40360

Математическая модель узла абсорбции оксидов азота водой в производстве разбавленной азотной кислоты

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Для реализации данной задачи инженер должен решить две основные задачи: проектирование и создание новых высокоэффективных технологических процессов либо эксплуатация уже существующих производств, их интенсификация и повышение эффективности их функционирования.

Русский

2014-12-26

6.14 MB

21 чел.

Содержание

Введение

  1.  Описание технологической схемы установки производства неконцентрированной азотной кислоты
  2.  Операторная схема и ее описание
  3.  Математическое описание химико-технологической системы
  4.  Обобщенное математическое описание элементов ХТС
  5.  Блок-схема подробного алгоритма расчета
  6.  Программа и результаты расчета на ЭВМ
    1.  Исходные данные
    2.  Материальный баланс
    3.  Тепловой баланс

Заключение

Список использованных источников


Введение

Азотная кислота – один из основных продуктов неорганического синтеза. Она широко применима в народном хозяйстве и других областях промышленности. В настоящее время отмечен значительный рост в потреблении азотной кислоты. Это приводит к увеличению объемов производства данного продукта, что связано с увеличением выбросов в окружающую среду. Наряду с этим ожесточаются экологические требования. Все это приводит к необходимости усовершенствования процесса производства азотной кислоты. Один из путей уменьшения выбросов – это усовершенствование процесса абсорбции оксидов азота водой [1].

Для реализации данной задачи инженер должен решить две основные задачи: проектирование и создание новых высокоэффективных технологических процессов либо эксплуатация уже существующих производств, их интенсификация и повышение эффективности их функционирования. Эти задачи решаются в несколько этапов (стадий), совершающихся либо одновременно, либо последовательно. Для того чтобы представить общий объём работы, отдельные этапы её выполнения, связь между этими этапами и последовательность их выполнения, удобно задачу создания и эксплуатации ХТС рассматривать как многоуровневую с различными по сложности уровнями.

Первым базовым уровнем этой общей задачи является построение математических моделей отдельных элементов и на их основе полной математической модели ХТС.

Математическая модель должна отражать сущность функционирования ХТС как единого целого. Для этого в модели должны быть описаны в виде количественных зависимостей важнейшие стороны химического производства. Прежде всего, в математической модели отражается сущность химико-технологических процессов, протекающих в элементах системы, а также технологические связи между элементами, динамика взаимодействия элементов и подсистем сложной ХТС. Наряду с этим уже на стадии создания математической модели необходимо выбрать показатель эффективности функционирования ХТС, установить его функциональную зависимость от различных факторов, позволяющую определять его числовые значения при различных условиях работы ХТС [2].

В данной работе рассмотрены математическая модель узла абсорбции оксидов азота водой в производстве разбавленной азотной кислоты. Данная модель является частью математической модели ХТС всего процесса.


1  Описание технологической схемы установки производства неконцентрированной азотной кислоты

Объектом исследования, рассматриваемым в данной работе, является агрегат производства неконцентрированной азотной кислоты под давлением 0,716МПа. На рисунке 1 показана схема этого производства.

Поток воздуха после турбины Т и аммиак подаются в смеситель С, откуда, образовавшаяся аммиачно-воздушная смесь с содержанием аммиака 9,5 – 11,0 %об. поступает с температурой 140 – 160 °С в контактный аппарат КА. В контактном аппарате при температуре 880 – 910°С происходит конверсия аммиака на платино-родиево-рутениево-палладиевых сетках [2].

Образующиеся на катализаторе нитрозные газы охлаждаются в котле-утилизаторе КУН до температуры 230 - 285°С. Для поддержания температуры нитрозного газа перед подогревателем “хвостовых” газов в пределах 260 - 350°С часть нитрозного газа байпасирует из входной камеры котла - утилизатора в выходную камеру.

Далее нитрозный газ проходит двухступенчатое рекуперативное охлаждение до температуры 150 – 185 °С.

Для увеличения степени окисленности нитрозного газа в коллектор нитрозного газа после подогревателя “хвостового” газа ПХГ-2 подаётся добавочный воздух. После подогревателя нитрозные газы подаются в холодильники - конденсаторы К1 и К2, а затем в абсорбционную колонну АК.

“Хвостовые” газы после абсорбционной колонны АК с температурой не более 35°С подогреваются нитрозными газами в подогревателях “хвостовых” газов ПХГ-1 и ПХГ-2 до температуры 220 – 260°С. Далее “хвостовые” газы поступают в реактор селективной каталитической очистки РСО, где на алюмованадиевом катализаторе АВК – 10М [3] и температуре 220 – 260°С происходит восстановление оксидов азота аммиаком.

После реактора селективной очистки “хвостовые” газы с температурой 270 – 300°С направляются на турбину для рекуперации тепла. Так как турбина работает на высокопотенциальной энергии, “хвостовые ” газы сперва нагреваются в камере сгорания турбины до температуры 900°С за счет подаваемого метана и воздуха. Одновременно в камеру сгорания турбины подается пар для предотвращения образования нитрозных газов.

Из камеры сгорания турбины “хвостовые” газы поступают на лопасти турбины, где отдают энергию за счет выполнения работы. В турбину подается воздух по давлением 0,716 МПа для продувки “хвостовых” газов.

После турбины при температуре 320-400°С “хвостовые” газы охлаждаются в котле утилизаторе “хвостовых” газов до температуры не более 200°С и выбрасываются в атмосферу.

Таблица 1 – Обозначение потоков в схеме производства неконцентрированной азотной кислоты

Условное обозначение

Наименование среды в трубопроводе

Букв

Графическое

–––– 1 –––––– 1 ––––––

Диоксид углерода

–––– 36в ––––– 36в–––

Аммиак

–––– 3 –––––– 3 ––––––

Раствор углеаммонийных солей

–––– 1.6 –––––– 1.6 ––––––

Вода

–––– 4 –––––– 4 ––––––

Жидкая смесь

–––– 5 –––––– 5 ––––––

Газовая смесь

–––– 6 ––––––6––––––

Газо-жидкостная смесь

–––– 7 –––––– 7 ––––––

Инерты

–––– 8 –––––– 8 ––––––

Водный раствор

–––– Т7 –––––– Т7 ––––––

Пар


2  Операторная схема и ее описание

Операторная схема ХТС - это такой чертеж, на котором каждый элемент изображают в виде совокупности нескольких типовых технологических операторов, а взаимосвязь между типовыми технологическими операторами и технологические соединения между элементами изображают направленными линиями [4].

Технологический оператор ХТС - это элемент ХТС, в котором происходит качественное или количественное преобразование физических параметров входных материальных и энергетических технологических потоков, которые являются результатом протекающих в нем химических или физических процессов.

Операторная схема дает наглядное представление о физико-химической сущности технологических процессов системы. Для этого каждый элемент ХТС изображают в виде определенного типового технологического оператора, который качественно или количественно преобразует физические параметры входных материальных и энергетических потоков.

Типовым технологическим оператором модно считать каждый типовой химико-технологический процесс. Типовые технологические операторы подразделяются на основные и вспомогательные. К основным относятся технологические операторы химического превращения массообмена, разделения, смешения. Эти операторы обеспечивают целевое направление функционирования ХТС. Вспомогательные технологические операторы -нагрева или охлаждения, сжатия или расширения или изменения агрегатного состояния (конденсации, испарения, растворения и др.) оказывают влияние только на энергетические и фазовые состояния системы.

В приложении  1 представлена операторная схема узла абсорбции оксидов азота.

где М1 – аммиак; М2 – воздух; М3 – аммиачно-воздушная смесь; М4 – нитрозные газы; М5 – вода; М6 – пар; М7 – конденсат; М8 – нитрозные газы с воздухом; М9 – азотная кислота; М10 – хвостовые газы; М11 – аммиак и хвостовые газы; М12 – очищенные газы; М13 – метан; М14 – метан и воздух; М15 – оксиды углерода и водорода; М16 – очищенный газ и оксиды; М17 – оборотная вода.

Вспомогательные технологические операторы используют для повышения эффективности функционирования системы путем изменения ее энергетического и фазового состояния. К ним относят операторы нагрева и охлаждения, сжатия и расширения, изменения агрегатного состояния (конденсация, испарение, растворение).

Взаимодействие отдельных технологических операторов осуществляется благодаря технологическим связям (соединениям) между ними. Каждой технологической связи соответствует некоторый материальный или энергетический поток, называемый технологическим потоком.

Операторная схема ХТС не только показывает взаимосвязь между отдельными элементами ХТС, но она дает сведения о физико-химической сущности процессов, протекающих в системе. Каждая стадия может включать несколько типовых технологических операторов [5].


3  Математическое описание химико-технологической системы

Количество оксидов азота на 1000 кг моногидрата HNO3

где М – масса моногидрата, кг;

m – молярная масса моногидрата, кг/кмоль;

α – степень абсорбции оксидов азота в моногидрат.

Состав нитрозного газа на 1000 кг моногидрата HNO3

где Xi – объемная доля компонента в газе, %

X0 и X1 – объемные доли NO2 и NO в газе, %.

Количество воды , необходимое для образования моногидрата HNO3 

где – доля моногидрата в кислоте.

Для разбавления моногидрата HNO3 до 58% HNO3

где Mv – молярная масса моногидрата, кг/кмоль.

Всего     

Равновесное давление оксидов азота Pp над кислотой на тарелке

p(NO2)=kp(NO)^1/3(1+np(NO)^1/3)

где k и n – коэффициенты уравнения по справочнику.

Исходному газу соответствуют следующие давления газов

   и         

Теоретически возможная степень переработки оксидов азота в HNO3

Значение к.п.д. вычисляем по формуле

где С, δ, р0, W, H – по справочнику;

t – температура.

Практическая степень превращения оксидов в азотную кислоту равна

В азотную кислоту превратилось        

На это израсходовалось NO2                

Регенерировалось NO                            

Всего NO в газе                                     

Степень окисления NO в жидкой фазе в пенном слое

Количество оксида азота окисленного в жидкой

Расходуется кислорода на окисление NO      

Остается NO в газе                              

Газ содержит NO2                                

Газ содержит O2                                    

На образование моногидрата HNO3 пошло воды     

Содержание паров воды в газе после первой тарелки

Из уравнения (x/(199.528+x))100=1.46 находим х

Всего

Процентное содержание компонентов в смеси

Степень окисления газа                    

Сконденсируется воды на первой тарелки                  

На верхних тарелках образуется кислоты

Количество воды , которое должно стекать с них      

Концентрация кислоты , стекающей с вышележащей тарелки

Погрешность

Газ вносит      

где К – количество газа , кмоль/т моногидрата HNO3;

Ср – средняя теплоемкость газа , кДж/(кмольК);

Т1 – температура газа из окислительного объема, С.

При образовании HNO3 выделяется  3NO2+H2O=2HNO3+NO+ Q1=73530 кДж

Разбавление моногидрата HNO3 до 58%-ной HNO3 сопровождается выделением

При конденсации водяных паров выделяется   

Теплота , переносимая кислотой , поступающей с вышележащей тарелки

Уходит теплоты

с газом                      с кислотой   

Для поддержания в слое пены неизменной температуры необходимо отвести теплоты

Погрешность


4  Обобщенное математическое описание элементов ХТС

Основная задача расчета материального и теплового балансов ХТС — нахождение параметров состояния потока технологической схемы: общих и покомпонентных расходов; составов потоков, температур и энтальпий.

Методы решения этой задачи можно разделить на две группы: интегральные и декомпозиционные.

Суть интегральных методов расчета ХТС заключается в объединении систем уравнений, описывающих работу отдельных аппаратов, в одну большую систему уравнений решений этой системы. К недостаткам этой группы методов следует отнести:

1. большую размерность единой системы уравнений;

2. уникальность каждой системы уравнений, соответствующей специфике рассчитываемой ХТС.

Первый недостаток обусловлен тем, что в реальную ХТС входит много аппарат каждый из которых описывается Сравнительно небольшой системой уравнений. Однако суммарная размерность единой системы уравнений получается настолько большой, получившуюся систему не всегда удается решить на современных ЭВМ. [5].

Второй недостаток – неповторяемость систем уравнений – вызывает необходимо при решении задачи на ЭВМ или составлять каждый раз заново программу вычислена или проводить вручную большую подготовительную работу. При этом достаточно сложно автоматизировать решение задачи расчета ХТС.

Суть декомпозиционных методов расчета заключается в том, что каждый аппарат или группу аппаратов рассчитывают отдельно, а расчет всей ХТС состоит из последовательности расчетов отдельных аппаратов. При этом размерность каждой отдельной системы уравнений небольшая, так как рассчитывается каждый раз только один аппарат. Кроме того, типов аппаратов сравнительно немного. Следовательно, можно заранее составить подпрограммы для расчета отдельных аппаратов и из этих подпрограмм (модулей) составить программу расчета всей ХТС, т. е. автоматизировать процесс расчёта. В этом смысле декомпозиционные методы обладают значительными преимуществами перед интегральными. Интегральные и декомпозиционные методы подразделяются на итерационные и безытерационные [4].

Если зависимость между входными и выходными переменными отдельного аппарата технологической схемы линейная, то его математическая модель может быть записана в матричной форме.

[Y] = [А]·[X]

где [А] – матрица преобразования, или операционная матрица, элементы которой соответствуют коэффициентам функциональной связи между элементами векторов входных (х1 х2, ..., хm) и выходных (y1 …, yn) переменных данного аппарата. Элементами матрицы преобразования А могут быть коэффициенты разделения, степень превращения, выход целевого продукта, к. п. д., степень абсорбции и др., а также коэффициенты уравнения линейной регрессии.

Принципы построения операционных матриц рассмотрены ниже. Математическая модель ХТС может быть получена объединением матриц преобразования отдельных элементов в соответствии с их технологической структурой.

ХТС с помощью операционных матриц сводится к составлению

эквивалентной матрицы преобразования системы, которая выражает взаимосвязь всех переменных ХТС и может быть записана следующим образом:

[С][Х(1), Х(2), ..., Х(k), ..., Х(n),Y0]Т = 0

где Х(k) – вектор-строка входных переменных к-го аппарата;

Y0 – вектор-строка выходных переменных системы;

[С] – эквивалентная матрица преобразования (или матрица уравнений связи ХТС), элементы которой соответствуют элементам операционных матриц отдельных аппаратов;

n – число аппаратов ХТС;

Т – знак транспонирования.

При расчёте ХТС значения входных переменных системы и проектных технологических и конструктивных параметров выделяют в самостоятельный вектор U с соответствующей ему матрицей преобразования В1. Так как выходные переменные системы не оказывают влияния на остальные параметры, они могут рассчитываться отдельно после определения значений промежуточных переменных ХТС. Тогда математическое описание ХТС можно представить в следующем виде:

1][Х1(1), ..., Х1(k), ..., Х1(n)]т + [В1]Y = 0

[Y] = [С2][ Х1(1), ..., Х1(k), ..., Х1(n)]т + [В1]U

где [С1], [С2], [В1], [В2] – матрицы соответствующих уравнений связи;

Х1(k) – вектор-строка входных переменных к-го аппарата, за исключением переменных, входящих в вектор U;

U – вектор-столбец входных переменных ХТС и проектных технологических и конструктивных параметров;

Y – вектор-строка выходных переменных ХТС.

Система уравнений является линейной, поэтому расчёт ХТС по уравнениям не требует итерационного уточнения параметров состояния потоков между аппаратами. ХТС рассчитывают в два приема: сначала, в результате решения системы линейных уравнений находят вектор промежуточных переменных, а затем по уравнению определяют вектор выходных переменных технологической схемы[4]. Построим матрицы для узла абсорбции оксидов азота.

Операторная схема узла абсорбции оксидов азота


1 – межфазный теплообмен

2 – теплообменник

3 – разделитель

4смеситель

5 – межфазный теплообмен

6 – смеситель

7теплообменник

8 – разделитель

9 – межфазный теплообмен

10 – теплообменник

11 – межфазный теплообмен


5 Блок-схема подробного алгоритма расчета


6  Программа и результаты расчета на ЭВМ

6.1  Исходные данные


6.1 Материальный баланс


6.1  Тепловой баланс


Заключение

В данной курсовой работе был рассмотрен процесс производства неконцентрированной азотной кислоты, в частности узел абсорбции оксидов азота водой. Была рассмотрена математическая модель производства. Разработана операторная схема, описывающая весь процесс. Разработано математическое описание узла абсорбции, которое включает: матрицы для каждого оператора, содержащие все входящие и выходящие параметры. На основе полученных матриц составлена обобщенная матрица узла. Разработана программ расчета материального и теплового балансов узла абсорбции в системе MachCad.


Список использованных источников

  1.  Атрощенко В.И. и Каргин С.И. Технология связанного азотной кислоты Учеб. пособие для вузов. – М.: Химия, 1970. – 494с.
  2.  Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности Под ред. И.И Олевского. – М.: Химия, 1985. – 397с.
  3.  Мухленов И.Н. и др. Основы химической технологии Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Высшая школа, 1975. – 344с.
  4.  Кафаров В.В., Мешалкин В.П., Анализ и синтез химико-технологических систем. Учеб. Для вузов. – М.: Химия, 1991. – 432с.
  5.  Методы и средства автоматизированного расчета химико-технологических систем:/ Н.в. Кузичкин, С.н. Саутин, А.Е. Пунин и др. – Химия, 1987. – 152с.
  6.  Справочник азотчика 2-е изд. Пераб. – М.: Химия,1986. – 512с.

V1, X1, T1

V2, X2, T2

V22, X22

V23, X23

T3

V2, X2, T2

V12

T14

V11, T11

V13

V12

V4, X4 T4

V4, X4 T4

T3

19, X19

V21, X21

V20, X20

V5, X5, T5

V6, X6, T6

V21, X21

V22, X22

T7

V6, X6, T6

V15

T17

T7

V8, X8, T8

V18, X18

V19, X19

V13

V16

V15

T9

V8, X8, T8

V10

T18

T9

V10, X10, T10

V17, X17

V18, X18

Начало

Xi, p, δ, , τ, , T, M, m, Mv, M1, I, K30, a, b, k, n, C, H

         

            

 

p(NO2)=kp(NO)^1/3(1+np(NO)^1/3)

     

               

      

    

   

1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%, 1, 2, 3, 4, 5, 6, A, B

K, Cp, T1, t

      

    

      

    

Q1, Q2, Q3, Q,4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, O

Конец

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

36527. Параметры процедурного типа и их использование 25.5 KB
  Он основан на введении процедурных типов. Процедурный тип тип представляющий семейство процедур или функций для их использования в программе. Как и любой тип Турбо Паскаля процедурный тип должен быть описан а затем может быть использован для работы с переменными процедурного типа или константами.
36528. Информация, информационные революции, основные этапы. Классификация информации 25.5 KB
  Iя революция изобретение письменности. IIя революция сер. IIIя революция кон. IVя революция 70е гг.
36529. Возникновение эвм, поколения эвм. Критерии классификации 26 KB
  Возникновение ЭВМ. Поколения ЭВМ. Под поколением ЭВМ понимается серия вычислительных машин обладающих едиными научными и техническими принципами возможностью создания разными коллективами 1е поколение 194650 элементная база электронные лампы Стрела Урал1 и.
36530. Характеристика поколений Эвм 25.5 KB
  Под поколением ЭВМ понимается серия вычислительных машин обладающих едиными научными и техническими принципами возможностью создания разными коллективами 1е поколение 194650 элементная база электронные лампы Стрела Урал1 и. Программирование коды ЭВМ. Основной тип большие ЭВМ.
36531. Принципы фон Неймона как основы информации эвм. Схема эвм, основные компоненты 31 KB
  Схема эвм основные компоненты. Принципы Неймона как основы информации ЭВМ. 1ВМ строится на основе двоичной системы счисления 2Программный принцип управления ЭВМ заключаются в том что ЭВМ выполняет решение задачи с помощью программы которая записывается в память до момента ввода исходных данных задачи и выполняется под управлением программы также записанной в памяти.
36532. Понятие систем исчисления,Виды систем исчисления.Правила двоичной арифметики.Кодировка систем исчисления 27.5 KB
  Правила двоичной арифметики: Для автоматизации работы с данными относящимися к различным типам очень важно унифицировать их форму представления для этого обычно используется прием кодирования то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки это не что иное как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки системы кодирования компонентов языка с помощью...
36533. Современная методология программирования 28.5 KB
  Однако процесс создания программы остается кустарным и творческим. Появляется противоречие между кустарным способом разработки программ и индустриальным характером продукции отсюда возникает потребность в создании методологии программирования его стандартизации и разработке логических правил синтеза программы. Для оценки качества программ существуют следующие критерии: 1Работоспособность возможность выполнения программы на имеющемся ЭВМ 2Правильность или корректность строгое соответствие результата полученного при выполнении программы...
36534. Основные принципы информационного программирования 24.5 KB
  Современная методология программирования базируется на следующих основных принципах: 1Разбиение процесса создания программы на отдельные этапы и соблюдение их четкой последовательности. 5Использование принципов структурного программирования которое включает в себя проектирование алгоритма на основе ограниченного набора базовых конструкций: 1.
36535. Наставничество в органах внутренних дел 172 KB
  Наставничество в органах внутренних дел представляет собой важную форму повышения профессионального мастерства, трудового и нравственного воспитания лиц рядового и начальствующего состава.