Характеристика исходного сырья 3 Характеристика целевого продукта 4

• Название: Характеристика исходного сырья 3 Характеристика целевого продукта 4
• Дата: 25.03.2022
• Размер: 322.42 Kb.
• Имя файла: HNO3.docx
• Тип: Документы; #416323

Оглавление

Введение 2

Характеристика исходного сырья 3

Характеристика целевого продукта 4

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства 5

Описание технологической схемы процесса 10

10

Расчет основных технологических показателей процесса 19

Список использованной литературы 20

Введение

Азотная кислота – сильная одноосновная минеральная кислота, одна из важнейших во всех областях науки и промышленности. Очень сильный окислитель. Вещество широко применяется для изготовления многих продуктов, используемых в промышленности, сельском хозяйстве, военном деле и ракетно-космической отрасли. Например, для производства синтетических красителей, добычи меди и сопутствующих металлов из руды, взрывчатых и отравляющих веществ, нитролаков, ракетных топлив, пластических масс, лекарственных препаратов и многих других. Крупная её часть расходуется на получение азотных удобрений. Наиболее широкий спектр применения приходится на органический синтез.

По объемам производства, в химической промышленности она занимает второе место после серной. Вследствие слабо развитой промышленности, а так же агрессивной внешней политики, на протяжении последних четырёх лет в России наблюдается спад производства моногидрата концентрированной азотной кислоты. В 2018 году было произведено 98 890 тонн, что на 13% ниже объема производства предыдущего года. При этом предпосылки к увеличению масштабов производства отсутствуют. Лидером производства (в тоннах) от общего произведенного объема за 2018 год стал Центральный федеральный округ с долей около 23,4%. Весьма перспективным является заключение контрактов на крупные поставки азотной кислоты в крупные развивающиеся страны, такие как Китай или Индия.

Характеристика исходного сырья

Сырьем для получения азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода. В настоящее время основную массу кислоты производят из синтетического аммиака, получаемого конверсией природного газа.

Аммиак, поступающий из цеха синтеза, так или иначе, загрязнен различными примесями. Таковыми являются катализаторная пыль и пары компрессорного масла. Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка предполагает фильтрование через матерчатые и керамические (поролитовые) фильтры, а так же промывку жидким аммиаком в скрубберах. Таким образом, в контактный аппарат поступает чистый газообразный аммиак.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на некотором отдалении от территории предприятия. От механических примесей он очищается при помощи орошаемых водой скрубберов, после которых расположены многоступенчатые матерчатые фильтры. Однако, при выборе места забора воздуха следует учитывать, что последний может содержать газообразные примеси, такие как: различные углеводороды, летучие тиосоединения, угарный газ, радиоактивные вещества, в т.ч. особое внимание стоит обратить на радон. Всё это может привести к отравлению или перегреву катализатора, порче оборудования. Наличие же радиоактивных изотопов в поступающем воздухе может привести к загрязнению оборудования и причинить персоналу предприятия серьёзный вред.

Вода, применяемая для абсорбции нитрозных газов, подвергается специальной подготовке. От крупных фракций механических примесей её очищают путём отстаивания. Далее она подвергается многоступенчатому фильтрованию. После, для очистки от растворённых в ней солей, воду подвергают дистилляции. Для получения реактивной азотной кислоты, требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей.

Характеристика целевого продукта

Безводная азотная кислота представляет собой тяжелую, бесцветную (чаще желтоватую) жидкость, дымящую на воздухе. Её плотность 1,513 г/см²; Температура плавления -41,59°С; Температура кипения 82,6 °C¹.

С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях, образуя азеотропную смесь с массовой долей кислоты в ней 68,4% и температурой кипения 120,7 °C. Выделение теплоты при разбавлении азотной кислоты водой свидетельствует об образовании гидратов (HNO₃xH₂O)

При нагревании, а так же при облучении светом, кислота частично разлагается по реакции:

4HNO₃ → 4NO₂ + 2H₂O + O₂

Выделяющийся диоксид азота, растворяясь в кислоте, окрашивает её в желтый или бурый (в зависимости от количества NO₂) цвет.

Азотная кислота – сильный окислитель. Золото, некоторые металлы платиновой группы и тантал инертны к азотной кислоте во всём диапазоне концентраций, остальные металлы реагируют с ней. При этом ход реакции и выделяющиеся газообразные продукты зависят от её концентрации. Железо, кобальт, никель, марганец, бериллий, алюминий и хром холодной концентрированной азотной кислотой пассивируются.

Некоторые органические соединения самовоспламеняются при контакте с концентрированной азотной кислотой. Белки денатурируются и нитруются, образуя составы, окрашенные в жёлтый цвет.

Для человека азотная кислота является ядом. Её пары вызывают раздражение дыхательных путей, а сама кислота оставляет на коже язвы. ПДК для азотной кислоты в воздухе рабочей зоны по NO₂ 2 мг/м³.

Полученный продукт должен соответствовать требованиям

ГОСТ 4461-77 - «Реактивы. Кислота азотная. Технические условия».

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Различают производство разбавленной азотной кислоты и производство концентрированной азотной кислоты. Два этих варианта отличаются на уровне химической концепции.

Концентрированная азотная кислота получается посредством прямого синтеза из жидких оксидов азота, воды и газообразного кислорода. Процесс протекает в одну стадию по реакции:

2N₂O₄ + O₂ + 2H₂O → 4HNO₃

Равновесие реакции смещено в сторону образования продукта (азотной кислоты), ∆G<0, а следовательно и К_р>0.

Для получения димера оксида азота(IV), как и в производстве разбавленной кислоты, используется стадия окисления аммиака. Во время неё получается оксид азота (II), далее окисляющийся до NO₂. Стопроцентный оксид азота (IV) при атмосферном давлении и комнатной температуре полностью переходит в жидкое состояние, но на выходе из контактного аппарата его содержание в газовой смеси всего около 11%. Перевести NO₂ такой концентрации в жидкое состояние при атмосферном давлении и адекватной для процесса температуре невозможно, вследствие чего появляется необходимость использования сильно повышенного давления (около 5 МПа). Использование такого высокого давления сильно снижает производительность установки, что негативно сказывается на экономичности процесса, вплоть до его убыточности.

В данной работе будет рассматриваться комбинированный процесс получения разбавленной азотной кислоты, т.к. именно она пользуется гораздо бóльшим спросом в промышленности и хозяйстве, имея более широкий спектр применения, нежели концентрированная.

Предлагаемый технологический процесс включает в себя три стадии:

1. 
   Каталитическое окисление аммиака кислородом воздуха до оксида
   

азота (II).

2. 
   Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV).
   
3. 
   Абсорбция образовавшихся нитрозных газов водой.
   

В контактном аппарате протекает множество реакций, основными из которых являются (1) и (2). Наряду с основной реакцией (1) окисления аммиака до оксида азота (II), происходит окисление аммиака до элементарного азота (2).

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (1)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O (2)

Реакция (1) является целевой, а реакция (2) – побочной. Помимо этого, оксид азота (II) частично окисляется непрореагировавшим кислородом по реакции (3):

2NO + O₂ ↔ 2NO₂ (3)

После контактного аппарата, нитрозные газы направляются в абсорбционную колонну. Туда же подаются вода и воздух. Химические процессы, протекающие в колонне, могут быть описаны суммарным уравнением (4):

2NO + 1,5O₂ + H₂O = 2HNO₃ (4)

Газы, покидающие колонну, содержат некоторое остаточное количество оксидов азота, из чего следует необходимость их отправки на очистку в реактор каталитического восстановления. Данный процесс обеспечивает экологичность производства. Восстановление описывается суммарным уравнением (5):

CH₄ + 2NO = CO₂ + N₂ + 2H₂O (5)

Суммарная же реакция всего процесса получения азотной кислоты имеет следующий вид:

NH₃ + 2O₂ → HNO₃ + H₂O

Стадия окисления аммиака, во многом, определяет показатели всего производства азотной кислоты: от условий и качества ее проведения зависят расходные коэффициенты по аммиаку, платиновым металлам и энергии, т.е. основные показатели, влияющие на экономику процесса. Процесс окисления аммиака – сложный, необратимый, каталитический и гетерогенный. Следовательно, он может с одинаковой вероятностью протекать как с образованием оксида азота (II), так и с образованием молекулярного азота и оксида азота (I). В данном случае определяющими факторами являются активность и селективность используемого катализатора, а так же оптимизация технологических условий процесса.

Реакции (1) и (2) обладают очень высокими значениями констант равновесия (значительно больше 100), из чего следует, что они необратимы. Таким образом, в широком диапазоне изменения температуры исходное вещество превращается нацело. Очевидно, т.к. процесс сложный, то выбор условий проведения процесса определяется необходимостью направить взаимодействие исходных веществ по пути образования оксида азота(II). Учитывая необратимость рассматриваемых реакций, этого можно достичь лишь путём создания таких условий, при которых скорость протекания основной реакции будет значительно выше скорости протекания побочных.

Окисление аммиака в газовой фазе при высоких температурах в отсутствие катализатора протекает преимущественно с образованием азота по реакции (2). Для реализации реакции (1), необходим селективный катализатор, на котором будет активно адсорбироваться кислород. В данном процессе используют 2 катализатора. Первый представляет собой сборку платиново-родиевых сеток, на которых происходит окисление аммиака. Второй, предназначенный для окисления нитрозных газов, представляет собой набивку из оксидов железа и хрома. Примечательно, что на сетчатом катализаторе оптимальное время контактирования имеет порядок 10^-4 с (рис. 1 приложения), а на оксидном – в 100 раз больше.

Оксид азота (II) образуется при взаимодействии молекул аммиака с кислородом, адсорбированным на активных центрах катализатора. Реакция окисления аммиака до азота (2), при отсутствующем катализаторе, протекает со скоростью значительно меньшей, чем каталитическое окисление NH₃ до NO на платиновом катализаторе. Скорость диссоциации NO по реакции (3), при температурах ниже 1000°С, в отсутствие катализатора, очень мала. При этом в условиях окисления аммиака диссоциация ускоряется, но все же константа скорости реакции примерно в 180 раз меньше константы скорости реакции (1) так как вероятность адсорбции NO на катализаторе в присутствии избытка кислорода очень мала. Из рассмотренной кинетики реакций ясно, что доля поверхности катализатора, занятая адсорбированным кислородом, определяет соотношение количеств NO и N2, получаемых в итоге. Для повышения селективности катализатора, необходимо обеспечивать наибольшее насыщение последнего кислородом, что достигается подбором оптимальной температуры процесса и соотношением компонентов в поступающей газовой смеси.

На платиновом катализаторе зависимость практического выхода оксида азота (II) от температуры изменяется по кривой с максимумом

(рис. 2 приложения). При температурах до ≈500°С, когда количество адсорбированного кислорода сравнительно невелико, окисление аммиака протекает, в основном с образованием элементарного, азота по реакции (2), и некоторого количества оксида азота (II). С повышением температуры до 700-800°С, выход NO возрастает, так как увеличивается доля активных центров катализатора, занятых кислородом. Так же растет скорость диффузии исходных веществ к поверхности катализатора. При дальнейшем повышении температуры происходит десорбция кислорода и резко возрастают скорости побочных реакций (рис. 3 приложения).

Тепла, выделяющегося в ходе реакций окисления аммиака, достаточно для поддержания необходимого температурного режима в реакторе. Процесс проводится автотермически.

Для обеспечения высокого выхода оксида азота (II), процесс проводят при избытке кислорода. При стехиометрическом отношении O₂ к аммиаку, часть активных центров катализатора не заполняется кислородом, что ускоряет побочные реакции. В данном процессе, объемное отношение поддерживается в пределах 1,7 - 1,9 (рис. 4 приложения). Аммиачно-воздушная смесь способна взрываться. Этого избегают, используя составы, в которых объёмная концентрация аммиака находится в диапазоне 9,5% - 11,8%.

Повышение давления имеет большое значение для работы агрегатов большой единичной мощности. Их производительность значительно повышается. Однако, с повышением давления затрудняется процесс десорбции продуктов окисления с поверхности катализатора. Для компенсации этого, необходимо увеличивать температуру процесса. Чем выше давление – тем большей должна быть температура для достижения одного и того же выхода NO. Так, температура данного процесса составит ≈900°С, а давление 0,716МПа ≈ 7 атм.

Процесс окисления нитрозных газов протекает с выделением тепла. Поэтому они, после контактного аппарата, попадают в котёл-утилизатор, где остывают до ≈ 170°С. В окислителе нитрозных газов поток нагревается до ≈ 320°С. Катализатор в данном процессе работает так же, как и сетчатый катализатор окисления аммиака.

Абсорбция двуокиси азота водой является заключительной стадией производства азотной кислоты. Данный процесс является хемосорбционным в системе газ – жидкость, и к нему применимы все способы интенсификации подобных процессов. А именно - понижение температуры, т.к. процесс является экзотермическим, и повышение давления.

Отходящие газы реагируют с природным газом на палладиево-алюминиевом катализаторе при повышенной температуре (≈ 760°С) с образованием CO₂ и элементарного азота. Реакция эндотермична.

Описание технологической схемы процесса

Атмосферный воздух проходит очистку в фильтре 1. Очищенный воздух сжимают двухступенчатым воздушным компрессором (16,18).

Основной поток воздуха после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 12 до 250-270°С теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 6.

Газообразный аммиак, после очистки от влаги, масла и катализаторной пыли через подогреватель 5 при температуре 150°С также направляют в смеситель 6. После очистки аммиачно-воздушную смесь с содержанием NH₃ не более 10% подают в контактный аппарат 14 на конверсию аммиака.

Конверсия аммиака протекает на платинородиевых сетках (14а) при температурах 870 - 900ºС, причем степень конверсии составляет ≈ 96%. Нитрозные газы при 890-910°С поступают в котел-утилизатор 15, расположенный под контактным аппаратом. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до 170°С происходит испарение воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230°С.

Нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов 13. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе 13 степень окисления возрастает до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300 - 335°С. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 12. Охлажденные в теплообменнике 12 нитрозные газы поступают в теплообменник 11, где происходит снижение их температуры до 150°С и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110-125°С. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 7. При этом конденсируются водяные пары, и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 8, из которого азотную кислоту направляют в адсорбционную колонну 9 на 6-7 тарелку, а нитрозные газы - под нижнюю тарелку абсорбционной колонны. Кислота направляется в продувочную колонну 10, а отбеленная азотная кислота поступает на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9.

Степень абсорбции оксидов азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35°С проходят подогреватель 11, где нагреваются до 110-145°С и поступают в топочное устройство (камера сжигания 3 установки каталитической очистки). Здесь газы нагреваются до температуры 390-450°С за счет горения природного газа, подогретого в подогревателе 4, и направляются в реактор с двухслойным катализатором (палладий на оксиде алюминия) 2. Очистку осуществляют при 760°С. Очищенные газы поступают в газовую турбину 17 при температуре

690-700°С; энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомпрессора 18. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005- 0,008%, содержание СО₂ - 0,23%



Рис.1. Технологическая схема производства азотной кислоты под давлением 0,716 МПа

1 — фильтр воздуха, 2 — реактор каталитической очистки; 3 — топочное устрой­ство: 4 — подогреватель метана; 5 — подогреватель аммиака; 6 — смеситель аммиа­ка и воздуха с поролитовым фильтром; 7 — холодильник-конденсатор; 8 — сепара­тор; 9 — абсорбционная колонна; 10 — продувочная колонна; 11 — подогреватель отходящих газов; 12 — подогреватель воздуха; 13 — сосуд для окисления нитрозных газов; 14 — контактный аппарат; 14а – катализатор; 15 — котел-утилизатор; 16, 18 — двухсту­пенчатый турбокомпрессор: 17 — газовая турбина.

Н
Получение АВС

Окисление аммиака

NH₃

011

Воздух

012

Абсорбция нитрозных газов

031

032

Очистка отходящих газов

30

40

HNO₃ на склад

Выхлопные газы
иже представлена структурная схема ХТС:


12



23



H₂O

34

CH₄



Воздух

04


О
CH₄

Выхлопные газы

Отходящие газы
ператорная схема ХТС имеет следующий вид:
Воздух

NH₃

Кислота на склад


Расчет материального баланса ХТС
Исходные данные для расчёта. Вариант №4.

№	Содержание информации	Условное обозначение	Единица измерения	Принятое значение
1	Содержание NH3 в АВС	γ12(NH3)	% об.	10,5
2	Степень превращения NH3 в NO	χ1	%	94
3	Степень переработки НГ в HNO3	χ2	%	98,8
4	Концентрация HNO3	C(HNO3)	% масс.	57
5	Содержание O2 в выхлопных газах	γ40(O2)	% об.	3,3
6	Содержание H2O в выхлопных газах	γ40(H2O)	% об.	2,8
7	Базис расчёта, кг HNO3 в продукте	П	кг	5500

G – масса потока

V – объём потока

N – количество молей потока

γ – доля компонентов в потоке (нижний индекс – номер потока, в скобках – компонент потока)

Основные реакции, протекающие в ходе процесса:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

2NO + O₂ ↔ 2NO₂

2NO + 1,5O₂ + H₂O = 2HNO₃

CH₄ + 4NO = CO₂ + 2N₂ + 2H₂O

Уравнения для блока контактирования:

По оксиду азота

N₁₂ ∙ γ₁₂(NH₃) ∙ χ₁ = N₂₃(NO)

По азоту

N₁₂ ∙ (1 - γ₁₂(NH₃)) ∙ 0,79 + 1/2 ∙ N₁₂ ∙ γ₁₂(NH₃) ∙ (1 - χ₁) = N₂₃(N₂)

По кислороду

N₁₂ ∙ (1 - γ₁₂(NH₃)) ∙ 0,21 = 5/4 ∙ N₂₃(NO) + 3/4 ∙ N₁₂ ∙ γ₁₂(NH₃) ∙ (1 - χ₁) + N₂₃(O₂)

По воде

6/4 ∙ N₁₂ ∙ γ₁₂(NH₃) = N₂₃(H₂O)

Уравнения для блока абсорбции:

По азотной кислоте

N₂₃(NO) ∙ χ₂ = П/М(HNO₃)

По воде

N₂₃(H₂O) + N₀₃₁ = 0,5П/ М(HNO₃) + 100П/с_k ∙ (1 - с_k/100)/M(H₂O) + N₄₀ ∙ γ₄₀(H₂O)

По кислороду

N₂₃(O₂) + 0,21 ∙ N₀₃₂ = (1,5/2) ∙ П/M(HNO₃) + N₄₀ ∙ γ₄₀(O₂)

Уравнения для блока очистки:

По выхлопным газам

N₄₀ = N₂₃(N₂) + 0,79 ∙ N₀₃₂ + N₄₀ ∙ γ₄₀(H₂O) + N₄₀ ∙ γ₄₀(O₂) + 0,75 ∙ N₂₃(NO) ∙ (1 – χ₂)

По метану

N₂₃(NO) ∙ (1 – χ₂) ∙ 1/4 = N₀₄(CH₄)

Соответствие переменных потокам

Наименование потока	Условное обозначение	Обозначение переменной	Размерность	Значение по расчёту
АВС	N12	X1	кмоль	895,12
Оксид азота в потоке 23	N23(NO)	X2	кмоль	88,35
Азот в потоке 23	N23(N2)	X3	кмоль	635,71
Кислород в потоке 23	N23(O2)	X4	кмоль	53,57
Вода в потоке 23	N23(H2O)	X5	кмоль	140,98
Вода в блок 3	N031	X6	кмоль	156,58
Выхлопные газы	N40	X7	кмоль	836,03
Воздух в блок 3	N032	X8	кмоль	188,01
Метан в блок 4	N04(CH4)	X9	кмоль	0,27

Матрица коэффициентов

№ урав-неня	аi при xi										bi свободный член
	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	X8	X9
1	1	1	0	0	0	0	0	0	0	0,0987
2	1	0	1	0	0	0	0	0	0	0,7102
3	0,18322	-1,25	0	-1	0	0	0	0	0	0
4	0,1575	0	0	0	-1	0	0	0	0	0
5	0	1	0	0	0	0	0	0	0	88,3479
6	0	0	0	0	1	1	-0,028	0	0	274,1507
7	0	0	0	1	0	0	-0,033	0,21	0	65,4658
8	0	0,009	1	0	0	0	-0,939	0,79	0	0
9	0	0,003	0	0	0	0	0	0	-1	0

Материальный баланс ХТС производства азотной кислоты в расчёте на 5500 кг

Приход				Расход
Статья прихода	Масса, кг	% масс.	Статья расхода		Масса, кг	% масс.
NH3	1600,73	4,84	57% раствор HNO3:		9649,12	29,29
H2O	2820,01	8,52	HNO3		5500	16,70
Воздух:	28665,28	86,63	H2O		4149,12	12,60
O2	6636,02	20,05	Выхлопные газы:		23291,38	70,71
N2	21642,29	65,40	CH4		0,32	≈0
CH4	4,33	0,01	N2		21646,07	65,71
Всего	33090,35	100	O2		1219,06	3,70
			H2O		414,05	1,26
			CO2		11,88	0,04
			Невязка		149,85	0,46
			Всего		32940,50	100

G₃₀(р-ра) = G(HNO₃)/C(HNO₃) = 5500/0,57 = 9649,12 кг

G₃₀(H₂O) = (1 – C(HNO₃)) ∙ G₃₀(р-ра) = (1 – 0,57) ∙ 9649,12 = 4149,12 кг

N₁₂(NH₃) = (N₂₃(NO) / χ₁) ∙ 100 = (88,35 / 94) ∙ 100 = 93,99 кмоль

G₁₂(NH₃) = N₁₂(NH₃) ∙ M(NH₃) = 93,99 ∙ 17,03 = 1600,73 кг

N₁₂(воздуха) = N₁₂ - N₁₂(NH₃) = 895,12 - 93,99 = 801,13 кмоль

G₁₂(воздуха) = N₁₂(воздуха) ∙ M(воздуха) = 801,13 ∙ 28,98 = 23216,75 кг

G₁₂(O₂) = G₁₂(воздуха) ∙ ω(O₂) = 23216,75 ∙ 0,2315 = 5374,68 кг

G₁₂(N₂) = G₁₂(воздуха) ∙ ω(N₂) = 23216,75 ∙ 0,7550 = 17528,65 кг

N₃₀(HNO₃) = G₃₀(HNO₃) / M(HNO₃) = 5500 / 63,01 = 87,29 кмоль

N_{израсх.}(H₂O) = ½ ∙ N₃₀(HNO₃) = 87,29 /2 = 43,65 кмоль

N₃₀(H₂O) = G₃₀(H₂O) / M(H₂O) = 4149,12 / 18,01 = 230,38 кмоль

G₀₃₁ = N₀₃₁ ∙ M(H₂O) = 156,58 ∙ 18,01 = 2820,01 кг

N₃₄(H₂O) = N₀₃₁ + N₂₃(H₂O) - N_{израсх.}(H₂O) - N₃₀(H₂O) =

= 156,58 + 140,98 - 43,65 - 230,38 = 23,53 кмоль

N₃₄(NO) = N₂₃(NO) - N₃₀(HNO₃) = 88,35 - 87,29 = 1,06 кмоль

N₄₀(CH₄) = 4 ∙ N₀₄(CH₄) - N₃₄(NO) = 4 ∙ 0,27 – 1,06 = 0,02 кмоль

G₄₀(CH₄) = N₄₀(CH₄) ∙ M(CH₄) = 0,02 ∙ 16,04 = 0,32 кг

N₄₀(H₂O) = N₃₄(H₂O) - 2 ∙ N₀₄(CH₄) = 23,53 - 2 ∙ 0,27 = 22,99 кмоль

G₄₀(H₂O) = N₄₀(H₂O) ∙ M(H₂O) = 22,99 ∙18,01 = 414,05 кг

N₄₀(CO₂) = N₀₄(CH₄) = 0,27 кмоль

G₄₀(CO₂) = N₄₀(CO₂) ∙ M(CO₂) = 0,27 ∙ 44,01 = 11,88 кг

G₀₃₂ = N₀₃₂ ∙ M(воздуха) = 188,01 ∙ 28,98 = 5448,53 кг

G₀₃₂(O₂) = G₀₃₂ ∙ ω(O₂) = 5448,53 ∙ 0,2315 = 1261,34 кг

G₀₃₂(N₂) = G₀₃₂ ∙ ω(N₂) = 5448,53 ∙ 0,7550 = 4113,64 кг

N_{израсх.}(O₂) = N₃₀(HNO₃) ∙ 1,5/2 + N₂₃(NO) ∙ χ₁ ∙ 5/4 = 87,29 ∙ 0,75 + 88,35 ∙ 0,94 ∙

∙ 1,25 = 169,28 кмоль

G_{израсх.}(O₂) = N_{израсх.}(O₂) ∙ M(O₂) = 169,28 ∙ 32,00 = 5416,96 кг

G₄₀(O₂) = G₀₃₂(O₂) + G₁₂(O₂) - G_{израсх.}(O₂) = 1261,34 + 5374,68 - 5416,96 =

= 1219,06 кг

N₄(N₂) = N₀₄(CH₄) = 0,27 кмоль

G₄(N₂) = N₄(N₂) ∙ M(N₂) = 0,27 ∙ 14,01 = 3,78 кг

G₄₀(N₂) = G₄(N₂) + G₀₃₂(N₂) + G₁₂(N₂) = 3,78 + 4113,64 + 17528,65 = 21646,07 кг

G_введ.(воздуха) = G₁₂(воздуха) + G₀₃₂ = 23216,75 + 5448,53 = 28665,28 кг

G_введ.(N₂) = G₀₃₂(N₂) + G₁₂(N₂) = 4113,64 + 17528,65 = 21642,29 кг

G_введ.(O₂) = G₀₃₂(O₂) + G₁₂(O₂) = 1261,34 + 5374,68 = 6636,02 кг

N_введ.(O₂) = G_введ.(O₂) / M(O₂) = 6636,02 / 32,00 = 207,38 моль

G_введ.(CH₄) = N₀₄(CH₄) ∙ M(CH₄) = 0,27 ∙ 16,04 = 4,33 кг

Поточная диаграмма. Масштаб: 1 мм приблизительно соответствует

2200 кг вещества.


Масштаб для потока CH₄ не соблюдается, т.к. его масса крайне мала.

Расчет основных технологических показателей процесса

Степень превращения:

X_NH3 = 0,94 = 94% из условия

Выход продукта:

Суммарная реакция образования азотной кислоты выражается уравнением:

NH₃ + 2O₂ → HNO₃ + H2O

η_HNO3(NH₃) = (N₃₀(HNO₃) ∙ 1) / (N₁₂(NH₃) ∙ 1) = 87,29 / 93,99 = 0,9287 = 92,87%

Селективность образования целевого продукта:

φ_HNO3(NH₃) = (N₃₀(HNO₃) ∙ 1) / (N₁₂(NH₃) – (N₁₂(NH₃) ∙ (1 - χ₁))) ∙ 1 =

= (87,29 ∙ 1) / (93,99 – (93,99 ∙ (1 – 0,94))) ∙ 1 = 87,29 / (93,99 – 5,64) =

= 0,9880 = 98,80%

Расходные коэффициенты по сырью:

γ_стех.(NH₃) = (M(NH₃) ∙ 1) / (M(HNO₃) ∙ 1) = 17,03 / 63,01 = 0,27

γ_практ.(NH₃) = γ_стех.(NH₃) / η_HNO3(NH₃) = 0,27 / 0,9287 = 0,29
Полученные технологические показатели говорят об эффективности рассматриваемого ХТП. Высокие степени конверсии аммиака и кислорода воздуха, а так же высокие значения выхода целевого продукта по аммиаку и кислороду, говорят об экономичности установки и её теоретической выгодности. Такие значения параметров позволят сэкономить на аммиаке и электроэнергии, требуемой для подачи воздуха в систему. Показатели селективности образования целевого продукта свидетельствуют о том, что почти всё сырьё превращается в целевой продукт. Из этого следует, что количество побочных продуктов весьма мало по отношению к количеству целевого продукта, а это, в свою очередь, значит, что и расходы на очистку отходящих газов весьма малы.

Список использованной литературы

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

2. Брук Л.Г., Егорова Е.В., Киричек И.Д., Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Смирнова С.Н., Цыганков В.Н., Чабан Н.Г., Шварц А.Л., Устюгов А.В., Путин А.Ю. Основы химической технологии. Лабораторный практикум. Учебное пособие – 4-е издание, исправленное и дополненное – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2013. – 173 с.

3. Шварц А.Л., Брук Л.Г. Основы термодинамики и кинетики гомогенных процессов. Учебное пособие. - М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2012. – 56 с.: ил.

4. Кононова Г.Н. Цыганков В.Н. Графические изображения химико-технологических систем Учебное пособие. - М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2007.

5. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: учебник для студентов вузов / Под ред. В.И. Ксензенко. 2-е изд., стер. М.: КолосС, 2003. – 328 с.

6. Соколов Р.С. Химическая технология. В 2-х томах. – М.: Гуманитарный издательский центр ВЛАДОС, 2000. Т. 1 – 367 с., Т. 2 – 447 с.

7. Кононова Г.Н. ,Сафонов В.В., Цыганков В.Н. Технологические принципы разработки химико-технологических систем. Учебное пособие - М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 2003. - 57 с.

8. Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Химико-технологические системы. - М.:ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2005. – 66 с

9. Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Егорова Е.В. Расчет материального баланса химико-технологических систем интегральным методом. Учебно-методическое пособие.–М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2007. – 31 с.

10. Брук Л.Г., Егорова Е.В., Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Смирнова С.Н., Чабан Н.Г., Шварц А.Л. Сборник заданий и методических указаний по расчёту материального баланса химико-технологических производств. Учебно-методическое пособие. 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.

11. Кононова Г.Н., Сафонов В.В. Производство этилового спирта прямой гидратацией этилена. Учебное пособие. Издание 3-е, перераб.– М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2006. – 26 с.

12. Шварц А.Л., Брук Л.Г. Конверсия метана в технологические газы. Учебное пособие. – М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2012. – 32 с.: ил.

13. Кузнецова И.М., Харлампиди Х.Э., Иванов В.Г., Чиркунов Э.В. Общая химическая технология. Методология проектирования химико-технологических процессов / под ред. Х.Э. Харлампиди: Учебник.- 2-е изд., перераб. – СПб.: Издательство «Лань», 2013. – 448 с.: ил. – Электронный ресурс: http://e.lanbook.com/view/book/37357/

14. Кузнецова И.М., Харлампиди Х.Э., Иванов В.Г., Чиркунов Э.В. Общая химическая технология. Основные концепции проектирования химико-технологических систем: Учебник / под ред. Х.Э. Харлампиди: - 2-е изд., перераб. – СПб.: Издательство «Лань», 2014. – 384 с.: ил. – Электронный ресурс: http://e.lanbook.com/view/book/45973/

1. 
   ПРИЛОЖЕНИЕ
   

Рис. 1



Рис. 2



Рис. 3



Рис. 4

1^ Данные о температурах плавления, кипения, а так же о плотности даны для стандартных условий (25°С, 100 кПа)