент по реакции.

Q1 = 908 * 22,47 \ 4 * 10613,3 = 54135153 кДж = 5,4 * 107 кДж

Q2 = 1270 * 22,47 \ 2 * 219 = 3124790,6 кДж = 3,1 * 106 кДж

Определяем приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат.

Q3 = m * c * tX (3.2)

Где: m - количество поступающей аммиачно-воздушной смеси, кмоль,

с - средние мольные теплоемкости компонентов смеси в пределах от 0 до 250 ?С, они составляют:

38,5 Дж для аммиака,

30,2 Дж для кислорода,

29,2 Дж для азота.

tX - температура смеси, ?С.

Q3 = (38,5 * 314,23 + 30,2 * 574,67 + 29,2 * 2161,86) tX = 9,2 * 104 tX кДж

Определяем расход тепла с уходящими от сеток нитрозными газами при температуре конверсии 900 ?С.

Q4 = (31,9 * 304,803 + 32,6 * 178,76 + 29,2 * 2166,57) * 900 = 7,09 * 107 кДж

Потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток, составляет:

Q5 = 0, 05 * Q4 (3.3)

Q5 = 0,05 * 7,09 * 107 = 3,54 * 106 кДж

Исходя из количества поступающего и расходуемого тепла можно определить температуру tX аммиачно-воздушной смеси, поступающей в конвертор.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (3.4)

Где Q1 - приход тепла по реакции (4),

Q2 - приход тепла по реакции (5),

Q3 - приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат,

Q4 - расход тепла с уходящими от сеток газами,

Q5 - потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток.

Q = 5,4 * 107 + 3,1 * 106 + 9,2 * 104 + 7,09 * 107 + 3,54 * 106 = 13179,17 * 104 = 1,3 * 108 кДж

tX = Q + q \ mНГ * сНГ (3.5)

где: q - тепло с аммиачно-воздушной смесью,

mНГ - количество нитрозных газов,

сНГ - средняя теплоемкость нитрозных газов (1,223 кДж \ кг * град)

tX = 1,3 * 108 + 9,2 * 104 \ 84112,75 * 1,223 = 128,2 ?С.

Котел-утилизатор

В данном случае тепло газа расходуется на получение пара, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

Q = (W - W0) *св * (t2K - t2H) + W0 (J - св * t2H ) (3.6)

Где W - количество подаваемой на орошение воды, кг \ с;

Св - удельная теплоемкость воды, Дж \ кг ?С;

t2K - конечная температура питательной воды, ?С;

t2H - начальная температура питательной воды, ?С;

W0 - количество испарившейся воды, кг \ с.

W0 = В * F0 (x “ - x) (3.7)

Где В - коэффициент испарения, кг \ м2 к;

F0 - площадь испарения, м2;

x “ - влагосодержание пара в месте соприкосновения его с водой;

х - влагосодержание пара в газообразном объеме, кг.

Площадь испарения определяем из уравнения:

F = 2 * 420 = 840 м2

W0 = 200 *840 (0,89 - 0,76) = 21840 кг \ ч = 6,06 кг \ с

Q = (6,9 - 6,06) 4190 (247 - 140) + 6,06 (694300 - 4190 * 140) = 276064,8 Вт

То есть для испарения 6,06 кг воды за 1 секунду требуется от нитрозного газа отнять количество теплоты в размере 276064,8 Вт.

2.4 Конструктивный расчет

2.4.1 Контактный аппарат

Время конверсии ? при температуре окисления аммиака 900 ?С можно определить по уравнению

Lg = - 107 * k1 + 7.02 * 10-6 * k3 (4.1)

Где k1 = 0,97 - степень конверсии аммиака;

Lg = - 107 * 97 + 7,02 - 10-6 * 973 = 1,06 * 10-4 сек

Площадь сечения конвертора будет равна

S=100*?*V0*TK*PH\1,1* m * d * PK * 273 (1 - 1.57 * den) (4.2)

Где: ? - время конверсии, сек;

V0 - объем аммиачно-воздушой смеси при 0 ?С;

TK - температура конверсии, 900 + 273 = 1197 К;

PH - начальное давление, 9,8 * 104 н \ м3;

m - количество сеток;

d - диаметр проволоки сеток, 0,009 мм;

PK - давление газа при конверсии, 73 * 104 н\м;

n - число плетений на 1 см2, 1024 штук.

V0 = m * V \ 360 (4.3)

Где: m - масса аммиачно-воздушной смеси, кг;

V - объем при нормальных условиях.

V0 = 84112,75 * 22,4 / 360 = 5233,68 кг \ час

S = 100 * 1,06 * 10-4 * 5233,68 * 1173 * 980 \ 1,1 * 18 * 0,09 * 73 * 273 (1* * 1,57 * 0,009 * e1024) = 3,31 м 2

2.4.2 Котел-утилизатор

Сечение трубчатки

S1 = \ 4 * dВ2 * n (4.4)

Где: dВ - внутренний диаметр трубок, м;

n - количество трубок, шт.

S1 = 3,14 \ 4 * 0,0512 * 480 = 0,98 м2

Сечение межтрубного пространства

S2 = 3,93 * S1 (4.5)

Где: 3,93 - отношение межтрубного сечения к сечению трубчатки.

S2 = 3,93 * 0,98 = 3,8 м2

Сечение, занято стенками трубок.

S3 = \ 4 * (dH2 - dВ2) * n (4.6)

Где: dH - наружный диаметр трубок.

S3 = 3,14 \ 4 * (0,0572 - 0,0512) * 480 = 0,24 м2

Сечение кожуха трубчатки по внутреннему диаметру.

S4 = S1 + S2 + S3 (4.7)

Где: S1 - сечение трубчатки, м;

S2 - сечение межтрубного пространства, м;

S3 - сечение, занятое стенками трубок, м.

S4 = 0,98 + 3,8 + 0,24 = 5,02 м2

Определяем диаметр кожуха

D = e(4 * S4 \) (4.8)

D = e(4 * 5.02 \ 3.14) = 2.5 м

Приведенный диаметр трубчатки определяем по уравнению

ПР = 4 * S1 \ П (4.9)

Где: П - смоченный периметр, м.

ПР = 4 * 0,98 \ 76,8 = 0,05

Смоченный периметр определяем по уравнению:

П = * dВ * n (4.10)

П = 3,14 * 0,051 * 480 = 76,8

Определяем длину трубок

L = F \ * dH * n * z (4.11)

Где: F - площадь теплообменника, м2;

Z - число ходов.

L = 840 \ 3.14 * 0.057 * 480 * 2 = 4,8 м = 4800 мм

Принимаем стандартную длину трубок 6000 мм.

Определяем диаметр штуцеров для подачи питательной воды.

Скорость воды принимаем равную 1 м \ сек.

dW1 = e(4 * G \ * W2 * ) (4.12)

Где: G - расход воды, кг \ сек;

W - скорость движения питательной воды в штуцере, м \ сек;

- плотность питательной воды.

dW1 = e(4 * 36,9 \ 3,14 * 12 * 1000) = 0,093 м или 93 мм

Принимаем стандартное значение равное 100 мм.

Определяем диаметр штуцера для отвода пара. Скорость пара в штуцерах принимаем равным 10 м \ сек.

dW2 = e(4 * G \ * W2 * ) (4.13)

dW2 = e(4 * 6,9 \ 3,14 * 102 * 1000) = 359 мм

Принимаем стандартное значение, равное 450 мм.

Определяем диаметр штуцера для ввода нитрозных газов

dW3 = e(4 * G \ * W2) (4.14)

dW3 = e(4 * 23.3 \ 82 * 1.4 * 3.14) = 589 мм

Диаметр штуцера для отвода нитрозных газов следует принять равным диаметру входного штуцера, то есть 600 мм, так как количество нитрозного газа, входящего в котел-утилизатор, равно количеству нитрозного газа, выходящего из него.

2.5 Расчет расходных коэффициентов

Определяем расчетный коэффициент по аммиаку на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(NH3) \ G(HNO3) (5.1)

Где: G(NH3) - количество аммиака, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час;

G(HNO3) - нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кг \ час.

5342,08 \ 4,5 = 1187,12 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по кислороду на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(O2)\G(HNO3) (5.2)

Где: G(O2) - количество кислорода, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

18389,44 \ 4,5 = 4086,54 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по азоту на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(N2)\G(HNO3) (5.3)

Где: G(N2) - количество азота, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

60532,08\ 4,5 = 13451,57 кг \ час.

Заключение

В данном курсовом проекте было рассмотрено производство слабой азотной кислоты комбинированным методом с детальной разработкой котла-утилизатора.

Параметры рассчитанного котла-утилизатора:

Диаметр - 2500 мм

Высота - 5750 мм

Поверхность теплообмена - 840 м2

Длина трубок - 6000 мм

Диаметр штуцера для отвода пара - 450 мм

Диаметр штуцера для подачи питательной воды - 100 мм

Диаметр штуцера для ввода нитрозных газов - 600 мм

Список использованных источников

1) Дыбина П.В., Вишняк Ю.Л., Соловьева А.С. «Расчеты по технологии неорганических веществ» - М. Химия, 1987 г.

2) Мельников Е.Я. «Справочник азотчика» - М.: Химия, 1987 г.

3) Мельников Е.Я., Салтынова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. «Технология неорганических веществ и минеральных удобрений» - М.: Химия, 1983 г.

4) Шкатов Е.Ф., Шувалов В.В. «Основы автоматизации технологических процессов химических производств» - М.: Химия, 1988 г.