Практическая работа №11

Тема: Расчет материального и теплового балансов процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком в производстве аммиачной селитры.

Цель: Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком в производстве аммиачной селитры.

Теоретические основы

     Производство аммиачной селитры основано на реакции нейтрализации азотной кислоты аммиаком:

                 NH₃ + HNO₃ → NH₄NO₃ + Q                                       (1)

     Нейтрализацию азотной кислоты аммиаком проводят в барботажном аппарате ИТН (использование тепла нейтрализации) или в скрубберном аппарате с вакуум-испарителем.

     Нейтрализация в барботажном аппарате ИТН проводится при температуре 110-135⁰С в зависимости от концентрации азотной кислоты и степени ее подогрева. Для того чтобы соковый пар, образующийся в аппарате ИТН при частичном упаривании раствора, можно было использовать как греющий агент, в нейтрализаторе создается некоторое избыточное давление порядка 0,15 - 0,2 ат.

     Нейтрализацию в скрубберном аппарате проводят в том случае, когда для нейтрализации используют не аммиак, а продувочные и танковые газы, выделяющиеся в процессе производства синтетического аммиака и содержащие NH₃, H₂, CH₄, Ar.

Задание

     Составить и рассчитать материальный и тепловой балансы процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком. Расчет вести на qкг

100%-ной NH₄NO₃.

Варианты заданий

Порядок выполнения работы

I Расчет материального баланса процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

     Исходные данные:

• · Концентрация азотной кислоты ω…………………………….. 48%.
• · Концентрация аммиака ω…………………………………………..97%.
• · Концентрация, получаемого раствора аммиачной селитры ω…….66%.
• · Потери аммиака на всех стадиях производства (q_{потерь NH3}) 0,3% от количества аммиачной селитры.
• · Потери азотной кислоты на всех стадиях производства (q_{потерь HNO3}) 0,75% от количества аммиачной селитры.

1.1 Теоретический расход 100%-ной азотной кислоты составляет, кг:

G=  ,

где M- молярная масса азотной кислоты.

       M - молярная масса аммиачной селитры.

1.2 Теоретический расход 100%-ного аммиака составляет, кг:

G= ,

где M- молярная масса аммиака.

1.3 Расход 100%-ной азотной кислоты с учетом потерь составляет, кг:

G_1HNO3 = G+ ,

где q_{потерь HNO3} – потери азотной кислоты на всех стадиях производства, %.

1.4 Расход азотной кислоты в пересчете на 48%-ную азотную кислоту составляет, кг:

G_2HNO3 = ,

где ω- концентрация азотной кислоты, %.

1.5 Расход 100%-ного аммиака с учетом потерь составляет, кг:

G_1NH3 = G+ ,

где q_{потерь NH3} – потери аммиака на всех стадиях производства.

1.6 Расход аммиака в пересчете на 97%-ный газообразный аммиак составляет, кг:

G_2NH3 = ,

где ω- концентрация аммиака, %.

1.7 Количество инертных газов в аммиаке составляет, кг:

G_ин.г = G_2NH3 - G_1NH3

1.8 Вся вводимая азотная кислота нейтрализуется аммиаком. Количество образующейся 100%-ной аммиачной селитры, кг определяем по формуле:

G = ,

где M- молярная масса аммиачной селитры.

       M- молярная масса азотной кислоты.

1.9 Количество 66%-ного раствора аммиачной селитры, полученного в нейтрализаторе (включая потери раствора) составляет, кг:

G_1NH4NO3 = ,

где ω- концентрация раствора аммиачной селитры, %.

1.10 Количество 66%-ного раствора аммиачной селитры, полученного в нейтрализаторе (за вычетом потерь раствора) составляет, кг:

G_2NH4NO3 = ,

где ω- концентрация раствора аммиачной селитры, %.

1.11 Потери 66%-ного раствора аммиачной селитры составляют, кг:

G_потерь = G_1NH4NO3 - G_2NH4NO3

1.12 На образование G аммиачной селитры расход 100%-ного NH₃ составляет, кг:

G_3NH3 = ,

где М_NH3 - молярная масса аммиака.

       M_NH4NO3 - молярная масса аммиачной селитры.

1.13 Потери 100%-ного NH₃ с соковым паром составляют, кг:

q _{потерь NH3} = G_1NH3 - G_3NH3

1.14 Количество сокового пара (включая инертные газы и потери газообразного аммиака) составляют, кг:

G_{сокового пара} = G_2HNO3 + G_2NH3  - G_1NH4NO3

1.15 Содержание водяного пара в соковом паре составляет, кг:

q_пара = G_{сокового пара} – (G_ин.г + q _{потерь NH3})

Таблица 11.1 – Материальный баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

II Расчет теплового баланса процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком.

     Исходные данные:

• · Начальная температура азотной кислоты t₁ ……………………30⁰С.
• · Начальная температура газообразного аммиака t₂………………50⁰С.
• · Абсолютное давление в нейтрализаторе ………………………….1,2ат.

     Приход тепла

2.1 Физическое тепло 48%-ной азотной кислоты, кДж:

Q = C× G_2HNO3 × t₁,

где C- теплоемкость 48%-ной азотной кислоты (C=2, 909);

       G_2HNO3 – расход азотной кислоты в пересчете на 48%-ную азотную кислоту, кг (см. материальный баланс);

       t₁ - начальная температура азотной кислоты, ⁰С.

2.2 Физическое тепло газообразного аммиака, кДж:

Q= C× G_2NH3 × t₂,

где C- теплоемкость газообразного аммиака (C= 2, 185);

       G_2NH3 – расход аммиака в пересчете на 97%-ный газообразный аммиак, кг (см. материальный баланс);

       t₂ – начальная температура газообразного аммиака, ⁰С.

2.3 Суммарный тепловой эффект процесса нейтрализации в заданных условиях, кДж:

Q_∑  = Q_нейтр. – Q_{растворения},

где Q_нейтр. – количество тепла, выделяющегося при нейтрализации 48%-ной азотной кислоты (Q_нейтр.=1485,68);

       Q_{растворения} – теплота растворения NH₄NO₃ при получении 66%-ного раствора (Q_{растворения} = 184,14).

2.4 Количество тепла, выделяющегося при образовании G, кДж:

Q = G× Q_∑,

где G- количество образующегося 100%-ного раствора аммиачной селитры, кг (см. материальный баланс).

2.5 Общий приход тепла в нейтрализаторе, кДж:

Q_приход = Q+ Q+ Q

     Расход тепла

2.6 Температура кипения 66%-ного раствора NH₄NO₃ при абсолютном давлении в нейтрализаторе 1,2 ат:

t_кип = t _{нас. пара} + ∆t × k,

где t _{нас. пара} – температура насыщенного пара 66%-ного раствора NH₄NO₃ при 1,2ат (t _{нас. пара} = 104,3⁰С);

  ∆t – разность температур кипения раствора и растворителя (воды) при атмосферном давлении, ⁰С;

      k- коэффициент температурной депрессии при 1,2ат (k = 1,03)/

∆t = t_{кип. р-ра} – t _{кип. р-ля},

где  t_{кип. р-ра} - температура кипения 66%-ного раствора NH₄NO₃ при атмосферном давлении ⁰С (t _{кип. р-ра} = 116,2⁰С);

        t _{кип. р-ля} – температура кипения воды при атмосферном давлении, ⁰С.

2.7 Количество тепла, уносимого раствором NH₄NO₃ из нейтрализатора, кДж:

Q= C× G_2NH4NO3 × t_кип ,

где C- теплоемкость 66%-ного раствора NH₄NO₃ (C= 2,469);

       G_2NH4NO3 – количество 66%-ного раствора аммиачной селитры, полученного в нейтрализаторе (за вычетом потерь раствора), кг (см. материальный баланс).

2.8 Количество тепла, затрачиваемого на испарение воды (образование сокового пара) в нейтрализаторе, кДж:

Q_{сок. пара} = I× g_{пара ,}

где I- энтальпия насыщенного пара при абсолютном давлении (I=2681,33);

      g_пара – содержание водяного пара в соковом паре, кг (см. материальный баланс).

2.9 Количеством тепла, уносимого из нейтрализатора инертными газами, пренебрегаем.

2.10 Общее количество уносимого тепла, кДж:

Q_{расхода} = Q + Q_{сок. пара}

2.11 Разность между приходом и расходом тепла составляет, кДж:

∆Q = Q_приход - Q_{расхода}

Таблица 11.2 – Тепловой баланс процесса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

Контрольные вопросы:

1. На чем основан способ производства аммиачной селитры?

2. Что необходимо учитывать при расчете тепла, выделяющегося в процессе нейтрализации?

3. Как влияет повышение давления в реакторе-нейтрализаторе на технологический процесс нейтрализации?

4. Из каких основных операций состоит производство аммиачной селитры?

5. В каких аппаратах проводят нейтрализацию азотной кислоты аммиаком?