Таким образом, становится очевидным, что давление, объемная скорость и состав газа являются независимыми от данной конкретной стадии процесса параметрами, а основную роль в процес се ВНВК играет температура, целиком определяемая выбором катализатора.
Подбор катализатора
К числу эффективных катализаторов для процесса ВНВК относятся самые различные вещества – от минералов, используемых почти без предварительной обработки, и простых металлов до сложных соединений заданного состава и строения.
Обычно каталитическую активность проявляют вещества с ионной связью, обладающие сильными межатомными полями. Одно из основных требований, предъявляемых к катализатору – устойчивость его структуры и свойств в условиях реакции. Например, металлы не должны в процессе реакции превращаться в неактивные соединения.
В настоящее время достигнут значительный
В промышленных процессах в качестве катализаторов ВНВК используют различные металлы, чаще всего нанесенные на разнообразные носители. Основными активными компонентами служат платина, палладий, родий, никель, медь, хром, а также ряд сплавов.
Форма носителей также разнообразна. Это как таблетированные, так и формованные катализаторы. Производимые в промышленности катализаторы в виде колец и блоков сотовой структуры обладают малым гидравлическим сопротивлением и высокой удельной поверхностью.
В СНГ наибольшее распространение получили палладиевые катализаторы марки АПК-2, представляющие собой таблетированный оксид алюминия, на который нанесен Рd в количестве 2 % по массе.
Данный катализатор позволяет работать в области температур на входе 673-773 (при использовании природного газа) при объемных скоростях 15000-25000 ч -1 .
3. Технологическая схема производства и её
Общая схема очистки отходящих газов в производстве азотной кислоты по методу ВНВК приведена на рис 3.1.
Рис. 3.1 — Схема очистки отходящих газов в производстве азотной кислоты по методу ВНВК
1 – подогреватель; 2 — смеситель; 3 — реактор; 4 — газовая турбина
Очистка газов, основанная на катализе
... очистки отходящих газов в химической промышленности, а именно каталитическую очистку газов. Рассмотрены катализаторы и каталитические реакторы применяемые при каталитической очистки. В технологической части рассмотрена схема. В расчетной части представлен расчет каталитического ... источниками загрязнения атмосферного воздуха являются промышленные предприятия, транспорт, тепловые электростанции, ...
Отходящие из абсорбционной колонны газы, содержащие до 0,8-1,0 % (об.) оксидов азота и до 3 % (об.) предварительно подогревают до 743-763 К теплом поточных газов в теплообменнике 1. После смешения с природным газом в смесителе 2, взятым из стехиометрического расчета на протекания реакций выжигания кислорода:
СН 4 + 2 O2 = СО2 + 2 Н2 О (3.1)
и восстановления оксидов азота:
СН 4 + 4 NO = 2 N2 + CO2 + 2 Н2 О (3.2)
СН 4 + 2 NO2 = N2 + CO2 + 2 Н2 О, (3.3)
газ направляют в реактор каталитической очистки 3, где на алюмопалладиевом катализаторе АПК-2 происходят реакции (3.1)-(3.3).
Вследствие протекания реакций температура газа повышается до 973-1023 К (в-основном, за счет реакции горения метана).
После реактора каталитической очистки 3 очищенный газ с температурой 1073-1123 К и давленим до 0,7 МПа направляется в газовую турбину 4, где тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую с одновременным снижением давления газа до 0,95–1,05 МПа. Энергия, вырабатываемая в газовой турбине, используется для привода компрессоров воздуха и нитрозных газов.
После турбины 4 газ с содержанием оксидов азота не болем 0,01 % (об.) выбрасывается в атмосферу.
4. Нормы технологического режима
Процесс очистки отходящих газов в производстве азотной кислоты по методу ВНВК характеризуется следующими основными технологическими параметрами и нормами:
Давление в системе, МПа 0,1-0,7
Температура, К:
газа в подогреватель 1 343-363
газа в смеситель 2 733-773
газа в турбину 4 1073-1123
газа после турбины 4 473-523
природного газа 293-303
Состав газа на очистку, % (об.)
NO Х 0,8-1,0
О 2 2,0-3,0
N 2 94,0-97,2
Степень окисленности газа на очистку, % 75-85
Содержание NO Х после очистки, % (об.) 0,07-0,09
5. Материальные расчеты
Целью материального расчета является составление материального баланса для процесса очистки отходящих газов (на 1000 нм 3 ) в производстве азотной кислоты по методу ВНВК.
При проведении материальных расчетов применяем следующие допущения:
- Поскольку все химические реакции протекают в одном аппарате (реактор 3) технологическую схему рассматриваем как единый аппарат, в который входят потоки газа на очистку и природного газа (100 %-ный метан), а выходит поток очищенного газа.
- Незначительным количеством вводимого природного газа и продуктами горения при расчете степени превращения NOX условно пренебрегаем, т.е. рассчитываем ее из начального (0,9 %) и конечного (0,08 %) содержания оксидов азота без поправки на вводимый в систему природный газ и продукты его горения в отходящих газах.
- Первой протекает реакция горения метана с 100 %-ной степенью превращения.
- В ходе реакций восстановления, NO и NO2 восстанавливаются с одинаковой степенью превращения.
Исходные данные для расчета:
Состав газа на очистку, % (об.)
NO Х 0,9
О 2 2,5
N 2 96,6
Степень окисленности газа на очистку, % 80
Содержание NO Х после очистки, % (об.) 0,08
Производим расчет количества газа на очистку.
Расчет производим по формулам:
(5.1)-(5.3)
где V – общий объем газа;
φ i – объемная доля i-го компонента;
m i – масса i-го компонента;
M i – молярная масса i-го компонента;
V M = 22,4 л/моль – молярный объем газа при н.у.
Согласно приведенному составу газа на очистку и его окисленности (80 % NO 2 от общего количества оксидов азота), в 1000 м3 газа содержится:
NO: или
NO 2 : или
O 2 : или
N 2 : или
Производим расчет по уравнениям реакций. Основными реакциями процесса являются следующие:
СН 4 + 2 O2 = СО2 + 2 Н2 О (5.4)
СН 4 + 4 NO = 2 N2 + CO2 + 2 Н2 О (5.5)
СН 4 + 2 NO2 = N2 + CO2 + 2 Н2 О, (5.6)
Рассчитываем количества реагентов и продуктов по реакциям, согласно уравнениям. При этом степень превращения оксидов азота по реакциям (5.1) и (5.2) составляет .
Реакция (5.4)
CH 4 : или
O 2 : или
CO 2 : или
H 2 O: или
Реакция (5.5)
СH 4 : или
NO: или
N 2 : или
CO 2 : или
H 2 O: или
Реакция (5.6)
СH 4 : или
NO 2 : или
N 2 : или
CO 2 : или
H 2 O: или
Таким образом, природного газа (метана) необходимо 12,5 + 0,4 + 3,25 = 16,15 (м 3 ) или 8,93 + 0,29 + 2,32 = 11,54 (кг).
Производим расчет состава газа после очистки:
NO: или
NO 2 : или
N 2 : или
CO 2 : или
H 2 O: или
По рассчитанным данным составляем таблицу материального баланса процесса.
Таблица 5.1
Материальный баланс процесса очистки отходящих газов в производстве азотной кислоты по методу ВНВК
|
ПРИХОД |
РАСХОД |
||||
|
поток |
кг |
м 3 |
поток |
кг |
м 3 |
|
1. Газ на очистку, в т.ч.: NO NO 2 O 2 N 2 2. Природный газ |
1260,61 2,41 14,79 35,71 1207,5 11,54 |
1000,00 1,80 7,20 25,00 966,00 16,15 |
1. Очищенный газ, в т.ч.: NO NO 2 СO 2 N 2 Н 2 О |
1271,95 0,27 1,45 31,72 1212,56 25,95 |
1019,40 0,20 0,70 970,05 16,15 32,30 |
|
Всего: |
1271,95 |
1016,15 |
Всего: |
1271,95 |
1019,4 |
6. Тепловые расчеты
Целью теплового расчета является составление теплового баланса процесса очистки отходящих газов (на 1000 нм 3 ) в производстве азотной кислоты по методу ВНВК. Тепловой расчет проводим по аппаратам.
Исходные данные для расчета:
Температура, К:
газа в подогреватель 1 353
газа в смеситель 2 753
газа после турбины 4 523
природного газа в смеситель 2 293
При этом энтальпия и теплоемкости веществ в интервале температур 293-1100 К составляют:
|
Компонент |
Энтальпия, кДж/моль |
Теплоемкость, кДж/(кг . К) |
||||
|
293 К |
353 К |
523 К |
753 К |
1100 К |
||
|
CH 4 (г) |
— 74,85 |
2,24 |
— |
2,62 |
— |
— |
|
NO (г) |
90,37 |
— |
1,00 |
1,02 |
1,04 |
1,06 |
|
NO 2 (г) |
33,89 |
— |
0,86 |
0,92 |
0,97 |
1,01 |
|
О 2 (г) |
0,00 |
— |
0,93 |
— |
0,99 |
— |
|
СO 2 (г) |
— 393,51 |
— |
0,88 |
0,96 |
1,02 |
1,07 |
|
N 2 (г) |
0,00 |
— |
1,05 |
1,06 |
1,08 |
1,09 |
|
Н 2 О (г) |
— 241,84 |
— |
1,90 |
1,92 |
1,99 |
2,06 |
Подогреватель газа
Приход тепла в подогреватель осуществляется с входящим газом (физическое тепло) и за счет подогрева, расход тепла – за счет физического тепла выходящего газа и тепловых потерь.
Приход тепла
1. С газом при 353 К
Количество физического тепла, внесенного (вынесенного) с веществами, определяем по формуле:
, (6.1)
где m – количество вещества, кг;
с – теплоемкость вещества при температуре t, Дж/(моль . ºC);
- t – температура вещества, ºC.
2. Подводимое тепло
ПРИХОД ТЕПЛА: 105,3 + Х (МДж)
Расход тепла
1. С газом при 753 К
2. Потери тепла
Принимаем в размере 5 % от суммарного прихода (расхода) тепла, что составляет:
РАСХОД ТЕПЛА: 651 + 34,3 = 685,3 (МДж)
Не обходимо подвести тепла: 685,3 – 105,3 = 580,0 (МДж)
Смеситель
Приход тепла в смеситель осуществляется с входящими газом на очистку и природным газом, расход тепла – за счет тепла выходящего газа и тепловых потерь.
Приход тепла
1. С газом при 753 К.
2. С метаном газом при 293 К.
ПРИХОД ТЕПЛА: 651 + 0,3 = 651,3 (МДж)
Расход тепла
1. С газом
2. Потери тепла
Принимаем в размере 3 % от суммарного прихода (расхода) тепла, что составляет:
РАСХОД ТЕПЛА: Х + 19,5 (МДж)
Тогда с газом уходит тепла: 651,3 – 19,5 = 631,8 (МДж)
Средняя температура газа , исходя из его состава и условно принимая теплоемкость компонентов равной их теплоемкости при 753 К, равна:
Реактор
Приход тепла в реактор осуществляется с входящим газом и за счет тепла реакций, расход тепла – за счет тепла выходящего газа и тепловых потерь.
1. С газом при 739 К.
2. Тепло реакций.
Тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в ходе реакции, определяем по уравнению:
, (6.2)
где – тепловой эффект реакции, кДж;
