【正文】
。本設(shè)計(jì)采用的是中壓式氧化爐，中壓式氧化爐目前常使用的是：氧化爐 直流式廢熱鍋爐聯(lián)合裝置和雙加壓法氧化爐與廢熱鍋爐聯(lián)合裝置。) ? n2 = 316776= (2)、設(shè)基準(zhǔn)溫度為 25℃ ，因進(jìn)料 (3)的溫度為 130℃ ， 所以料氣帶入的熱量為： 能量衡算 表 2 組份 kmol/h na nb104 nc106 nd109 NH3 72 O2 3887 N2 16193 Σ niCp,i 22058 53450 dTCpnH ii? ??? 4 0 32 9 8 01 )( =? ??? ??????403298 93624 ) 9 1 2 7 5 8 1105 3 4 5 02 2 0 5 8( TTTdT =(3)、燃燒后氣體帶走的熱量為 : 能量衡算 表 3 組分 kmol/h Na nb104 nc106 nd109 O2 N2 NO H2O Σ niCp,i dTCpnH T ii? ??? 2 9 8 02 )( =? ??? ??????T TTT298 93624 )(dT 根據(jù)能量守衡 Q2 = Q1+Qr ,得 △ H2 = △ H1 +Qr,1 +Qr,2 解得 T = 1145K = 872℃ 第七章主要設(shè)備的工藝計(jì)算和選型 氨氧化爐 氨催化氧化過程的核心設(shè)備是氧化爐，選擇的基本要求如下： （ 1）、保證反應(yīng)氣體能夠均勻的通過整個催化劑截面； （ 2）、在能保證氣固接觸最大反應(yīng)面積前提下，應(yīng)盡可能縮小設(shè)備體積，以減少熱損失； （ 3）、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，裝卸催化劑方便。 h1 a b104 c106 d109 NH3 72 O2 N2 1066 NO H2O 108 (1)、反應(yīng)熱 Qr,1 = (△ Hr,1186。 K1） 組分 kmol由反應(yīng) 1，反應(yīng)的氨量 =進(jìn)入氧化器的氨流量 反應(yīng)器收率 =100 =由反應(yīng) 2，反應(yīng)的氨量 =100 = 流量和熱容的數(shù)據(jù)匯總?cè)缦马摫?: 能量衡算 表 1 物流 進(jìn)料 (3) 產(chǎn)品 (4) Cop /（ kJ在 下的飽和溫度為 0℃ ，假設(shè)進(jìn)入氣化器的料液溫度為 15℃ ，則氨不需要汽化即可。kmol1 壓縮機(jī)功率 = 效率 流速功 ? = ?103 = 106J/s = 每小時(shí)所需的能 = 3600 = 4680MJ 壓縮機(jī)出口溫度 = 333 = 447K 設(shè)為 180℃ 因?yàn)闇囟容^高，因此不必進(jìn)行預(yù)熱就可以進(jìn)入反應(yīng)器。kmol1 第二段功，進(jìn)口 60℃ 功 = 1333 ? ? ?????? ??? ? = 取中間冷卻器氣體出口溫度為 60℃ ，在等功情況下，中間級壓力為 P = 進(jìn)出P = = = 雖然中間壓力取為 ，每段功并不嚴(yán)格相等，尤其是進(jìn)口溫度變化時(shí)，但 是兩段的功是接近的。假設(shè)壓縮機(jī)分為兩段。 25℃時(shí)，水的分壓為 ，吸收器壓力為 450MPa，則 水的摩爾分率為： = 103 尾氣中的水為（ +） 103 = 物流（ 11），所需的水： 除在尾氣中允許的一氧化氮 (NO)量外，吸收氮氧化物等于生成硝酸 (HNO3),（反應(yīng)式 6） (+) = kmol = 由反應(yīng) 6,化學(xué)計(jì)量計(jì)算所需的水為： 2 = kmol 離開吸收器的酸濃度取為 52%（ W/W），稀釋水為 ? = kg = kmol 因此，包括進(jìn)口物流（ 6）中的水蒸氣，而不計(jì)二次空氣的少量水，則總水量為： ++ = 計(jì)算結(jié)果，物流組成如下： 物料衡算表 3 物料 二次空氣kmol kg 進(jìn)口kmol kg 尾氣kmol kg 進(jìn)料水kmol kg 酸 kmol NO NO2 微 O2 N2 HNO3 H2O 微 4950 ∑ 4950 總量校核： 物流 (6)+(8)= (9)? += =(相近 ) 物流 (9)+(11)= (10)+(12)？ + 4950 = + =（接近） 生成的酸 從冷凝器 HNO3 = kmol = kg H2O = = 從吸收器 HNO3 = kmol = kg H2O = kmol = kg 總量 HNO3 = + = H2O = + = 因此 HNO3 + H2O = kg 混酸濃度 = 100% = % 物料衡算表 4 物料 生成的酸（ 13） kmol kg HNO3 H2O ∑ 總收率 總收率可由氮平衡計(jì)算得到： 收率 = ） K m o l（N）（ N H） K m o l（NH N O232)3( 中的氮料液氨 中的氮生產(chǎn)硝酸 100% = 1002/100 2/ ? % = % 放大至所需生產(chǎn)的速率 本設(shè)計(jì)任務(wù)是生產(chǎn) 30 萬噸 /年（ 52%）的稀硝酸，換算成 100%的硝酸則是 萬噸 /每年；年生產(chǎn)時(shí)間為 7200h。 進(jìn)入吸收塔的氮 (N2)量不發(fā)生變化，所以在尾氣中： 氮 =從冷凝器進(jìn)入吸收塔的氮 +二次空氣中的氮 =（ 720+） kmol 尾氣中其他組分的量可忽略，主要是氮 (N2)和氧 (O2)的量，所以尾氣中氧 (O2)的百分?jǐn)?shù)為： )() 2 0( 1 0 0)( ??? ?? yyy =3 由此得 y= kmol 尾氣中的氧 (O2) = 4 = 尾氣中的氮 (N2) = + 720 = kmol 在尾氣中將含有 %～ %一氧化氮 (NO),若以 %計(jì)，則尾氣組成中一氧化氮 (NO)量為： 總流量 =（ N2+ O2）流量 =（ + ） = kmol 二次空氣的量是根據(jù)所有氮氧化物被吸收的假定計(jì)算的，其也可以由尾氣中O2 濃度假定值計(jì)算得到，這一數(shù)值不會變化，但是尾氣中的的數(shù)值要進(jìn)行校正， 以滿足平衡的要求。 尾氣1011水68912二次空氣 物料 (6)組成為： 物料衡算 圖 2 進(jìn)入吸收塔進(jìn)口物流中：一氧化氮 (NO)為 ，氧 (O2)為 將物流中一氧化氮 (NO)氧化為二氧化氮 (NO2)所需的氧，根據(jù)反應(yīng)式 (4),得氧(O2) 為 =5. 35 kmol 。 物流 (6)中水 = kmol= 物流 (7)中水 == = 計(jì)算結(jié)果，物流組成如下： 物料衡算表 2 物料 氣流 (6) 酸 (7) kmol kg kmol kg NO 321 微量 NO2 微量 O2 640 N2 720 20200 HNO3 N2O ∑ 校核：物料 (6)+(7)總量 =+=27916 kg 與物流 (4)出口總量 27916 kg相同。氣體總流量（忽略水）為++20+720=,水的摩爾分率估計(jì)為： 103，所以 水蒸汽 = 103 = kmol 冷凝水 = = kmol 應(yīng)用此值重新計(jì)算，可以得到更好的近似值。 氧平衡 假定未反應(yīng)的氧 (O2)為 X kmol，離開此單元的氧為 : （ 2NO + NO2 +X 6,) 物流氣體 +（ 23 HNO3 +21 H2O 7,) 物流酸 =（ ++X） +( 23 + )=（ 171+X） kmol 進(jìn)入單元的氧 = ( 2NO + O2 + 22OH 5)物流 = 296 ＋ 68＋ 2150 =191kmol 由氧平衡得未反應(yīng)氧 (O2) X= 191171= 以下對第一次試差時(shí)，所有的水蒸氣都冷凝的假設(shè)進(jìn)行校核。 這樣在出口物流中未反應(yīng)的氧可以由單元氮氧化物及氧的平衡式計(jì)算得到。為簡化起見，平衡計(jì)算時(shí)出口氣體中一氧化氮（ NO）的量取為在冷凝器中吸收二氧化氮（ NO2）形成硝酸時(shí)所生成的一氧化氮（ NO）量。在 40℃， 45%硝酸液面上水的蒸氣壓力為 ，總壓取 450KPa。這樣兩者溫差約為 10℃。 冷卻 — 冷凝器的平衡 進(jìn)口物料與氧化爐出口物流 4 組成相同。在廢熱鍋爐中，雖然沒有物料的分離，但組分發(fā)生變化，溫度也下降了。總量的計(jì)算，可校核物料平衡的計(jì)算。=57120kJ/kmol 氨的進(jìn)口濃度取為 11%（ V/V），故供給的空氣量 =100/11100=909 kmol 空氣組成 : 79%N2 , 21%O2（ V/V） 所以進(jìn)入氧化爐的氧和氮的流量 : 氧 (O2)=909=191kmol 氮 (N2)=909=718 kmol 未反應(yīng)的氧，即出口物流中的氧 =191－ 123 = 68kmol 出口物流中的氮為空氣中的氮和氨氧化反應(yīng)中生成的氮的總和。= 452435kJ/kmol 對反應(yīng) 1,在 96%的收率時(shí)，生成的一氧化氮 (NO)=100=96kmol 所需的氧 (O2) = 9645 =120 kmol 生成的水 (H2O) = 9623 =144 kmol 其余 4%的氨 (NH3)反應(yīng)生成氮 (N2)，生產(chǎn) 1mol 氮（ N2）需氧（ O2）為 3/2mol，由反應(yīng)式 2,得： 生成氮 =24 =2 kmol 所需氧 =443 =3 kmol 生成水 =423 =6 kmol 因此，所需氧總量 = 120+3=123kmol 生成水總量 = 144+6=150kmol 向反應(yīng)器供給的空氣是過量的，一方面使氨濃度低于爆炸極限（氨濃度為~%），同時(shí)可使一氧化氮氧化成二氧化氮。= 226334kJ/kmol 反應(yīng) 2: NH3(g)+43 O2(g)→ 21 N2(g)+23 H2O(g) △ Hr186。 基準(zhǔn)：反應(yīng)器進(jìn)料 100kmolNH3。反之，若尾氣中氧含量太低，說明補(bǔ)加空氣量少，不利于氧化。通常是控制吸收后尾氣中氧濃度在 3%～ 5%左右。 ② 氧的濃度 如前所述，當(dāng)氨一空氣混合氣體中氨濃度大于 %時(shí)，在吸收部分必須補(bǔ)加二次空氣。 ① 氮氧化物的含量 根據(jù)吸收反應(yīng)的平衡所知，要提高產(chǎn)品酸的濃度，首先要提高 NO2 的含量， 或者要提高 NO 的氧化度。因此，最適宜的操作壓力的確定要全面衡量，通常根據(jù)吸收 塔造價(jià)，壓縮機(jī)及尾氣膨脹機(jī)價(jià)格，電能消耗以及成品酸濃度要求等因素決定。同時(shí)，加壓可以大大減少吸收窖，從而可降低設(shè)備所需不銹鋼的費(fèi)用。 由于 NO2 吸收和 NO 氧化放出大量的熱，因此在吸收過程中要及時(shí)除去這些熱量以保證較低的吸收溫度，除去熱量的方法一般都是用水，由于受到冷卻水溫度的限制，吸收溫度一般在 20～ 35℃ ，若要進(jìn)一步降溫，需利用液氨冷卻鹽水移去反應(yīng)熱，可使吸收溫度降至 0℃ 。當(dāng)吸收度不變時(shí)，降低溫度可使吸收容積變小。 工藝條件的確定 吸收溫度 NO2 用水吸收的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度，平衡向生成硝酸的有利方向移動。因此，在一般工業(yè)條件下， HNO2 會很快按下式進(jìn)行分解： 3HNO2====HNO3+2NO+H2O △ H○一 298= 因而，用水吸收氮氧化物總反應(yīng)式可以寫成： 3NO2+H2O====2HNO3+NO △ H○一 298= 從上式可以看出，用水吸收 NO2 時(shí)，只有 2/3NO2 轉(zhuǎn)化為 HNO3，而 1/3NO2轉(zhuǎn)化為 NO。 第五章氮氧化物的吸收 氮氧化物吸收機(jī)理 一氧化氮氧化后的混合氣體中含有 NO， NO2， N2O3， N2O4 等氮氧化物，習(xí)慣上稱這氣體為硝化氣，硝化氣中除一氧化氮外，均能與水發(fā)生作用，其反應(yīng)式如下： 2NO2+H2O====HNO3+HNO2△ H○一 298= (1) N2O4+H2O====HNO3+HNO2 △ H○一 298=(2) N2O3+H2O====2HNO2 △ H○一 298= (3) 在吸收過程中， N2O3 含量極少，因此式（ 3）可以忽略。 通常濕法氧化用于常壓流程，在加壓流程中，由于一氧化氮氧化的完全程度和速度都相當(dāng)大，所以采用干法氧化。 ② 、可利用大量循環(huán)酸將 NO 氧化的反應(yīng)熱帶出系統(tǒng)，降低了溫度，故換熱效率更高。 濕法氧化是將氣體通入一塔內(nèi)，塔中用較濃的硝酸噴淋。 干法氧化是將氮氧化物通過一個干燥的氧化塔來進(jìn)行的，要求氣體在塔中有 充分的停留時(shí)間，從而達(dá)到氧化的目的。氣體以高速通過冷卻器的管內(nèi)，管外用大量冷卻水冷卻，使 氣體的冷卻和水的冷凝過程在短時(shí)間內(nèi)完成。這就要求選擇冷卻面