Материальный баланс холодильника-конденсатора

1. 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 %.

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
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
H2 O	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
+2Н2
О = 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
H2 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.)
HNO3	129,36	363,825	2,05	39,99
H2 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
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< /td>	2,842	1,28
N2	3540	4425,01	158,036	70,80	N2	3540,01	4425,01	158,04	71,06
H2 O	846,5	680,22	37,79	16,93	H2 O	102,592	82,44	4,58	2,06
H2 O 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 ni
– количество вещества исходных реагентов, кмоль/ч (материальный баланс);

ci
– средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж / (кмоль К);

tвх,
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
H2 O	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 nj
– количество вещества продуктов реакции, кг/ч, (материальный баланс); cj
– средняя удельная теплоемкость компонентов, кДж / (кмоль К);

tкон,
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
H2 O	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