Расчет материального баланса

Блок-схема

Воздух

NO, O2, N2, H2O

NH3 + возд.

NH3

Воздух

H20

HNO3

Выхл. газы

СH4

Рис. Структурная блок-схема производства азотной кислоты:

1 – блок подготовки сырья; 2 – блок окисления аммиака; 3 – блок абсорбции нитрозных газов.

Условно постоянная информация для расчета

№	Содержание информации	Условное обозначение	Единица измерения	Принятое значение
	Содержание NH3 в АВС		% об.	9,4
	Степень превращения NH3 в NO	c1	%
	Степень переработки НГ в HNO3	c2	%
	Концентрация HNO3		% масс.
	Содержание O2 в выхлопных газах		% об.	3,0
	Содержание H2O в выхлопных газах		% об.	2,6
	Базис расчета, кг HNO3 в продукте	П	кг

G – масса потока;

V – объём потока;

N – количество молей потока;

g – доля компонентов в потоке: нижний индекс номер потока; верхний – компонент.

Составы потоков

№ потока	Индекс потока	Ед. измер.	Содержание компонентов
NH3	O2	N2	NO	H2O	HNO3
		кмоль	100%
		кмоль		21%	79%
		кмоль	9,4%	19,0%	71,5%
		кмоль		кмоль	кмоль	кмоль	кмоль
		кмоль					кмоль
		кмоль		кмоль	кмоль
		кг					44%	59%
		кмоль		3,0%	кмоль	кмоль	2,6%

Балансовая математическая модель

Составление системы уравнений

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + ΔH₁

2NO + O₂ 2NO₂ + ΔH₂

2NO + 1,5O₂ + H₂O = 2HNO₃ + ΔH₃

СН₄ + 4NO = CO₂ + 2N₂ + 2H₂O

Уравнения для блока контактирования:

По оксиду азота:

По азоту:

По кислороду:

По воде:

Уравнения для блока абсорбции:

По оксиду азота:

По воде:

По кислороду:

Уравнение для потока выхлопных газов:

По метану:

Подготовка системы для решения на ЭВМ

Соответствие переменных потокам

Наименование потока	Условное обозначение	xi	Размерность	Значение по расчету
АВС	N12	x1	кмоль
Оксид азота в потоке 23		x2	кмоль
Азот в потоке 23		x3	кмоль
Кислород в потоке 23		x4	кмоль
Вода в потоке 23		x5	кмоль
Вода в блок 3	N030	х6	кмоль
Выхлопные газы	N40	х7	кмоль
Воздух в блок 3	N031	х8	кмоль
Метан в блок 4	N04	x9	кмоль

Матрица коэффициентов

№ ур-я	ai при xi	Свободный член bi
х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8	х9
	0,09	–1
	0,717		–1
	0,186	–1,25		–1
	–0,14
										47,62
		-0,01					–0,025			154,76
							–0,030	0,21		35,71
		–0,03	–1				0,945	-0,79
		-0,005

Обратная матрица
11,11	0,00	0,00	0,00	11,11	0,00	0,00	0,00	0,00
0,00	0,00	0,00	0,00	1,00	0,00	0,00	0,00	0,00
7,97	-1,00	0,00	0,00	7,97	0,00	0,00	0,00	0,00
2,07	0,00	-1,00	0,00	0,82	0,00	0,00	0,00	0,00
1,56	0,00	0,00	1,00	1,56	0,00	0,00	0,00	0,00
-1,55	-0,03	0,11	-1,00	-1,40	1,00	0,11	0,03	0,00
0,23	-1,20	4,52	0,00	5,91	0,00	4,52	1,20	0,00
-9,81	-0,17	5,41	0,00	-3,05	0,00	5,41	0,17	0,00
0,00	0,00	0,00	0,00	0,03	0,00	0,00	0,00	1,00

х1	+
х2	+
х3	+
х4	+
х5	+
х6	+
х7	443,2
х8	+
x9	+

х1	+
х2	+
х3	+
х4	+
х5	+
х6	+
х7	443,2
х8	+
x9	+

Материальный баланс ХТС

Расчет

1.Введено

N(NH₃) =N₁₂ ∙ = 529,1 ∙ 0,094 =49,74 кмоль

m (NH₃) = N(NH₃) ∙ M(NH₃) = 49,74 ∙ 17 = 845,58 кг

N(N₂) = N₁₂ ∙ (1 - ) ∙ 0,79 = 529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,79 = 378,7 кмоль

m (N₂) = N(N₂) ∙ M(N₂) = 378,7 ∙ 28 = 10603,6 кг

N(O₂) = N₁₂ ∙ (1 - ) ∙ 0,21 = 529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,21 = 100,7 кмоль

m (O₂) = N(O₂) ∙ M(O₂) = 100,7 ∙ 32 = 3222,4 кг

m (возд.) = m (O₂) + m (N₂) = 3222,4 + 10603,6 = 13826 кг

2. Получено

m (HNO₃)₅₆ = 1500 кг (по условию)

m (HNO3) = m (HNO₃)₅₆ ∙ С_HNO3 = 1500 ∙ 0,56 = 840 кг

m (H_2­O)­ = m (HNO₃)₅₆ - m (HNO₃) = 1500 – 840 = 660 кг

N(H₂O)_ВГ = N₄₀ ∙ = 443,2 ∙ 0,026 = 11,52 кмоль

m (H₂O)_ВГ = N(H₂O)_возд. ∙ М(H₂O) = 11,52 ∙ 18 = 207,36 кг

N(NO)_ВГ = N^NO₂₃ ∙ (1 - χ₂) = 47,6 ∙ (1 – 0,95) = 2,38 кмоль

m (NO)_BГ = N(NO)_ВГ ∙ М(NO) = 2,38 ∙ 30 = 71,4 кг

N(O₂)_ВГ = N₄₀ ∙ = 443,2 ∙ 0,03 = 13,3 кмоль

m (O₂)_ВГ = N(O₂)_ВГ ∙ M(O₂) = 13,3 ∙ 32 = 426 кг

N(N₂)_ВГ = N₁₂ ∙ (1 - ) ∙ 0,79 + N₁₂ ∙ ∙ (1 - χ₂) =

=529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,79 + 529,1 ∙ 0,094 ∙ (1 – 0,95) = 379,9 кмоль

m (N₂)_ВГ = N(N₂)_ВГ ∙ M (N₂) = 379,9 ∙ 28 = 10637,2 кг

Материальный баланс химико-технологической системы производства азотной кислоты на 1500 кг

Введено	Получено
Статья прихода	Масса, кг	%	Статья расхода	Масса, кг	%
Аммиак	845,58	5,7	56% -я азотная к-та:
Воздух:			Азотная кислота		11,8
Кислород	3222,4	21,7	Вода		9,3
Азот	10603,6	71,3	Выхлопные газы:	11271,86
Вода	207,36	1,4	Оксид азота	28,5	0,2
			Азот		74,4
			Кислород		3,0
			Вода	207,36	1,5
Всего:	14878,94		Всего:	14271,86

Невязка: 14878,94 – 14271,86 = 607,08кг

Расчет основных технологических показателей процесса

Расходные коэффициенты по сырью (аммиаку):

· Теоретический расходный коэффициент:

· Практический расходный коэффициент:

γ =

Конверсия аммиака.

(по условию).

Выход.

h =

Селективность.

φ = 96,2 %,поскольку степень превращения равна 100%.

Выводы

Исключительное значение азотной кислоты для многих отраслей народного хозяйства и оборонной техники и большие объемы производства обусловили интенсивную разработку эффективных и экономически выгодных направлений совершенствования азотнокислотного производства. К таким направлениям относятся:

— создание систем высокой единичной мощности (до 400 тыс. т/год), работающих по комбинированной схеме;

— разработка высокоактивных избирательно действующих неплатиновых катализаторов окисления аммиака;

— возможно более полное использование энергии сжатых отходящих газов и низкопотенциальной теплоты процессов путем создания полностью автономных энерготехнологических схем;

— создание замкнутого оборота охлаждающей воды;

— решение проблемы очистки отходящих газов с утилизацией оксидов азота путем внедрения адсорбционно-десорбционного метода очистки на силикагеле и цеолитах;

— возможно более полное удаление остатков оксидов азота из отходящих газов с использованием в качестве восстановителей горючих газов и аммиака.

Список использованной литературы

1. Общая химическая технология: Учеб. для вузов/А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен - 3-е изд., перераб. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 528 с.;

2. Соколов Р.С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – Т. 1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. – 368 с.;

3. Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Егорова Е.В. Расчет материального баланса химико-технологических систем интегральным метод +ом. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2007. - 30 с.;

Сборник заданий и методических указаний по расчету материального баланса химико-технологических производств. Учебно-методическое пособие. /Авт: Брук Л.Г., Егорова Е.В., Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Смирнова С.Н., Чабан Н.Г., Шварц А.Л. Под ред. Брука Л.Г., Кононовой Г.Н., Сафонова В.В. Изд. 3-е, перераб. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008. – 72 с.