Химия \ Химическая технология неорганических веществ

Расчёт значений константы равновесия для интервала температур, страница 2

Окислилось NO: 2400ּ0,899 = 2157,6 нм3/ч.

Осталось NO: 2400 – 2157,6 = 242,4 нм3/ч.

Затратилось О2: 2157,6/2 = 1078,8нм3/ч.

Осталось О2: 3000 – 1078,8 = 1921,2 нм3/ч.

Образовалось NO2: 2157,6 нм3/ч.

10) Состав нитрозного газа на выходе в нм3/ч и в % об.:

Таблица 6.

Компонент

В нм3/ч

В % об.

NO

242,4

0,41

NO2

2157,6

3,66

O2

1921,2

3,26

N2

54600

92,67

Всего

58921,2

100,00

Задача 4

Составить материальный и тепловой баланс низкотемпературного конвертора СО производительностью по аммиаку 1200 т/сут. Расчет вести на 100 м3 сухого газа на входе.

Исходные данные:

Состав сухого газа на входе, % об.: Н2 – 60,41, N2 – 20,40, СО – 3,55, СО2 – 15,04, CH4 – 0,30, Ar – 0,30.

Объемное отношение на входе в реактор пар:сухой газ = 0,55.

Температура ПГС на входе в конвертор 225 оС.

Адиабатический разогрев смеси в результате конверсии равен 15 оС.

Соотношение между компонентами газа на выходе при условии достижения равновесия задается величиной константы равновесия реакции при температуре на выходе из реактора.

Давление газа на выходе 26 атм.

Потери тепла в окружающую среду принять равными 0,5% от прихода тепла.

Решение:

СО + Н2О ↔ СО2 + Н2.

Материальный и тепловой баланс решаются совместно. Неизвестной величиной является степень превращения оксида углерода (II), которую обозначим через a.

Условие теплового баланса:

Qприход = Qрасход.                                                                                                                         (12)

Уравнение теплового баланса:

Q1 + Q2 = Q3 + Q4,                                                                                                                      (13)

где Q1 – физическое тепло ПГС на входе в конвертор, кДж; Q2 – тепло экзотермической реакции конверсии СО, кДж; Q3 – физическое тепло ПГС на выходе из конвертора, кДж; Q4 – потери тепла в окружающую среду, кДж.

1) Q1 = Vвх·cвх·tвх,                                                                                                                            (14)

где Vвх – объем ПГС на входе, м3; cвх – средняя объемная теплоемкость ПГС при температуре на входе, кДж/(м3·К); tвх – температура на входе, оС.

Объем ПГС на входе: Vвх = Vсух.газ + Vпар = 100 + 55 = 155 м3.

Расчет средней теплоемкости ПГС при 225 оС (498 К):

Таблица 7.

Компонент

с, кДж/(м3·К)

Н2

1,291

N2

1,321

СО

1,327

СО2

1,874

СН4

1,840

Ar

0,928

Н2О

1,539

Рассчитываем среднюю теплоемкость ПГС по формуле (2):

= 1,4407 кДж/(м3·К).

Q1 = 155·1,4407·225 = 50244,4 кДж.

2) Q2 = Vp·q,                                                                                                                                     (15)

где Vр – объем фактически прореагировавшего СО, м3; q – теплота реакции, кДж/м3.

Объем фактически прореагировавшего СО выразим следующим образом:

Vp = a·VвхСО,                                                                                                                                               (16)

где a - степень превращения СО, доли ед.; VвхСО – объем СО на входе, м3.

Теплоту реакции (в кДж/кмоль) рассчитаем по формуле [1]:

q = 44650 – 6,03·Т – 1,67·10-4·Т2 + 0,351·10-6·Т3.                                                                                    (17)

Среднюю температуру в слое катализатора ориентировочно примем равной:

(498 + 513)/2 = 505,5 К.

Тогда по (17):

q = 44650 – 6,03·505,5 – 1,67·10-4·505,52 + 0,351·10-6·505,53 = 41605 кДж/кмоль.

Q2 = VвхСО·q·a = 3,55·41605/22,4·a = (6593,65·a) кДж.

3) Выразим Qприход

Qприход = Q1 + Q2 = (50244,4 + 6593,65·a) кДж.

4) Q3 = Vвых·cвых·tвых,                                                                                                                       (18)

где Vвых – объем ПГС на выходе, м3; cвых – средняя объемная теплоемкость ПГС при температуре на выходе, кДж/(м3·К); tвых – температура на выходе, оС.

Т.к. реакция конверсии СО протекает без изменения числа моль реагентов, то объемы ПГС на входе и на выходе равны. Обозначим их через V.

Объем ПГС на выходе: V = Vвых = Vвх = 155 м3.

Расчет средней теплоемкости ПГС при 240 оС (513 К):

Таблица 8.

Компонент

с, кДж/(м3·К)

Н2

1,291

N2

1,322

СО

1,329

СО2

1,885

СН4

1,860

Ar

0,928

Н2О

1,542

Выразим состав ПГС на выходе:

VвыхСО = VвхСО - a·VвхСО; VвыхН2О = VвхН2О - a·VвхСО; VвыхН2 = VвхН2 + a·VвхСО;

VвыхСО2 = VвхСО2 + a·VвхСО.

Выразим среднюю теплоемкость ПГС по формуле (2):

Q3 = 155·(1,443 + 0,00699·a)·240 = (53679,6 + 260,028·a) кДж.

5) Выразим Q4:

Q4 = (50244,4 + 6593,65·a)·0,005 = (251,22 + 32,968·a) кДж.

6) Выразим Qрасход:

Qрасход = Q3 + Q4 = 53679,6 + 260,028·a + 251,22 + 32,968·a = (53930,82 + 292,996·a) кДж.

7) Рассчитаем a, используя условие теплового баланса (12):

50244,4 + 6593,65·a = 53930,82 + 292,996·a

a = 0,585.

Тогда:

Q2 = 6593,65·0,585 = 3857,3 кДж.

Q3 = 53679,6 + 260,028·0,585 = 53831,7 кДж.

Q4 = 251,22 + 32,968·0,585 = 270,5 кДж.

Сведем полученные данные в таблицу теплового баланса.

Таблица 9.

Тепловой баланс конверсии СО второй ступени.

Приход тепла

Расход тепла

Поток тепла

кДж

%

Поток тепла

кДж

%

Физическое тепло газа на входе

50244,4

92,87

Физическое тепло газа на выходе

53831,7

99,50

Тепло реакции конверсии

3857,3

7,13

Потери тепла в окружающую среду

270,5

0,50

Всего

54101,7

100

Всего

54102,2

100

Таким образом, тепловой баланс выполняется.

8) Рассчитаем состав ПГС на выходе.

Прореагировало СО: 0,585·3,55 = 2,08 м3 СО.

Столько же м3 прореагировало Н2О; столько же м3 образовалось СО2 и Н2.

Осталось СО: 3,55 – 2,08 = 1,47 м3 СО.

Осталось Н2О: 55 – 2,08 = 52,92 м3 Н2О.

Стало СО2: 15,04 + 2,08 = 17,12 м3 СО2.

Стало Н2: 60,41 + 2,08 = 62,49 м3 Н2.

Составим таблицу материального баланса.

Таблица 10.

Материальный баланс конверсии СО второй ступени.

Приход

Расход

Компонент

Объем, м3

%

Компонент

Объем, м3

%

Н2

60,41

38,98

Н2

62,49

40,32

N2

20,40

13,16

N2

20,40

13,16

СО

3,55

2,29

СО

1,47

0,95

СО2

15,04

9,70

СО2

17,12

11,05

СН4

0,30

0,19

СН4

0,30

0,19

Ar

0,30

0,19

Ar

0,30

0,19

Н2О

55

35,49

Н2О

52,92

34,14

Всего

155

100

Всего

155

100

Таким образом, материальный баланс сходится.

 


Литература

1.  Расчеты по технологии неорганических веществ / Под ред. М.Е. Позина. – Л.: Химия, 1977. – 496 с.

2.  Расчеты по технологии неорганических веществ /Под ред. П.В. Дыбиной. – М.: Высшая школа, 1967. – 524 с.

3.  Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Кн.1: Учеб. пособие для вузов /Под ред. Т.Г. Ахметова. – М.: Высш. шк., 2002. – 688 с., Кн.2. – 533с.

4.  Краткий справочник физико-химических величин /Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономаревой. – СПб.: “Иван Федоров”, 2003. – 238 с.

5.  Справочник азотчика. – Кн. 1. – М.: Химия, 1986. – 512 с. Кн. 2. – М.: Химия, 1987. – 464 с.

6.  Технология связанного азота / Под ред. В.И. Атрощенко. – Киев: Вища школа, 1985. – 327 с.

7.  Производство аммиака / Под ред. В.П. Семенова. – М.: Химия, 1985. – 368 с.

8.  Курс технологии связанного азота. – М.: Химия, 1969.

Скачать файл