Производство неконцентрированной азотной кислоты (стр. 6 из 9)
= 
=1,3 
кг/м3;Тогда Rе=
Rе
Nu=0,021
-поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины трубы L к ее диаметру d, 
=1 [8] 
-для газов равен 1 [8]Pr-для многоатомных газов равен 1, тогда
Nu=0,0211
=782,37; 
Вт/м2 град;По вышеописанной методике рассчитывается
; =403,45 Вт/(м2град);K=
Вт/(м2град);Определяется средняя разность температур процесса:
130
40- 27
9038
= 
=47,83 
необходимая поверхность теплообмена составит:
Исходя из расчетной величины холодильника-конденсатора в схеме применяется один стандартный холодильник-конденсатор с поверхностью теплообмена 1428 м2.
Запас поверхности теплообмена холодильника-конденсатора составляет:
%.Реконструкция
Заменим оборотную воду на захоложенную. С понижением температуры повысится степень окисления оксида азота и выход азотной кислоты.
Целью материального баланса является определение равновесного состава газовой смеси, степени окисления оксида азота,состава газа после процесса конденсации.
Исходные данные для расчета [1]:
-Состав газа на входе в холодильник-конденсатор:
| Компонентный состав | об.% |
| NO | 3,09 |
| NO2 | 6,36 |
| O2 | 3,57 |
| N2 | 71,03 |
| H2O | 15,95 |
| Итого: | 100,00 |
Расчет ведем на 1000 кг 100,00%-й HNO3, получаемой в технологическом процессе.
Температура нитрозных газов на входе в холодильник, 0С 130.
Температура нитрозных газов на выходе из холодильника, 0С 55.
Температура захоложенной воды , 0С 25.
Давление в холодильнике, МПа 0,36
Диаметр холодильника-конденсатора, м 2,2.
Поверхность теплообмена, м2 1428.
Наружный диаметр трубок, м 0,05.
Расход газа, поступающего в холодильник-конденсатор 3789,17нм3 /т [1].
Зная состав газа, можно определить расход каждого компонента:
| Компонентный состав | кг/т | нм3/т | об.% |
| NO | 223,62 | 117,05 | 3,09 |
| NO2 | 148,55 | 241,01 | 6,36 |
| O2 | 186,37 | 135,19 | 3,57 |
| N2 | 3364,23 | 2691,38 | 71,03 |
| H2O | 61,44 | 604,54 | 15,95 |
| Всего: | 3984,21 | 3789,17 | 100 |
Расчет материального баланса процесса окисления нитрозного газа
Равновесие и скорость окисления оксида азота II.
NO+1/2O2=NO2 ΔrH(298) =112кДж/моль (3.1)
Зависимость константы равновесия от температуры по данным М. Боденштейна [3] выражается следующим уравнением:
LgK =Lg
+1,75LgT-0,0005T+2,839 (3.2)Для расчета равновесной степени окисления оксида азота (II) выразим парциальные давления газов, входящие в уравнение равновесия, через общее давление в зависимости от начальной концентрации газа[3]:
Введем обозначения:
2a- начальная концентрация NO, мольн.доли;
b- начальная концентрация O2, мольн.доли;
xр- равновесная степень окисления NO, доли единицы;
Робщ- общее давление газа, атм.
Равновесные концентрации компонентов газовой смеси согласно реакции (3.1)составят:
| Компонент | Вход | Выход |
| NO | 2a | 2а(1-xp) |
| O2 | b | b-axp |
| NO2 | - | 2axp |
| Всего: | 1 | 1-axp |
Тогда парциальные давления компонентов газа при общем давлении 3,6 атм.в момент равновесия будут равны:
PNO=
Pобщ;РO2=
Pобщ;РNO2=
Pобщ;Подставляя значения парциальных давлений в уравнение равновесия, получим:
= 
P (3.3)Определим равновесную степень окисления оксида азота (II) для газа, содержащего 3,09% NO и 3,57% (об) O2 при 3,6 атм.
Тогда2a=0,0309 м.д. a=0,01545м.д. b=0,0357м.д.
LgKр =−
+1,75lg403-0,0005 
403+2,839ОткудаКр=8,546
Подставляя значения Кр и парциальных давлений в уравнение (3.3)получим:
Из этого уравнения определяем
.В результате протекания реакции (3.1) окисляется оксида азота (II):
VNO
Х= 
;Остается NO:
;Расходуется кислорода на окисление
;Остается кислорода:
;Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:
;Результаты расчета материального баланса процесса окисления представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1
Равновесный состав газовой смеси.
| Приход | Расход | ||||||||
| Компонентный состав | нм3/т | % об | кг/т | % масс | Компонентный состав | нм3/т | % об | кг/т | % масс |
| Нитрозный газ, в т.ч. | 3789,17 | 100,00 | 3984,21 | 100,00 | Нитрозный газ, в т.ч. | 3730,64 | 100,00 | 4150,4 | 100,00 |
| NO | 117,05 | 3,09 | 223,63 | 5,61 | NO | 0,08 | 0,002 | 0,09 | 0,002 |
| NO2 | 241,01 | 6,36 | 148,55 | 3,73 | NO2 | 357,98 | 9,59 | 597,98 | 14,41 |
| O2 | 135,19 | 3,57 | 186,37 | 4,68 | O2 | 76,66 | 2,05 | 126,66 | 3,05 |
| N2 | 2691,38 | 71,03 | 3364,23 | 84,44 | N2 | 2691,38 | 71,03 | 3364,23 | 81,05 |
| H2O | 604,54 | 15,95 | 61,44 | 1,54 | H2O | 604,54 | 15,95 | 61,44 | 1,48 |
| Всего: | 3789,17 | 100,00 | 3984,21 | 100,00 | Всего: | 3730,64 | 100,00 | 4150,4 | 100,00 |
Средняя температура нитрозных газов [4]:
где t1-температура нитрозного газа на входе в аппарат,
t2- температура нитрозного газа на выходе из аппарата,
Свободный объем [1, 4]:
где Dв- внутренний диаметр трубок, м;
L-длина трубного пространства, м;
n-количество трубок, шт;
Объемная скорость нитрозного газа:
Wс =
=45,77нм3/с;где 380000-мощность производства по проекту, т100%HNO3 /г; 330 рабочих дней в году; 24 часа в сутках.
Время пребывания газа в окислителе:[4]
Определяем степень окисления NO (α).Находим:
; 
;По справочным данным К при 87,21
[3]Тогда
где К-константа скорости реакции, а-начальная концентрация NO, мольн. доли,
-общее давление, атм;