Расчет абсорбционной колонны в производстве неконцентрированной азотной кислоты ОАО «Череповецкий Азот»

в) рассчитаем содержание кислорода в воздухе

QO2 = QВxB/100%

2

Q_O2 = 17.69*20.95/100% = 3.7 м³/с

Тогда содержание N₂ в воздухе

Q_N2 = 17.69 – 3,7 = 13.99 м³/с

 

2. Рассчитаем объемы  газов после окисления аммиака  на катализаторе

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

где степень превращения NH₃ = 0,94, тогда количество прореагировавшего аммиака q_NH3 = 1.75*0.94 = 1.645 м³

на основании выражения  закона Гей-Люссака 

VA/VB = a/b

3

1,645/V_O2 = 4/5

V_O2 = 1,645*5/4 = 2,06 м³

V_NO = 1.645*4/4 = 1.645 м³

V_H2O = 1,645*6/4 = 2,47 м³

 

3. Рассчитаем объемы  газов после окисления NO до NO₂

суммарный выход NO₂ = 0,925

1,645*0,925 = 1,52

2NO + O₂ = 2NO₂

V_O2 = 1.52*1/2 = 0.76

V_NO2 = 1.52*2/2 = 1.52

 

Суммарное количество прореагировавшего  кислорода

2,06+0,76=2,82

Количество оставшегося  кислорода в смеси

3,7-2,82=0,88

Итоговое содержание газов в смеси

N₂ = 13.98

NH₃ = 0.105

O₂ = 0.88

NO = 0.152

NO₂ = 1.52

H₂O = 2.47

 

4. Пересчитаем объемный расход  смеси в массовый по уравнению  Менделеева-Клапейрона. Найдем плотности  каждого газа в смеси: 

 

G_N2 = 13.98*5.49=76.75 кг/с

G_O2 = 0.88*6.27=5.52 кг/с

G_NH3 = 0.105*3.33=0.35 кг/с

G_NO = 5.88*0.152=0.89 кг/с

G_NO2 = 1.52*9.02=13.71 кг/с

G_H2O = 2.47*3.53=8.72 кг/с

Общий массовый расход

G = 76.75+5.52+0.35+0.89+13.71+8.72=105.94 кг/с

 

Начальный состав смеси, кг/с.	Состав смеси газов  на входе в абсорбер, кг/с.
N2 = 76.75 O2 = 23.36 NH3 = 5.83	76.75 5.52 0.35 0.89 13.71 8.72
105.94	105.94

 

6.2 Материальный балланс  абсорбера.

Состав жидкой фазы на входе в абсорбер:

G_HNO3 – 5,38 кг/с

G_H2O – 19,5 кг/с – химически очищенная вода на орошение

Состав газовой фазы:

G_N2 –148,67 кг/с

G_O2 -9.41 кг/с

G_NH3 -0.35 кг/с

G_NO -0.89 кг/с

G_NO2 -13.71 кг/с

G_H2O- 22,3 кг/с

G_HNO3 –9,2 кг/с

Определим  процентное соотношение веществ, участвующих  в процессе:

 

Х_NO2=13,71/13,71+22,3+9,2 = 0,3 = 30 %

Х_H2O=22,3/13,71+22,3+9,2 = 0,49 = 49 %

Х_НNO3=9,2/13,71+22,3+9,2 = 0,21 = 21 %

 

Степень извлечения NO₂ из АВС составляет пракически 100 % тогда состав веществ на выходе из абсорбера:

 

G_N2 –148,67 кг/с

G_O2 -9.41 кг/с

G_NH3 -0.35 кг/с

G_NO -0.89 кг/с

G_NO2 –0,1 кг/с

G_H2O- 14,4 кг/с

G_HNO3 –35,2 кг/с

Определим  процентное соотношение веществ:

 

Х_NO2=0,1/0,1 + 28,2 + 14,4 = 0,001 = 0,1 %

Х_H2O=14,4/0,1 + 28,2 + 14,4 = 0,35 = 35 %

Х_НNO3=28,2/0,1 + 28,2 + 14,4 = 0,65 = 65 %

2 Скорость пара и диаметр  колонны

 

Расчёт скорости пара в колоннах с тарелками ситчатого  типа ведётся по формуле:

                                                   (4)

где ρ_х, ρ_у –плотности воды и газовой смеси соответственно при 20⁰С,кг/м³

м/с

Скорость газа должна составлять 90% от рассчитанного значения, поэтому оптимальная скорость:

м/с

Ориентировочный диаметр  колонны определяем из уравнения  расхода:

                                                                  (5)

м

Приняв стандартный  размер обечайки равным 1,8 м, уточним рабочую скорость пара:

                                                        (6)

м/с

По каталогу для колонны  диаметром 1800 мм выбираем ситчатую однопоточную тарелку типа ТС-Р2 со следующими конструктивными размерами:

• Диаметр колонны D, мм: 1800
• Свободное сечение колонны, м²: 2,54
• Рабочее сечение тарелки S_т : 1,64
• Периметр слива L_c, м: 1,52
• Сечение перелива F_сл, м²: 0,45
• Шаг между отверстиями t, мм: 10
• Относительное свободное сечение тарелки F_c, %: 13,2
• Диаметр отверстия d, мм: 4
• Относительная площадь перелива, %: 17,7
• Высота переливного потока h_пер, мм: 45
• Масса тарелки, кг: 96,5
• Расстояние между тарелками h, м: 0,5

 

Скорость газа в рабочем  сечении тарелки:

                                                        (7)

 

Скорость газа в отверстиях тарелки:

                                                          (8)

м/с

Проверим надёжность работы сливного устройства:

                                                (9)

где К₅=0,25 и n₂=0,65 – коэффициенты.

Условие соблюдается.

 

6.3 Высота колонны

6.3.1 Высота светлого  слоя жидкости на тарелке и газосодержание         барботажного слоя

 

Высоту светлого слоя жидкости для ситчатых тарелок можно  найти по уравнению:

                     (10)

где   h_пер – высота переливной перегородки, м;

ω_Т - скорость газа в рабочем сечении тарелки, м/с;

       , - поверхностное натяжение соответственно жидкости и воды при средней      температуре в колонне, мН/м;

       - вязкость жидкости, мПа*с;

  L – расход поглотителя, м³/с;

  L_c  - периметр слива, м;

        m=0,05-4,6_*h_пер=0,05-4,6*0,045= -0,157;

q=L/L_c=0,00297/1,52=0,00195 м³/(м*с)

 м  

Газосодержание барботажного слоя найдём по формуле:

                                                                      (11)

                                                                         (12)

где Fr – критерий Фруда;

       g=9,81 м/с²

 

6.3.2 Коэффициент массопередачи

 

Коэффициент диффузии в  жидкости D_x при 20 ° C:

                                           (13)

где А, В - коэффициенты, зависящие от свойств растворенного вещества и растворителя;

      m_х- вязкость жидкости при 20 °С, мПа*с;

      V_NО2 , V_В – мольные объёмы компонентов при температуре кипения, см³/моль. 

Получим:

м²/с

Коэффициент диффузии в  газе может быть вычислен по уравнению:

                                                       (14)

где D₀=0,198*10^-4 м²/с – коэффициент диффузии аммиака в воздухе при 0⁰С и атмосферном давлении.

D_y=0,198*10^-4*[(273+20)/273]^3/2=0,22*10^-4 м²/с

Находим коэффициенты массоотдачи  для паровой и жидкой фазы:

                                      (15)

                                    (16)

где ε- газосодержание барботажного слоя;

  μ_х, μ_у - вязкость жидкости и газовой смеси соответственно, мПа*с;

F_c – относительное свободное сечение тарелки, %;

   U – плотность орошения:

                                                                   (17)

где S – площадь поперечного сечения колонны, м².

м³/(м²*ч)

Вязкость газовой смеси  находится по формуле:

                                                                                 (18)

где М_у, М_NО2, М_В – молярные массы газовой смеси, аммиака, воды, кг/кмоль;

     μ_NH , μ_В – вязкость аммиака и воздуха при 20⁰С.

Молярную массу газовой смеси найдём по правилу аддитивности:

М_у=0,05*17+0,95*29=28,4 кг/кмоль

Тогда:

μ_у=0,0185*10^-3 Па*с

 м/с

 м/с

Пересчитаем коэффициенты массоотдачи на кг/(м²*с):

               

Коэффициент массопередачи  вычисляем по коэффициентам массоотдачи:

                                                    (19)

где     m -  коэффициент распределения компонента по фазам (тангенс угла наклона касательной, проведённой через точку к равновесной линии, т.е. ), равный 0,91.

 

5.2. Тепловой  баланс

 

1. В качестве хладагента  выступает вода, начальная температура  20⁰С, конечная 50⁰С. Для расчета поверхности теплообмена

Основное уравнение  теплового баланса

Q1 = Q2

20

где Q₁ – количество теплоты, отданной газами

Q₂ – количество теплоты, полученное водой

Q1 = Qг + Qвп

21

где Q_г – количество теплоты, отданное смесью нитрозных газов

Q_вп – количество теплоты, отданное водяным паром (ст

Q2 = Gгcг(tн – tк)

22

где c_г – средняя теплоемкость смеси газов

G_г – расход газов

t_н, t_к – начальная и конечная температуры, 165⁰С и 50⁰С соответственно

Gг = 105,94(8,72*0,94)=97,74 кг/с

23

 

2. Рассчитаем массовое содержание компонентов в смеси

24

 

 

 

3. Рассчитать удельную  теплоемкость смеси газов при  средней температуре

tср = (165+50)/2=107.50С

25

 

сг = сN2xN2 + cO2xO2 + cNH3xNH3 + cNOxNO + cNO2xNO2 + cH2OxH2O

26

с_г=29.2*0.785+29.35*0.056+35.6*0.004+37.5*0.14+29.9*0.009+33.58*0.006=31

с_г = 31.2*107.5=3.354

Q_г = 97.74*3.354*(165-50)=37 699.3 кВт

Q_вп = 8.2*4380*115=4130.3 кВт

Q = 37 699.3+4130.3=41 829.6 кВт

 

Приход	Расход
Qг=37 699.3 кВт Qвп=4130.3 кВт	Q=41 829.6 кВт
Q1=41 829.6 кВт	Q2=41 829.6 кВт

 

4. Расход воды определяем  из уравнения теплового баланса

27

 

5. Определение режима  движения теплоносителя в трубах

В соответствии с условием задания для расчета холодильника воду целесообразнее направить в трубное пространство, а газ в межтрубное.

Определяем по формуле, какое число труб диаметром 25х2 мм потребуется на один ход в трубном  пространстве при турбулентном режиме движения.

n=4G/(pdв2rwтр)

28

Принимаем по таблице  одноходовой кожухотрубный теплообменник  с диаметром кожуха d=1200 м и числом труб n_тр=1083.

 

6. Уточняем значение  критерия Рейнольдса