Чистка отходящих газов от оксидов азота в химических производствах

 

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 прогресс в теории и практике гетерогенных каталитических процессов, связанных с глубоким превращением различных веществ. На основе изучения химических закономерностей катализа, развития теории физической и химической адсорбции, детального изучения кинетики и механизмов каталитических реакций разработаны научные основы приготовления катализаторов для различных промышленных процессов.

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 описание

 

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

 

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:

СН₄ + 2 O₂ = СО₂ + 2 Н₂О      (3.1)

и восстановления оксидов азота:

СН₄ + 4 NO = 2 N₂ + CO₂ + 2 Н₂О      (3.2)

СН₄ + 2 NO₂ = N₂ + CO₂ + 2 Н₂О,      (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

    О₂           2,0-3,0

    N₂           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 нм³) в производстве азотной кислоты по методу ВНВК.

При проведении материальных расчетов применяем следующие допущения:

1. 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.
2. Незначительным количеством вводимого природного газа и продуктами горения при расчете степени превращения NO_X 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.
3. Первой протекает реакция горения метана с 100 %-ной степенью превращения.
4. 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

    О₂           2,5

    N₂           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 % NO₂ от общего количества оксидов азота), в 1000 м³ газа содержится:

NO:    или 

NO₂:    или 

O₂:     или 

N₂:    или 

Производим  расчет по уравнениям реакций. Основными реакциями процесса являются следующие:

СН₄ + 2 O₂ = СО₂ + 2 Н₂О      (5.4)

СН₄ + 4 NO = 2 N₂ + CO₂ + 2 Н₂О      (5.5)

СН₄ + 2 NO₂ = N₂ + CO₂ + 2 Н₂О,      (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)

CH₄:     или 

O₂:      или 

CO₂:     или 

H₂O:     или 

Реакция (5.5)

СH₄:     или 

NO:     или 

N₂:     или 

CO₂:     или 

H₂O:     или 

Реакция (5.6)

СH₄:     или 

NO₂:     или 

N₂:     или 

CO₂:     или 

H₂O:     или 

Таким образом, природного газа (метана) необходимо 12,5 + 0,4 + 3,25 = 16,15 (м³) или 8,93 + 0,29 + 2,32 = 11,54 (кг).

Производим расчет состава газа после очистки:

NO:      или 

NO₂:     или 

N₂:    или 

CO₂:    или 

H₂O:     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	м3	поток	кг	м3
1. Газ на очистку, в т.ч.:    NO    NO2    O2    N2 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    NO2    СO2    N2    Н2О	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 нм³) 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
CH4 (г)	- 74,85	2,24	-	2,62	-	-
NO (г)	90,37	-	1,00	1,02	1,04	1,06
NO2 (г)	33,89	-	0,86	0,92	0,97	1,01
О2 (г)	0,00	-	0,93	-	0,99	-
СO2 (г)	- 393,51	-	0,88	0,96	1,02	1,07
N2 (г)	0,00	-	1,05	1,06	1,08	1,09
Н2О (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)}

 

_{Необходимо 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;