Тепловой баланс холодильника нитрозных газов

 
 
 
 
 
 
 
      СОДЕРЖАНИЕ

      1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ…...5

      2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ…………...8

      2.1 Приход теплоты………………………………………………………………….8

      2.2 Расход теплоты…………………………………………………………………..9

      СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………… 12

 

      ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ:

     Дан состав нитрозных газов (NO, O₂, N₂, H₂O) на выходе из конвектора в объемных процентах, температура газов до и после охлаждения в ^оС, начальная и конечная температуры воды в ^оС, концентрация HNO₃, образующейся при взаимодействии NO, O₂ и воды, в массовых %. Исходные данные сведены в таблицу 1. 

Таблица 1. Исходные данные к курсовой работе.

 

ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ:

1. Материальный баланс холодильника нитрозных газов:

     Нитрозные газы на выходе из конвектора имеют  состав, указанный в таблице 1. Проходя  холодильник, они охлаждаются до 23 ^оС. В результате, за счет конденсации части водяных паров, окисления NO в NO₂ и поглощения NO₂ сконденсированной водой, получается 31%-ная азотная кислота. Подсчитать состав нитрозного газа после охлаждения и количество полученной азотной кислоты. Составить таблицу материального баланса.

2. Тепловой баланс холодильника нитрозных газов:

     На  основе данных материального баланса  составить тепловой баланс холодильника для нитрозных газов, поступающих из конвектора, если температура газов перед холодильником 140 ^оС, после него 20 ^оС; температура азотной кислоты ^оС; концентрация ее 38 %. Подсчитать также расход воды на охлаждение, если температура входящей воды 11 ^оС, выходящей 45 ^оС.

 

      
 
 
 

     МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ.

     Расчет  ведем на 100 кмоль (2240 м³) нитрозных газов. Схематически процесс образования азотной кислоты можно представить следующим образом:

      H₂O_(газ) → H₂O_{(жидкость)}

      2NO + O₂ → 2NO₂

      3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO

       2NO + 1,5O₂ + H₂O → 2HNO₃

     В 100 кмоль нитрозного газа содержится: 9,3 кмоль NO; 7,1 кмоль O₂; 71,9 кмоль N₂ и 11,7 кмоль H₂O. Часть водяных паров, содержащихся в нитрозных газах, в холодильнике конденсируется. Конденсат идет на образование моногидрата HNO₃ и на образование 31 %-ого раствора HNO₃.

     Обозначим через x число кмолей сконденсированной в холодильнике воды, а через y – число кмолей воды, вступившей в реакцию образования HNO₃. Тогда (x – y) кмоль, или  (x – y)·18,0 кг, воды останутся в растворе и должны составить 69 % массы полученной кислоты.

     Согласно  реакции образования HNO₃ из y кмоль H₂O получается 2y кмоль, или 2y·69 кг, HNO₃. Отсюда количество 31 %-ной HNO₃:

      m_H2O + m_HNO3 = (2y·69 + 18(x – y)),

где m_H2O – масса воды, кг; m_HNO3 – масса азотной кислоты (моногидрат), кг.

     Составим  пропорцию:

100 кг  31 %-ной азотной кислоты содержат 31 кг HNO₃;

(2y·69 + 18(x – y)) кг кислоты содержат (2y·69) кг HNO₃.

     Отсюда

      100·2y·69 = 31(2y·69+ 18(x – y)),

      y = 0,055x кмоль.

     Количество  NO, пошедшее на образование HNO₃, равно 2y = 0,110x кмоль.

     В результате реакции получается 2y кмоль HNO₃. Количество кислорода, пошедшее на образование этого количества HNO₃, составит 1,5y = 0,0825x кмоль.

     Нитрозные газы после холодильника будут иметь  состав: 

Таблица 2. Состав нитрозных газов после охлаждения.

 

     При температуре 23 ^оС и нормальном давлении упругость паров воды над 31%-ной HNO₃ составляет 2,3 кПа¹. Если общее давление нитрозных газов после холодильника над 31 %-ной азотной кислотой равно P, то парциальное давление воды в них в соответствии с составом газа

       , кПа.

     Составим  пропорцию:

при нормальном давлении 101,3 кПа упругость паров  воды 2,3 кПа;

при давлении P - , кПа.

       ,

x = 9,46 кмоль, то есть в результате конденсации в холодильнике образовалось 9,46 кмоль воды.

     Определим состав нитрозных газов после  охлаждения: 

Таблица 3. Состав нитрозных газов после охлаждения.

 

     Количество  образовавшегося моногидрата HNO₃ 2y = 0,110x = 0,110·9,46 = 1,04 кмоль, или 2y·69 = 1,04·69 = 71,8 кг, что составит кг 31 %-ной HNO₃ на 100 кмоль нитрозных газов, поступающих в холодильник.

 

     

Таблица 4. Материальный баланс холодильника нитрозных газов.

 

      Считаем расхождение прихода и расхода:

       %.

     Расхождение прихода и расхода составляет 0,19% < 1% считаем допустимым.

 

 
 
 
 

      ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС ХОЛОДИЛЬНИКА НИТРОЗНЫХ ГАЗОВ.

     Расчет  ведем на 100 кмоль нитрозных газов.

      Приход  теплоты складывается из:

1. Теплоты нитрозных газов при 150 ^оС (q₁);
2. Теплоты образования разбавленной HNO₃ (q₂), которая складывается из теплоты окисления NO в NO₂, теплоты абсорбции NO₂ водой и теплоты разбавления HNO₃ до концентрации 31 %. Величину q₂ можно посчитать по теплоте образования не моногидрата, а раствора HNO₃;
3. Теплоты конденсации водяных паров (q₃).

      Расход  теплоты складывается из:

1. Теплоты, уносимой отходящими нитрозными газами при 23 ^оС (q₄);
2. Теплоты, уносимой 31 %-ной HNO₃ при 23 ^оС (q₅);
3. Теплоты, передаваемой газами охлаждающей воде в холодильнике (q₆);
4. Потерь теплоты в окружающую среду (q₇); примем q₇ = 2 % от общего количества прихода теплоты.

      Приход:

1. Теплота нитрозных газов (q₁). Нитрозные газы указанного состава несут с собой тепло при 150 ^оС. Теплоёмкость при этой температуре рассчитываем методом интерполяции.

        
 

Таблица 5. Теплота  нитрозных газов. 

 
      

2. Теплота образования  HNO₃ (q₂). Определяем по теплоте образования компонентов с учетом стехиометрических коэффициентов (числа молей):

      2NO + 1,5O₂ + H₂O = 2HNO₃ + q₂,

      -2·90500  0    242200    2·206000

     Отсюда  на 2 кмоль HNO₃

       кДж.

     Составим пропорцию:

на  2 кмоль HNO₃, из 100 кмоль нитрозных газов, приходится 350800 кДж теплоты;

на 1,04 кмоль HNO₃, из 100 кмоль нитрозных газов, приходится q₂ кДж теплоты.

       ,