6. Расчёт 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.