От какво се прави селитра? Производство на амониев нитрат
Амониевият нитрат се получава чрез неутрализиране на азотна киселина с газообразен амоняк съгласно реакцията:
NH 3 (g) + НNO 3 (l) NH 4 NO 3 +144,9 kJ
Тази почти необратима реакция протича с висока скорост и с отделяне на значително количество топлина. Обикновено се извършва при налягане, близко до атмосферното; в някои страни инсталациите за неутрализация работят при налягане от 0,34 MPa. При производството на амониев нитрат се използва разредена 47-60% азотна киселина.
Топлината на реакцията на неутрализация се използва за изпаряване на водата и концентриране на разтвора.
Промишленото производство включва следните етапи: неутрализация на азотна киселина с газообразен амоняк в ITN апарат (използване на неутрализираща топлина); изпаряване на разтвор на селитра, гранулиране на стопилка на селитра, охлаждане на гранули, обработка на гранули от повърхностноактивно вещество, опаковане на селитра, съхранение и товарене, газови емисии и пречистване на отпадъчни води. Добавките се въвеждат по време на неутрализацията на азотната киселина.
На фигура 1 е показана схема на съвременен едротонажен агрегат AS-72 с капацитет 1360 t/ден.
Ориз. един.
1 - киселинен нагревател; 2 - амонячен нагревател; 3 - ITN устройства; 4 - неутрализатор; 5 - изпарител; 6 - резервоар под налягане; 7, 8 - гранулатори; 9, 23-ветрила; 10 - миещ скрубер; 11 - барабан; 12.14 - конвейери; 13 - асансьор; 15-апарат с кипящ слой; 16 - гранулационна кула; 17 - колекция; 18, 20 - помпи; 19 - резервоар за плуване; 21-филтър за плуване; 22 - въздушен нагревател
Постъпилата 58-60% азотна киселина се нагрява в нагревателя 1 до 70-80 o C с изпарения сок от апарата ITN 3 и се подава за неутрализация. Преди апарат 3 към азотна киселина се добавят термична фосфорна и сярна киселини в количество 0,3-0,5% P 2 O 5 и 0,05-0,2% амониев сулфат, като се брои на крайния продукт.
Сярната и фосфорната киселини се доставят от бутални помпи, чиято производителност се регулира лесно и прецизно. Уредът е оборудван с две паралелно работещи неутрализиращи устройства. Тук се подава и газообразен амоняк, нагрят в нагревателя 2 чрез парен кондензат до 120-130 ° C. Количеството подадена азотна киселина и амоняк се регулира така, че разтворът да има лек излишък от азотна киселина на изхода на ITN апарата , осигурявайки пълното усвояване на амоняка.
В долната част на апарата се извършва неутрализация на киселини при температура 155-170°C за получаване на разтвор, съдържащ 91-92% NH 4 NO 3 . В горната част на апарата водната пара (т.нар. сокова пара) се измива от пръски от амониев нитрат и пари HN03. Част от топлината от парите на сока се използва за нагряване на азотната киселина. След това соковата пара се изпраща за почистване в миещи скрубери и след това се изпуска в атмосферата.
Киселият разтвор на амониев нитрат се изпраща към неутрализатора 4, където се подава амоняк в количеството, необходимо за неутрализиране на разтвора. След това разтворът се подава в изпарителя 5 на дупара, който се провежда от водна пара при налягане 1,4 МРа и въздух, нагрят до около 180°С. Получената стопилка, съдържаща 99,8-99,7% селитра, преминава през филтър 21 при 175 ° C и се подава от центробежна потопяема помпа 20 в резервоар под налягане 5, а след това в правоъгълна метална гранулираща кула 16 с дължина 11 m , ширина 8 m и височина на върха до конуса 52,8 m.
В горната част на кулата са разположени гранулатори 7 и 8; въздухът се подава в долната част на кулата, охлаждайки капки селитра, които се превръщат в гранули. Височината на падане на частиците от селитра е 50--55m. Конструкцията на гранулаторите осигурява производството на гранули с еднакъв гранулометричен състав с минимално съдържание на малки гранули, което намалява увличането на прах от кулата по въздух. Температурата на гранулите на изхода на кулата е 90--110°C, така че те се изпращат за охлаждане към апарата с кипящ слой 15. Апаратът с кипящ слой е правоъгълен апарат с три секции и снабден с решетка с отвори . Въздухът се подава под решетката от вентилатори, като по този начин се създава флуидизиран слой от гранули от селитра с височина 100--150 mm, които идват през конвейера от гранулационната кула. Наблюдава се интензивно охлаждане на гранулите до температура 40°C (но не по-висока от 50°C), съответстваща на условията за съществуване на модификация IV. Ако температурата на охлаждащия въздух е под 15°C, тогава преди да влезе в апарата с кипящ слой, въздухът се нагрява в топлообменника до 20°C. В студения период от време могат да работят 1-2 секции.
Въздухът от апарата 15 влиза в гранулационната кула за образуване на гранули и тяхното охлаждане.
Гранулите от амониев нитрат от апарата с кипящ слой се подават чрез конвейер 14 за обработка с повърхностно активно вещество във въртящ се барабан 11. Тук гранулите се напръскват с напръскан 40% воден разтвор на NF диспергатора. След това селитрата преминава през електромагнитен сепаратор за отделяне на случайно хванати метални предмети и се изпраща в бункера, а след това за претегляне и опаковане в хартиени или найлонови торбички. Торбите се транспортират с конвейер за товарене във вагони или до склад.
Въздухът, излизащ от горната част на гранулационната кула, е замърсен с частици амониев нитрат, а парите на сока от неутрализатора и паровъздушната смес от изпарителя съдържат нереагирали амоняк и азотна киселина и частици увлечен амониев нитрат. За почистване в горната част на гранулационната кула са монтирани шест паралелно работещи миещи плочи скрубери 10, напоени с 20-30% разтвор на амониев нитрат, който се захранва от помпа 18 от резервоара. Част от този разтвор се отклонява към ITN неутрализатора за измиване на соковата пара и след това се смесва с разтвора на амониев нитрат и следователно отива за производството на продукти.
Част от разтвора (20-30%) непрекъснато се изтегля от цикъла, така че цикълът се изчерпва и се попълва с добавяне на вода. На изхода на всеки скрубер е монтиран вентилатор 9 с капацитет 100 000 m 3 / h, който засмуква въздух от гранулационната кула и го изпуска в атмосферата.
Амониевият нитрат, или амониевият нитрат, NH 4 NO 3 е бяло кристално вещество, съдържащо 35% азот в амониевата и нитратна форма, и двете форми на азот се абсорбират лесно от растенията. Гранулираният амониев нитрат се използва масово преди сеитба и за всички видове подхранване. В по-малък мащаб се използва за производството на експлозиви.
Амониевият нитрат се разтваря добре във вода и има висока хигроскопичност (способност да абсорбира влагата от въздуха), което кара гранулите на тора да се разпространяват, губят кристалната си форма, настъпва слепване на тора - насипният материал се превръща в твърда монолитна маса.
Схематична диаграма на производството на амониев нитрат
За да се получи практически незалепващ амониев нитрат, се използват редица технологични методи. Ефективно средство за намаляване на скоростта на усвояване на влагата от хигроскопичните соли е тяхното гранулиране. Общата повърхност на хомогенните гранули е по-малка от повърхността на същото количество фина кристална сол, поради което гранулираните торове абсорбират влагата по-бавно от
Като добавки с подобно действие се използват и амониев фосфат, калиев хлорид, магнезиев нитрат. Процесът на производство на амониев нитрат се основава на хетерогенна реакция на взаимодействие на газообразен амоняк с разтвор на азотна киселина:
NH 3 + HNO 3 \u003d NH 4 NO 3; ΔН = -144.9kJ
Химическата реакция протича с висока скорост; в индустриален реактор той е ограничен от разтварянето на газа в течността. Смесването на реагентите е от голямо значение за намаляване на дифузионното забавяне.
Технологичният процес за производство на амониев нитрат включва освен етапа на неутрализиране на азотната киселина с амоняк, етапите на изпаряване на разтвора на селитра, гранулиране на стопилката, охлаждане на гранулите, обработка на гранулите с повърхностно активни вещества, опаковане, съхранение и зареждане селитра, пречистване на газови емисии и отпадни води. На фиг. 8.8 е показана диаграма на модерен агрегат с голям капацитет за производство на амониев нитрат AS-72 с капацитет 1360 тона / ден. Оригиналната 58-60% азотна киселина се нагрява в нагревателя до 70 - 80°C с изпарения сок от апарата ITN 3 и се подава за неутрализация. Преди апарат 3 към азотната киселина се добавят фосфорна и сярна киселина в такива количества, че готовият продукт да съдържа 0,3-0,5% P 2 O 5 и 0,05-0,2% амониев сулфат. Уредът е оборудван с две ITN устройства, работещи паралелно. В допълнение към азотната киселина към тях се подава газообразен амоняк, предварително загрят в нагревателя 2 с парен кондензат до 120-130°C. Подаваните количества азотна киселина и амоняк се регулират по такъв начин, че на изхода на ITN апарата в разтвора има лек излишък от киселина (2–5 g/l), което осигурява пълното усвояване на амоняка.
В долната част на апарата протича реакция на неутрализация при температура 155-170°С; така се получава концентриран разтвор, съдържащ 91-92% NH 4 NO 3 . В горната част на апарата водната пара (т.нар. сокова пара) се измива от пръски от амониев нитрат и пари на азотна киселина. Част от топлината на парите на сока се използва за нагряване на азотната киселина. След това соковата пара се изпраща за пречистване и се освобождава в атмосферата.
Фиг.8.8 Схема на блока за амониев нитрат AS-72:
1 – киселинен нагревател; 2 – амонячен нагревател; 3 – ITN устройства; 4 - след-неутрализатор; 5 – изпарител; 6 - резервоар под налягане; 7.8 - гранулатори; 9.23 - вентилатори; 10 – миещ скрубер; 11 - барабан; 12.14 - конвейери; 13 - асансьор; 15 – апарат с кипящ слой; 16 - гранулационна кула; 17 - колекция; 18, 20 - помпи; 19 - резервоар за плуване; 21 - филтър за плуване; 22 - въздушен нагревател.
Киселинен разтвор на амониев нитрат се изпраща към неутрализатора 4; където влиза амоняк, необходим за взаимодействие с останалата азотна киселина. След това разтворът се подава в изпарителя 5. Получената стопилка, съдържаща 99,7-99,8% нитрат, преминава през филтър 21 при 175 ° C и се подава в резервоара под налягане 6 чрез центробежна потопяема помпа 20, а след това в правоъгълната кула за гранулиране на метал 16.
В горната част на кулата има гранулатори 7 и 8, долната част на които се захранва с въздух, който охлажда падащите отгоре капки селитра. По време на падането на капки от селитра от височина 50-55 m се образуват гранули от тор, когато около тях обтича въздух. Температурата на пелетите на изхода на кулата е 90-110°C; горещите гранули се охлаждат в апарат с кипящ слой 15. Това е правоъгълен апарат с три секции и снабден с решетка с отвори. Вентилаторите подават въздух под решетката; това създава кипящ слой от нитратни гранули, идващи през конвейера от гранулационната кула. Въздухът след охлаждане влиза в гранулационната кула. Гранулите от амониев нитрат конвейер 14 се подават за обработка с повърхностноактивни вещества във въртящ се барабан. След това готовият тор се изпраща към опаковката от конвейера 12.
Въздухът, излизащ от гранулационната кула, е замърсен с частици амониев нитрат, а соковата пара от неутрализатора и паровъздушната смес от изпарителя съдържат нереагирал амоняк и азотна киселина, както и частици от отнесения амониев нитрат.
За почистване на тези потоци в горната част на гранулационната кула има шест паралелно работещи промиващи плочата скрубера 10, напоени с 20-30% разтвор на амониев нитрат, който се захранва от помпа 18 от колектор 17. Част от този разтвор се отклонява към неутрализатора на ITN за измиване на сокова пара и след това се смесва с разтвор на селитра и следователно се използва за приготвяне на продукти. Пречистеният въздух се изсмуква от гранулационната кула от вентилатор 9 и се изпуска в атмосферата.
Технологичният процес за производство на амониев нитрат се състои от следните основни етапи: неутрализация на азотната киселина с газообразен амоняк, изпаряване на разтвор на амониев нитрат, кристализация и гранулиране на стопилката.
Газообразният амоняк от нагревател 1 и азотна киселина от нагревател 2 при температура 80-90 0 C влизат в апарата ITP 3. За да се намали загубата на амоняк, заедно с пара, реакцията се извършва в излишък от киселина. Разтворът на амониевия нитрат от устройството 3 се неутрализира в до-неутрализатора 4 с амоняк и влиза в изпарителя 5 за изпаряване в правоъгълна гранулационна кула 16.
Фиг.5.1. Технологична схема за производство на амониев нитрат.
1 - нагревател на амоняк, 2 - нагревател на азотна киселина, 3 - ITN апарат (с помощта на топлината на неутрализация), 4 - допълнителен неутрализатор, 5 - изпарител, 6 - резервоар под налягане, 7.8 - гранулатори, 9.23 - вентилатори, 10 - скрубер за миене, 11-барабан, 12,14- конвейери, 13-асансьор, 15-апаратура с кипящ слой, 16-гранулираща кула, 17-колектор, 18,20-помпи, 19-поплавков резервоар, 21-поплавков филтър, 22-въздухонагревател.
В горната част на кулата има гранулатори 7 и 8, долната част на които се захранва с въздух, който охлажда падащите отгоре капки селитра. При падане на капки селитра от височина 50-55 метра, когато около тях тече въздух, се образуват гранули, които се охлаждат в апарат с кипящ слой 15. Това е правоъгълен апарат с три секции и решетка с дупки. Вентилаторите подават въздух под решетката. Създава се кипящ слой от гранули от селитра, идващи от гранулационната кула през конвейер. Въздухът след охлаждане влиза в гранулационната кула.
Гранулите от конвейер за амониев нитрат 14 се подават за обработка с повърхностноактивни вещества във въртящ се барабан 11. След това готовият конвейер за тор 12 се изпраща към опаковката.
Въздухът, излизащ от гранулационната кула, е замърсен с амониев нитрат, а парите на сока от неутрализатора съдържат нереагирали амоняк и азотна киселина, както и частици от отнесения амониев нитрат. За почистване на тези потоци в горната част на гранулационната кула има шест паралелно работещи миещи плочи 10, напоени с 20-30% разтвор на селитра, който се подава от помпа 18 от колектора 17 към разтвор от селитра и следователно се използва за направата на продукти. Пречистеният въздух се изсмуква от гранулационната кула от вентилатор 9 и се изпуска в атмосферата.
ВЪВЕДЕНИЕ
Азотната индустрия е една от най-бързо развиващите се индустрии.
Азотната киселина е един от изходните продукти за производството на повечето азотсъдържащи вещества и е една от най-важните киселини.
По мащаб на производство азотната киселина се нарежда на второ място сред различните киселини след сярната киселина. Големият мащаб на производството се обяснява с факта, че азотната киселина и нейните соли са станали много важни в националната икономика.
Консумацията на азотна киселина не се ограничава до производството на торове. Намира широко приложение в производството на всички видове взривни вещества, редица технически соли, в индустрията за органичен синтез, в производството на сярна киселина, в ракетната техника и в много други отрасли на народното стопанство.
Промишленото производство на азотна киселина се основава на каталитично окисление на амоняк с атмосферен кислород, последвано от абсорбиране на получените азотни оксиди от вода.
Целта на този курсов проект е да разгледа първия етап от производството на азотна киселина - контактното окисление на амоняка, както и изчисляването на материалния и топлинния баланс на реактора.
В технологичните схеми за производство на азотна киселина процесът на каталитично окисление на амоняка е важен, тъй като той определя три основни показателя - консумация на амоняк, инвестиции и загуби на платинени метали, както и енергийните възможности на схемата. В тази връзка подобряването на процеса на каталитично окисление на амоняка е от голямо значение за производството на азотна киселина и минерални торове като цяло.
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ НА АЗОТНАТА КИСЕЛИНА
1.1 Разновидности на азотна киселина
В промишлеността се използват 2 степени на азотна киселина: разредена (слаба) със съдържание 30-60% HNO3 и концентрирана, съдържаща 97-99% HNO3, както и относително малко количество реактивна и високо чиста азотна киселина. Качеството на произведената азотна киселина трябва да отговаря на установените стандарти.
Съгласно физикохимичните параметри, концентрираната азотна киселина трябва да отговаря на стандартите, посочени в таблица 1.
Таблица 1 - Изисквания за качеството на концентрирана азотна киселина (GOST 701-89)
Качеството на произведената азотна киселина трябва да отговаря на установените стандарти, посочени в таблици 2 и 3.
Таблица 2 - Изисквания за качество на неконцентрирана азотна киселина (OST 6-03-270-76)
Таблица 3 - Изисквания за качеството на азотната киселина (GOST 4461-67)
Съдържание в%, не повече 005sulfates (S042) -0.00020.00050.002фосфати (PO43-) 0.000020.00020.002Чорадуи (CL-) 0.000050.00010.0005.0003Calcium (СА) 0.00050 .0010.002ARSENIC (AS) 0.0000020. 0000030.00001 Тежки метали (Pb)0.000020.00050.0005
1.2 Използване на азотна киселина
Азотната киселина се използва в различни области на дейност:
1)при поцинковане и хромиране на детайли; )за производство на минерални торове; )за получаване на експлозиви (военна индустрия); )в производството на лекарства (фармацевтични продукти); )получаване на сребърен нитрат за фотография; )за ецване и гравиране на метални форми; )като суровина за получаване на концентрирана азотна киселина; )в хидрометалургията; )в бижутата - основният начин за определяне на златото в златна сплав; )за получаване на ароматни нитросъединения - прекурсори на багрила, фармакологични препарати и други съединения, използвани във финия органичен синтез; )за получаване на нитроцелулоза. 1.3 Свойства на азотната киселина 3.1 Физични свойства на азотната киселина Азотната киселина е една от силните едноосновни киселини с остър задушаващ мирис, чувствителна е към светлина и при ярка светлина се разлага на един от азотните оксиди (наричан още кафяв газ - NO2) и вода. Затова е желателно да се съхранява в тъмни съдове. В концентрирано състояние не разтваря алуминий и желязо, така че може да се съхранява в подходящи метални съдове. Азотна киселина - е силен електролит (като много киселини) и много силен окислител. Често се използва при реакции с органични вещества. Азотът в азотната киселина е четиривалентен, степен на окисление +5. Азотната киселина е безцветна течност, димяща във въздуха, точка на топене -41,59 , точка на кипене +82,6 с частично разширение. Разтворимостта на азотната киселина във вода не е ограничена. Водните разтвори на HNO3 с масова част 0,95-0,98 се наричат "димяща азотна киселина", с масова част 0,6-0,7 - концентрирана азотна киселина. Образува азеотропна смес с вода (масова фракция 68,4%, d20 = 1,41 g/cm, Tboil = 120,7 )
Когато кристализира от водни разтвори, азотната киселина образува кристални хидрати: ) HNO3H2O монохидрат, Tmelt = -37,62 ;
2) HNO3 3H2O трихидрат, Tmelt = -18,47 .
Азотната киселина, подобно на озона, може да се образува в атмосферата по време на светкавици. Азотът, който съставлява 78% от атмосферния въздух, реагира с атмосферния кислород, за да образува азотен оксид NO. При по-нататъшно окисление във въздуха този оксид се превръща в азотен диоксид (кафяв газ NO2), който реагира с атмосферната влага (облаци и мъгла), образувайки азотна киселина. Но такова малко количество е напълно безвредно за екологията на земята и живите организми. Един обем азотна киселина и три обема солна киселина образуват съединение, наречено царска вода. Той е в състояние да разтваря метали (платина и злато), които са неразтворими в обикновени киселини. Когато хартия, слама, памук се въвеждат в тази смес, ще настъпи силно окисление, дори запалване. 1.3.2 Химични свойства на азотната киселина Азотната киселина проявява различни химични свойства в зависимост от концентрацията и веществото, с което реагира. Ако азотната киселина е концентрирана: 1) с метали - желязо (Fe), хром (Cr), алуминий (Al), злато (Au), платина (Pt), иридий (Ir), натрий (Na) - не взаимодейства поради образуването на защитна филм върху повърхността им, който не позволява по-нататъшно окисление на метала. С всички останали метали<#"justify">HNO3 conc + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1)
2) с неметали<#"justify">HNO3 конц. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2)
Ако азотната киселина е разредена: 1) при взаимодействие с алкалоземни метали, както и с цинк (Zn), желязо (Fe), той се окислява до амоняк (NH3) или до амониев нитрат (NH4NO3). Например, когато реагирате с магнезий (Mg): HNO3 разреден + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O (3)
Но азотен оксид (N2O) също може да се образува, например при реакция с магнезий (Mg): HNO3 разреден + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O (4)
Реагира с други метали, за да образува азотен оксид (NO), например, разтваря сребро (Ag): HNO3 разреден + Ag = AgNO3 + NO + H2O (5)
2) реагира по подобен начин с неметали, като сяра<#"justify">HNO3 разреден + S = H2SO4 + 2NO (6)
Окисление на сяра до образуване на сярна киселина и отделяне на газ – азотен оксид; 3) химическа реакция с метални оксиди, например калциев оксид: HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O (7)
Образуват се сол (калциев нитрат) и вода; ) химична реакция с хидроксиди (или основи), например с гасена вар: HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O (8)
Образуват се сол (калциев нитрат) и вода – реакция на неутрализация; ) химична реакция със соли, например с тебешир: HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2 (9)
Образува се сол (калциев нитрат) и друга киселина (в този случай въглеродна киселина, която се разлага на вода и въглероден диоксид). 6) в зависимост от разтворения метал, разлагането на солта при температура става, както следва: а) всеки метал (означен като Me) до магнезий (Mg): MeNO2 + O2 (10)
б) всеки метал от магнезий (Mg) до мед (Cu): 3 = MeO + NO2 + O2 (11)
в) всеки метал след мед (Cu): 3 = Me + NO2 + O2(12) 2. МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ НА АЗОТНА КИСЕЛИНА азотна киселина катализатор амоняк Индустриалните методи за производство на разредена азотна киселина включват следните стъпки: ) получаване на азотен оксид (II); 2) окисляването му до азотен оксид (IV); 3) абсорбция на NO2 от вода; 4) пречистване на отработени газове (съдържащи главно молекулен азот) от азотни оксиди. Концентрираната азотна киселина се получава по два начина: 1) първият метод се състои в ректификация на трикомпонентни смеси, съдържащи азотна киселина, вода и водоотделящи вещества (обикновено сярна киселина или магнезиев нитрат). В резултат на това се получават пари на 100% азотна киселина (които кондензират) и водни разтвори на обезводняващия агент, последният се изпарява и се връща в производство; 2) вторият метод се основава на реакцията: N2O4(t) + 2H2O(l) + O2(g) = 4HNO3(l) + 78,8 kJ (13)
При налягане от 5 MPa и при използване на чист O2 се образува 97-98% киселина, съдържаща до 30% тегловни азотни оксиди. Целевият продукт се получава чрез дестилация на този разтвор. Азотната киселина с висока чистота се получава чрез дестилация с 97-98,5% азотна киселина в оборудване от силикатно или кварцово стъкло. Съдържанието на примеси в такава киселина е по-малко от 110-6% тегловни. 3. СУРОВИННА БАЗА ПРИ ПРОИЗВОДСТВОТО НА НЕКОНЦЕНТРИРАНА АЗОТНА КИСЕЛИНА Основните суровини за производството на неконцентрирана азотна киселина в момента са амоняк, въздух и вода. Помощните материали и енергийни ресурси са катализатори за окисляване на амоняк и пречистване на отработените газове, природен газ, пара и електричество. 1. Амоняк. При нормални условия това е безцветен газ с остра миризма, лесно разтворим във вода и други разтворители, образува полу- и монохидрати. Повратна точка в развитието на производството на синтетичен амоняк беше използването на доминиращия в момента метод в индустрията за производство на водород чрез преобразуване на съдържащия се в природния газ метан в свързани нефтени газове и рафинирани продукти. Съдържанието на примеси в течния амоняк се регулира от GOST 6221-82. Най-характерните примеси са: вода, смазочни масла, прах от катализатор, котлен камък, амониев карбонат, разтворени газове (водород, азот, метан). Ако GOST бъде нарушен, примесите, съдържащи се в амоняка, могат да попаднат в амонячно-въздушната смес и да намалят производството на азотен оксид (II), а водородът и метанът могат да променят експлозивните граници на амонячно-въздушната смес. Въздух. За технически изчисления се приема, че сухият въздух съдържа [%, (об.)]: N2 = 78,1, O2 = 21,0, Ar2 = 0,9, H2O = 0,1-2,8. Във въздуха може да има и следи от SO2, NH3, CO2. В района на индустриални обекти въздухът е замърсен с прах от различен произход, както и различни компоненти на неорганизирани газови емисии (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2 и др.). Количеството прах във въздуха е 0,5-1,0 mg/m3. 3. Вода. Използва се в производството на азотна киселина за напояване на абсорбционната колона, за генериране на пара при рекуперация на топлина в котли за отпадъчна топлина, за охлаждане на реакционни апарати. За усвояване на азотни оксиди най-често се използват парен кондензат и химически пречистена вода. В някои схеми е позволено да се използва кондензат от пари от сок от амониев нитрат. Във всеки случай водата, използвана за напояване на колоните, не трябва да съдържа свободен амоняк и твърди суспензии, съдържанието на хлоридни йони не трябва да надвишава 2 mg/l, масла не трябва да надвишава 1 mg/l, NH4NO3 не трябва да надвишава 0,5 g/l . Химически пречистената вода за котли за отпадъчна топлина трябва да отговаря на изискванията на GOST 20995-75. Процесната вода, предназначена за топлоотвеждане в топлообменници и охлаждане на оборудването (циркулационна вода), трябва да отговаря на следните изисквания: карбонатна твърдост не повече от 3,6 meq/kg, съдържание на суспендирани твърди вещества не повече от 50 mg/kg, pH стойност 6,5-8,5 . 4. Кислород. Използва се главно при производството на концентрирана азотна киселина чрез директен синтез. В някои случаи се използва за обогатяване на амонячно-въздушната смес при получаване на неконцентрирана азотна киселина. 4. КОНТАКТНО ОКИСЛЕНИЕ НА АМОНИЯКА 4.1 Физически и химични основи на процеса Съвременните методи за производство на азотна киселина се основават на контактното окисление на амоняка. При окисляването на амоняка върху различни катализатори и в зависимост от условията протичат следните реакции: NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907,3 kJ (14)
4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + 1104,9 kJ (15)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269,1 kJ (16)
В допълнение към реакциите (14-16) са възможни и други, протичащи в близките до повърхността слоеве на катализатора. Например, разлагането на NO, взаимодействието на N2O, NO2 и NH3: НЕ N2+O2 (17)
2NH3 + 3N2O = 4N2 + 3H2O (18)
NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O (19)
Естествено, реакция (14) ще бъде "полезна". Термодинамичните изчисления показват, че реакциите (14-16) на практика протичат до завършване. Равновесните константи за обратни реакции (14-16) при 900°C имат следните стойности (20)
(21)
(22)
K1 = ,(23)
където k1 - NO + H2O; k2 - NH3 + O2. На 900 каталитичната конверсия на амоняка в крайни продукти достига 100%, т.е. процесът е практически необратим. Въпреки това, уравнения (14-16) не отразяват действителния механизъм на процеса, тъй като в този случай девет молекули ще трябва да се сблъскат едновременно в реакция (14); в реакция (16) - седем молекули. Това е почти невероятно. Предложени са няколко механизма на окисление на амоняк върху катализатори. Разликите в представите за механизмите са както следва: 1) образуване на NO и N2 чрез междинно съединение върху катализатора; 2) образуването на NO се случва върху катализатора, а образуването на N2 върху катализатора и в обема на газа. Въз основа на горното (относно равновесната константа и механизмите на окисление) може да се каже, че избраният катализатор трябва да има висока активност (висока скорост на реакция и кратко време на контакт: с увеличаване на вероятността от образуване на N2 се увеличава) и селективност по отношение към реакция (14). Сред няколкото механизма, предложени от наши и чужди учени, механизмът, предложен от L.K. Андросов, Г.К. Боресков, Д.А. Епщайн. Механизмът може да бъде представен стъпка по стъпка, както следва: Етап 1 - окисляване на платинената повърхност. Образува се комплекс пероксиден катализатор-кислород (Фигура 1). Фигура 1 - Структура на комплекса пероксиден катализатор-кислород етап - дифузия и адсорбция на амоняк върху повърхността на платината, покрита с кислород. Образува се комплекс катализатор-кислород-амоняк (Фигура 2). Фигура 2 - Структура на комплекса катализатор-кислород-амоняк етапът е преразпределението на електронните връзки, разкъсването на старите връзки и укрепването на нови връзки. етап - десорбция на продуктите и дифузия в газовия поток (стабилните NO и H2O съединения се отстраняват от повърхността). Освободените центрове отново адсорбират кислород, тъй като скоростта на дифузия на кислорода е по-висока от тази на амоняка и т. н. Според учените, кислородът, влизащ в катализаторната решетка (неплатинен контакт) не участва в реакцията на окисление на амоняка (доказано чрез метода белязани атоми). Превръщането на амоняка в азот, според I.I. Бергер и Г.К. Боресков, може да възникне в обем в резултат на реакции на амоняк, както с кислород, така и с азотен оксид. Има кинетични, преходни и дифузионни области на процеса. Кинетичната област е характерна за ниските температури: тя е ограничена от температурата на запалване на катализатора, при която се забелязва бързо спонтанно нагряване на повърхността му, т.е. до температурата на запалване скоростта е ограничена от скоростта на химическата реакция на контакта. При T > Tzazh вече дифузията контролира процеса - химическата реакция е бърза. Процесът преминава в дифузионната област. Именно тази област (600-1000 ) е типичен за стационарен автотермичен процес при промишлени условия. Това предполага незаменимо увеличаване на обемната скорост на газа и намаляване на времето на контакт. Реакцията на окисление на амоняка върху активни катализатори започва по-рано: върху паладий (Pd) при 100 , върху платина (Pt) при 145 , на желязо (Fe) при 230 , при метални оксиди, температурата на началото на реакцията варира в широки граници. В същото време той достига достатъчна скорост и степен на трансформация при T > 600 .
4.2 Катализатори за окисляване на амоняк Почти всички растения за азотна киселина използват платина или нейни сплави като катализатор за окисляване на амоняка. Платината е скъп катализатор, но запазва висока активност за дълго време, има достатъчна стабилност и механична якост и лесно се регенерира. И накрая, с модерната мрежова форма на катализатора, използването на платина прави възможно използването на най-простия тип контактен апарат. Лесно се запалва, а консумацията му на единица продукция е незначителна. При производството на азотна киселина не се използват носители за платина и нейните сплави, тъй като в присъствието на носители активността на катализатора намалява относително бързо и регенерацията му става по-трудна. В съвременните заводи платината за катализатори се използва под формата на решетки. Мрежовата форма създава голяма повърхност на катализатора в контактния апарат при относително ниска консумация на платина. Обикновено се използват решетки, в които диаметърът на проводника е 0,045-0,09 mm с размери от страната на клетката 0,22 mm. Площта на мрежите, които не са заети от тел, е приблизително 50-60% от общата им площ. Когато се използват нишки с различен диаметър, броят на тъканите се променя, така че свободната площ, която не е заета от телта, да остане в определените граници. В контактни устройства, работещи при атмосферно налягане. монтирайте от 2 до 4 мрежи, предимно 3, а в устройства, работещи под налягане до 8 атм - от 13 до 16 мрежи. Когато се монтира една решетка, някои от молекулите на амоняка не влизат в контакт с катализатора, което намалява добива на азотен оксид. При най-добри условия степента на контакт може да достигне 86-90% на една мрежа, 95-97% на две мрежи и 98% на три мрежи. При работа при атмосферно налягане не се използват повече от 4 решетки, тъй като при голям брой решетки, въпреки че производителността на контактния апарат се увеличава, устойчивостта на газовия поток се увеличава значително. Решетките трябва да прилягат плътно една към друга, тъй като в противен случай в свободното пространство между решетките възникват редица хомогенни реакции, които намаляват производството на азотен оксид. В процеса на работа платинените решетки са силно разхлабени. Техните гладки и лъскави нишки стават гъбести и матови, еластичните мрежи стават крехки. Образуването на гъбеста, разхлабена повърхност увеличава дебелината на нишките. Всичко това създава силно развита мрежова повърхност, което повишава каталитичната активност на платината. Само отравянето на катализатора с примеси, идващи с газове, впоследствие може да доведе до намаляване на неговата активност. Разхлабването на повърхността на платинените марли с течение на времето води до силно разрушаване на марлите, което причинява големи загуби на платина. Платината, предназначена за производството на катализатор, не трябва да съдържа желязо, което вече при 0,2% значително намалява добива на азотен оксид. Чистата платина бързо се разрушава при високи температури и най-малките й частици се отнасят с газовия поток. Други метали от платиновата група в чиста форма не се използват като катализатори. Паладий се разпада бързо. Иридий и родий не са много активни. Осмият лесно се окислява. Изследвани и прилагани са платинени сплави, които имат по-голяма якост и не по-малка активност от чистата платина. На практика се използват сплави на платина с иридий или с родий, а понякога и с паладий. Решетките, изработени от сплав на платина с 1% иридий при високи температури, са по-активни от платинените. Значително по-голяма активност и по-специално механична якост са характерни за платино-родиеви сплави. Най-добър добив на азотен оксид се получава при работа върху платинени сплави, които съдържат 10% родий. Въпреки това, като се има предвид по-високата цена на родия в сравнение с платината, съдържанието му в сплавите обикновено се намалява до 7-5%. Когато амонякът се окислява под налягане върху платинено-родиеви решетки, се получава значително по-висок добив на азотен оксид, отколкото при чисти платинени решетки. Платинените катализатори са чувствителни към определени примеси, съдържащи се в захранващия газ. По този начин наличието на 0,00002% фосфин (РН3) в газа намалява степента на преобразуване до 80%. По-малко мощни отрови са сероводород, ацетиленови пари, смазочни масла, железни оксиди и други вещества. Решетките се регенерират чрез третиране с 10-15% разтвор на солна киселина при 60-70°С в продължение на 2 часа. След това решетките се измиват обилно с дестилирана вода, изсушават се и се калцинират във водороден пламък. В хода на работа физическата структура на решетките се променя и механичната якост на сплавта намалява, което увеличава загубата на метал и намалява експлоатационния живот на катализатора. 4.3 Състав на газовата смес. Оптимално съдържание на амоняк в амонячно-въздушната смес Въздухът се използва главно за окисляване на амоняка. Разходът на кислород за окисляване на амоняка съгласно реакция (24) с образуването на NO може да се изчисли по следния начин: NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (24)
Според реакция (24), 1 мол NH3 представлява 1,25 мола O2 = , тогава - съдържанието на NH3 може да се изрази по следния начин:
където - количество NH3, смесено с въздух; 100 - общото количество на сместа (%). Това обаче е теоретично. За практически цели се използва известен излишък от кислород, тогава концентрацията на амоняк ще бъде по-малка от 14,4% (об.). Оптималната концентрация на амоняк в сместа амоняк-въздух е най-високото му съдържание, при което все още е възможен висок изход на NO при съотношение O2:NH3< 2. Наблюдава се рязко намаляване на степента на преобразуване при намаляване на съотношението O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, процентът на конверсия се увеличава значително. Така че важният момент е: 1) от една страна, увеличаването на съдържанието на NH3 в амонячно-въздушната смес, т.е. намаляването на съотношението O2:NH3, води до намаляване на степента на преобразуване на амоняк; 2) от друга страна, с увеличаване на съдържанието на NH3 в амонячно-въздушната смес, температурата на системата се повишава, тъй като се отделя повече топлина според реакциите (14-16) и степента на преобразуване се увеличава, както се вижда от таблица 4. Таблица 4 - Зависимост на степента на преобразуване на амоняка от съдържанието му в амонячно-въздушната смес (P = 0,65 MPa) Съдържание на NH3 в сместа, % (об.) Съотношение O2:NH3 Температури на преобразуване, Коефициент на преобразуване на NH3, %9.531.9874391.8810.421.7878693.1610.501.7678993.3011.101.6782894.2111.531.5983495.30 От таблица 4 следва, че повишаването на температурата от 740 до 830°C при съотношение O2:NH3 в диапазона 1,6-2 влияе благоприятно на процеса. При съотношение O2:NH3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода. Излишъкът от O2 е необходим, за да се гарантира, че повърхността на платината винаги е покрита с кислород, за да се извърши процесът на окисление съгласно механизма, разгледан по-рано, и да се изключи образуването на N2 и N2O (при липса на кислород). То трябва да бъде повече от 30%, т.е. съотношението O2:NH3 > 1,62. Съставът на газа също ще зависи от потока на втория етап на получаване на азотна киселина (окисление на NO) 2NO + 1,5O2 + H2O = 2HNO3 (25)
Той също така изисква излишък от кислород: 1) за системи, работещи под налягане - 2,5%; 2) за системи, работещи при атмосферно налягане - 5%. Цялостната реакция, която определя нуждата от кислород за производството на азотна киселина, се записва по следния начин NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (26)
Има още едно обстоятелство, поради което е нежелателно да се повишава концентрацията на амоняк над 9,5% (об.). В този случай се наблюдава намаляване на концентрацията на азотни оксиди в абсорбционните кули поради въвеждането на допълнителен кислород (т.е. NO се разрежда). Така 9,5% (об.) е оптималното съдържание на амоняк за всички етапи на получаване на разредена азотна киселина. Можете да използвате кислород вместо въздух за окисляване. След това, в съответствие с общата реакция (26), е необходимо да се увеличи концентрацията на амоняк до 33,3% (об.). Тук обаче влизат в действие мерките за безопасност, тъй като смес с такава концентрация на амоняк става експлозивна (таблица 5). Таблица 5 - Долни (LEL) и горни (URL) граници на експлозивност за смеси амоняк-кислород-азот С увеличаване на влажността на газа границите на експлозивност се стесняват, т.е. е възможно да се използва преобразуване на пара-кислород на амоняк. Смеси от амоняк с кислород се запалват с експлозия (Tflax = 700-800 ). В тези температурни граници се получава самозапалване при всяко съдържание на амоняк в сместа амоняк-кислород. Практически използваните амонячно-въздушни смеси (концентрация на амоняк 9,5-11,5% (об.)) не са експлозивни (таблица 5). Съществуват зависимости на границите на експлозивност на амонячно-въздушната смес от съдържанието на амоняк и кислород при различни налягания. Трябва обаче да се отбележи, че скоростта на разпространение на експлозията е ниска и за амонячно-въздушната смес е 0,3-0,5 m/s. Тоест, за да се елиминира възможността за разпространение на експлозия, е необходимо да се създаде скорост на газа, по-голяма от тази стойност (0,5 m/s). Точно това се постига чрез използване на активни платиноидни катализатори в процеса, при който времето на контакт е 10-4 секунди и съответно линейната скорост е повече от 1,5 m/s. 4.4 Окисление на амоняк под налягане Целта на херметизацията е: 1) необходимостта от увеличаване на скоростта на процеса; 2) компактни инсталации. Термодинамично е доказано, че дори при високо налягане добивът на NO е близо до 100%. Производителността на преобразувателя се увеличава с увеличаване на налягането и увеличаване на броя на решетките на платиноидния катализатор. С увеличаване на налягането температурата на процеса също се повишава над 900 . Въпреки това, с увеличаване на налягането, за да се постигне висока степен на преобразуване на NH3, е необходимо да се увеличи времето на престой на газа в конвертора което от своя страна води до увеличаване на броя на решетките. Основният недостатък е повишената загуба на платинен (Pt) катализатор при високи температури. Тези недостатъци (загуба на платина, намаляване на степента на преобразуване) могат да бъдат елиминирани чрез прибягване до комбинирана производствена схема, т.е. извършване на процеса на окисление на NH3 при атмосферно налягане или близко до него и окисление и абсорбция на NO при повишено налягане . Този подход често се прилага в технологичните схеми на много страни. В същото време разходите за енергия за кондициониране на газ увеличават цената на азотната киселина. 4.5 Оптимални условия за окисляване на амоняк температура. Реакцията на амоняка върху платината започва при 145 , но протича с нисък добив на NO и образуване на предимно елементарен азот. Повишаването на температурата води до увеличаване на добива на азотен оксид и увеличаване на скоростта на реакцията. В диапазона 700-1000 Добивът на NO може да бъде увеличен до 95-98%. Време за контакт при повишаване на температурата от 650 до 900 се намалява с около пет пъти (от 5 10-4 до 1.1 10-4 секунди). Необходимият температурен режим на процеса може да се поддържа от топлината на окислителните реакции. За суха смес амоняк-въздух, съдържаща 10% NH3, при степен на преобразуване от 96%, теоретичното повишаване на температурата на газа е приблизително 705 или около 70 за всеки процент амоняк в първоначалната смес. При използване на амонячно-въздушна смес, съдържаща 9,5% амоняк, е възможно, поради топлинния ефект на реакцията, да се достигне температура от около 600°С. , за допълнително повишаване на температурата на преобразуване е необходимо предварително загряване на въздуха или сместа амоняк-въздух. Трябва да се има предвид, че амонячно-въздушната смес може да се нагрява само до температура, която не надвишава 150-200 при температура на отоплителния газ не повече от 400 . В противен случай е възможна дисоциация на амоняка или неговото хомогенно окисление с образуване на елементарен азот. Горната граница на повишаването на температурата на контактното окисление на амоняка се определя от загубата на платиновия катализатор. Ако до 920 Ако загубите на платина се компенсират до известна степен от увеличаване на активността на катализатора, тогава над тази температура, увеличението на загубите на катализатор значително изпреварва увеличаването на скоростта на реакцията. Според фабричните данни оптималната температура на преобразуване на амоняка при атмосферно налягане е около 800 ; на инсталации, работещи под налягане от 9 атм, то е равно на 870-900 .
налягане. Използването на повишено налягане при производството на разредена азотна киселина е свързано главно с желанието да се увеличи скоростта на окисление на азотния оксид и преработката на получения азотен диоксид в азотна киселина. Термодинамичните изчисления показват, че дори при повишено налягане равновесният добив на NO е близо до 100%. Въпреки това, висока степен на контакт в този случай се постига само с голям брой катализаторни сетки и по-висока температура. Напоследък при промишлени условия на многослойни катализатори с цялостно пречистване на газ и температура от 900 успя да доведе степента на преобразуване на амоняка до 96%. При избора на оптимално налягане трябва да се има предвид, че увеличаването на налягането води до увеличаване на загубите на платина. Това се обяснява с повишаване на температурата на катализа, използването на многослойни мрежи и увеличаване на тяхното механично разрушаване под действието на висока скорост на газа. 3. Съдържанието на амоняк в сместа. Обикновено за окисляване на амоняка се използва въздух, така че съдържанието на амоняк в сместа се определя от съдържанието на кислород във въздуха. При стехиометрично съотношение O2:NH3 = 1,25 (съдържанието на амоняк в смес с въздух е 14,4%), добивът на азотен оксид не е значим. За да се увеличи добива на NO, е необходим известен излишък от кислород, поради което съдържанието на амоняк в сместа трябва да бъде по-малко от 14,4%. В заводската практика съдържанието на амоняк в сместа се поддържа в рамките на 9,5-11,5%, което съответства на съотношението O2:NH3 = 21,7. Цялостната реакция (26), която определя нуждата от кислород при преработката на амоняк в азотна киселина, дава съотношението O2:NH3 = 2, което съответства на съдържанието на амоняк в първоначалната смес от 9,5%. Това предполага, че повишаването на концентрацията на амоняк в сместа над 9,5% в крайна сметка няма да доведе до повишаване на концентрацията на NO, тъй като в този случай ще трябва да се въведе допълнителен въздух в адсорбционната система. Ако като изходни реагенти се използва смес амоняк-кислород, тогава, в съответствие с уравнението на общата реакция, би било възможно да се увеличи концентрацията на амоняк в нея до 33,3%. Въпреки това, използването на високи концентрации на амоняк е трудно, тъй като такива смеси са експлозивни. Влияние на примесите. Платиновите сплави са чувствителни към примесите, съдържащи се в сместа амоняк-въздух. При наличие на 0,0002% фосфодород в газовата смес, степента на преобразуване на амоняка се намалява до 80%. По-малко силни контактни отрови са сероводород, ацетилен, хлор, пари от смазочни масла, прах, съдържащ железни оксиди, калциев оксид, пясък и др. Предварителното пречистване на газовете увеличава продължителността на катализатора. Въпреки това, с течение на времето, катализаторът постепенно се отравя и добивът на NO намалява. За отстраняване на отрови и замърсители решетките периодично се регенерират, като се третират с 10-15% разтвор на солна киселина. 5. Време за контакт. Оптималното време за контакт се определя от скоростта на окисление на амоняка. Най-често скоростта на окисление се определя като количеството оксидиран амоняк (kg) на единица площ (m2) на ден (интензитет на катализатора). Продължителността на контакта на газа с катализатора или времето на контакт се определя от уравнението: Vsv / W където t е времето на престой на газа в зоната на катализатора, сек; Vw е свободният обем на катализатора, m3; W - обемна скорост в контактни условия m3 сек-1. Максималната степен на превръщане на амоняка в азотен оксид се постига при добре дефинирано време на контакт на газа с катализатора. За оптимално време на контакт трябва да се счита не това, при което се постига максимален добив на NO, а малко по-кратък, тъй като е икономически изгодно да се работи с по-висока производителност дори за сметка на намаляване на добива на продукта. При практически условия времето за контакт на амоняка с катализатора варира от 1 10-4 до 2 10-4 сек. Смесване на амоняк с въздух. Пълната хомогенност на амонячно-въздушната смес, влизаща в контактната зона, е едно от основните условия за получаване на висок добив на азотен оксид. Доброто смесване на газовете е от голямо значение не само за осигуряване на висока степен на контакт, но и за предпазване от опасност от експлозия. Конструкцията и обемът на смесителя трябва напълно да осигуряват добро смесване на газа и да изключват приплъзването на амоняк в отделни струи върху катализатора. 5. УСТРОЙСТВА ЗА КОНТАКТ Най-сложният и претърпял значителни подобрения е дизайнът на самия контактен апарат. Фигура 3 - Контактна апаратура на Оствалд: 1 - колектор на амонячно-въздушна смес; 2 - платинена спирала; 3 - прозорец за гледане; 4 - колектор за азотен газ Първият индустриален контактен апарат е апаратът Ostwald (Фигура 3), състоящ се от две концентрични тръби: външна чугунена тръба с диаметър 100 mm, емайлирана отвътре, и вътрешна, изработена от никел с диаметър 65 мм Амонячно-въздушната смес влезе в апарата отдолу през външната тръба и падна върху катализатора, разположен в горната част на вътрешната тръба. Азотните газове се насочват надолу през вътрешната тръба към колектора, отдавайки топлина на входящата смес. Катализаторът се състои от ленти от платинено фолио с дебелина 0,01 mm и ширина 20 mm, навита заедно в спирала. Едната от лентите е гладка, втората е гофрирана с 1 мм завои. Степента на превръщане на амоняка достига 90-95%, сместа с въздух съдържа NH3 8% (об.), производителността на апарата е 100 kg азотна киселина на ден. Тази форма на катализатора не позволява увеличаване на производителността на апарата чрез увеличаване на неговия размер. В апарата на Оствалд не беше осигурено равномерно подаване на газовата смес, тъй като преди да влезе в катализатора, газовият поток промени посоката си на 180° и едва след това влезе в него. Освен това конструкцията на апарата не позволява бързото отстраняване на азотните (II) оксиди от зоната с висока температура. В следващите проекти на контактния апарат беше използван катализатор под формата на решетка от нишки с диаметър 0,06 mm. Фигура 4 - Контактен апарат на Андреев: 1 - платинени решетки; 2 - прозорец за гледане Първото производство на азотна киселина в Русия беше оборудвано с контактен апарат на Андреев, който произвеждаше 386 кг азотна киселина на ден и се смяташе за най-модерния в света. Цилиндричният апарат с диаметър 300 мм и височина 450 мм е изработен от чугун. Сместа от газове идва отдолу (Фигура 4). Решетката на платинения катализатор беше разположена напречно на апарата, в средата му. Използването на чугун за производството на този апарат имаше редица недостатъци: появата на странични реакции, замърсяване на платината с котлен камък. Степента на преобразуване в него не надвишава 87%. Фигура 5 - Контактен апарат на Фишер: 1 - дюза; 2 - платинена решетка; 3 - изолация Апаратът на Fisher е направен от алуминий, диаметърът му е 1000 mm, височина 2000 mm (Фигура 5). Отдолу апаратът беше запълнен с порцеланови пръстени на Рашиг, а горната част беше облицована с огнеупорни тухли. Конструкцията на апарата не осигурява равномерно подаване на амонячно-въздушната смес към катализатора, добивът на оксиди е 89–92% при контактна температура 700–720 ° C. Производителността на уреда на амоняк е 600-700 кг/ден. Частиците от огнеупорни тухли, попадащи върху катализатора, намаляват неговата активност. Фигура 6 - Апарат Bamag: 1 - дюза; 2 - платинена решетка; 3 - прозорец за гледане Апаратът, предложен от Bamag (Фигура 6), се състои от два пресечени конуса, свързани с широки основи, между които са поставени катализаторни решетки. Диаметърът на апарата в най-широката част е 1,1 m или 2,0 m. Амонячно-въздушната смес се подава в апарата отдолу. Първоначално апаратът е изработен от алуминий, след което горната му гореща част е от неръждаема стомана. За по-добро смесване на сместа в долната част на апарата се изсипват пръстени на Рашиг. Основният недостатък на тези устройства беше посоката на газовата смес върху катализатора отдолу, което доведе до вибрации на решетките и до увеличаване на загубата на платина. Изследванията на конструкцията на контактния апарат показват, че посоката на газовата смес отгоре надолу стабилизира работата на катализаторните мрежи, намалява загубата на скъп оскъден платинен катализатор, повишава степента на преобразуване с 1,0-1,5% и позволява използването на двустепенен катализатор, при който на втория етап се използва оксиден неплатинен катализатор. Когато газова смес се подава към апарата отгоре, в долната му част може да се постави слой от изолационен материал, както и намотки на парен котел и прегревател без риск от замърсяване на катализатора с огнеупорен прах и желязо мащаб. Това намалява загубата на реакционна топлина към околната среда. Изследване на разпределението на температурата върху повърхността на катализатора показа, че ръбовете на катализатора, съседни на стените, имат по-ниска температура и степента на контакт съответно намалява, намалявайки общия добив на азотен оксид (II). В това отношение геометрията на входната част на контактния апарат е от голямо значение, тя трябва да бъде плавно разминаващ се конус с ъгъл в горната част не повече от 30°. Фигура 7 - Апарат на Парсънс: 1 - цилиндрична платинена мрежа; 2 кварцово дъно; 3 - прозорец за гледане; 4 - изолация В Съединените щати е създаден апарат на Парсънс с вертикално разположение на катализаторна решетка, навита под формата на четирислоен цилиндър с височина 33 см и диаметър 29 см (Фигура 7). Платиновият цилиндър се поставя в метален корпус, облицован с огнеупорни тухли, което осигурява добър топлообмен с горещия катализатор. Производителността на такъв апарат е до 1 тон амоняк на ден, степента на преобразуване е 95-96%. Предимството на това устройство е голяма повърхност на катализатора в сравнение с обема на устройството. Недостатъкът му е неравномерното подаване на амонячно-въздушната смес към катализатора. Повече смес протича през долната част на ситовия катализатор, отколкото през горната част. Тествани бяха редица устройства с различни форми: под формата на две полукълба, конус и полусфера с посоката на газовия поток отдолу нагоре. Тези устройства нямат специални предимства, дори когато процесът се извършва до 0,51 MPa, степента на преобразуване не надвишава 90%. Фигура 8 - Апарат на Дюпон: 1 - платинени решетки; 2 - решетка; 3 - водна риза При извършване на процеса при повишено налягане, апаратът DuPont (Фигура 8) стана широко разпространен, състоящ се от конуси: горният е изработен от никел, а долният е от топлоустойчива стомана. Долният корпус е снабден с водна риза за охлаждане. Катализаторът, поставен върху решетката, е направен под формата на пакет от правоъгълни решетки. Сега по целия свят проектират и изграждат агрегати за производство на разредена азотна киселина с голям капацитет на агрегата - до 400-600 тона/годишно. Контактните устройства с плоски слоеве от решетки или слой от гранулиран материал, разположен напречно на газовия поток за такива агрегати, трябва да имат голям диаметър до 5-7 м. Въпреки това, с увеличаване на диаметъра на апарата, еднородността на разпределението на амонячно-въздушната смес върху напречното сечение на апарата се влошава и разходът на метал на единица производителност се увеличава, увеличават се трудностите при запечатване на фланцеви съединения. Апарати с големи диаметри (над 4 м) не могат да се транспортират по железопътен транспорт, производството им на завода е свързано със сериозни затруднения. В това отношение най-обещаващ е конвертор с радиален поток на газовата смес през катализатора, направен под формата на цилиндър или конус. При такова разположение на катализатора е възможно, без да се променя диаметърът на апарата, да се увеличи неговата височина и съответно неговата производителност. Конструкциите на устройства с цилиндрично разположение на катализатора са известни от дълго време (устройства на Парсънс), но с увеличаване на тяхната производителност от 4,5 kg/h до 14,3 t/h амоняк възникнаха проблеми при разпределението на газовата смес потоци, пренос на топлина, прикрепване на катализатор и др. Фигура 9 - Подобрен апарат на Парсънс: 1 - тяло; 2 - капаци; 3 - колектор на охлаждащата течност; 4 - поддържащо устройство; 5 - арматура за извеждане на азотни газове; 6 - катализаторни решетки; 7 - канали за хладилен агент; 8 - канали за газове Едно от новите устройства е подобреният апарат на Парсънс (Фигура 9). Състои се от корпус с капаци, фитинги за подаване на амонячно-въздушна смес и извеждане на азотни газове. Катализаторът е платинена решетка, разположена вертикално по дължината на цилиндричната повърхност и фиксирана под капачките. Решетките са опънати върху керамично опорно устройство, което има хоризонтални канали за подаване на амонячно-въздушната смес към контактните решетки и вертикални канали за подаване на охлаждаща течност. Недостатъкът на такова поддържащо устройство е разпределението на газа, влизащ в катализатора, под формата на отделни струи, в резултат на което зоната на катализатора не работи напълно. Фигура 10 - Контактен апарат с радиален газов поток: 1 - корпус; 2 - капак; 3 - система от носещи елементи; 4 - катализатор; 5 - решетка; 6 - сляпо дъно Предлага се устройство с радиален газов поток (Фигура 10), което се състои от тяло 1 и капак с фитинг за въвеждане на амонячно-въздушна смес. В долната част на корпуса има фитинг за подаване на азотни газове. Вертикално са разположени катализаторни марли под формата на цилиндър и конус. Това устройство обаче също не осигурява равномерно подаване на газове към катализатора. Фигура 11 - Контактно устройство с гранулиран катализатор: 1 цилиндрично тяло; 2 - капак с централен отвор; 3, 4 - коаксиални цилиндрични перфорирани разпределителни решетки; 5 - пръстеновидно дъно; 6 - изходен фитинг Предлага се апарат с радиален газов поток и гранулиран катализатор. Като катализатори се използват платинени метали, отложени върху носител или таблетки от неплатинен катализатор (Фигура 11). Апаратът на фигура 11 се състои от цилиндрично тяло 1, в горната част на което се въвежда амонячно-въздушна смес, а в долната част се отстраняват азотни газове. Вътре има две коаксиални цилиндрични перфорирани разпределителни решетки 3 и 4, между които е поставен слой гранулиран катализатор 7. фитинг 6. Амонячно-въздушната смес на входа на апарата се разделя на два потока. Основната част преминава в пръстеновидната междина между стените на корпуса и външния разпределителен цилиндър и навлиза радиално върху катализатора. Втората, по-малка част преминава през отвора в капака и влиза в катализатора по оста. Не се осигурява равномерно разпределение на газовата смес в катализатора. Недостатъкът на тези конструкции е прегряването на амонячно-въздушната смес над 200 близо до сляпо дъно поради намаляване на скоростта на газа до нула. Прегряването на газа причинява прегряване на катализаторните сетки и тяхното повишено износване. Фигура 12 - Апарат с катализатор под формата на конус: 1 - риза за нагряване на газ; 2 - катализатор; 3 - устройство за поддържаща тръба; 4 - водна риза Апаратът (Фигура 12) съдържа катализатор под формата на няколко слоя платинена мрежа, заварени от парчета с триъгълна форма в конус с ъгъл на върха около 60°. Пакетът на мрежата се основава на конструкция, състояща се от 6-12 тръби по протежение на образуващата на конуса, през която преминава охлаждащата течност. Тази форма на катализатор има голяма специфична повърхност (по отношение на обема на апарата) в сравнение с плосък катализатор, разположен напречно на газовия поток. Въпреки това, в сравнение с цилиндричния катализатор, неговата специфична повърхност е по-малка. Фигура 13 - Контактен апарат за окисляване на амоняк под високо налягане: 1 - корпус; 2 - вътрешен конус; 3 - разпределително устройство; 4 - запалител; 5 - катализаторни решетки; 6 - прегревател; 7 - пакети за парен котел; 8 - икономайзер Фигура 13 показва контактен апарат за окисляване на амоняк под налягане от 0,71 MPa. Апаратът се състои от два конуса, поставени един в друг. Амонячно-въздушната смес влиза отдолу в пространството между вътрешния и външния конус, издига се и оттам се спуска надолу по вътрешния конус. По пътя към платиновия катализатор, направен под формата на решетки, сместа се смесва добре в разпределителното устройство на пръстените на Рашиг. За измерване на температурите на входящата газова смес и процеса на преобразуване, апаратът е оборудван с термодвойки: четири преди катализатора и четири след него. За вземане на проби от газ има тръби за вземане на проби от пари: четири преди катализатора и четири след него. Катализаторът се запалва с азотно-водородна смес, подавана с помощта на ротационна горелка (запалител). Фигура 14 - Контактен апарат Grand Paroiss: 1 - корпус; 2 решетка; 3 - платинен катализатор; 4 - бронирана мрежа; 5 - слой пръстени; 6 перфорирана плоча; 7 - паропрегревател; 8 - котел за отпадъчна топлина Сред устройствата, работещи при средно налягане от 0,40-0,50 MPa, интерес представлява апаратът на компанията Grande Paroiss, изработен от неръждаема стомана (Фигура 14). Състои се от корпус, затворен отгоре с елипсовиден капак, с входен фитинг за вкарване на газова смес. Под капака има перфориран конус, след това преграда. Над платинените решетки е поставена разпределителна решетка, върху която лежи слой от шест решетки, които действат като амортисьор за пулсации на скоростта на потока. Недостатъкът на устройството е наличието на застойни зони в района на високи температури на катализатора, където входящият амоняк може да се разложи. 6. ИЗБОР И ОПИСАНИЕ НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКАТА СХЕМА ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА НЕКОНЦЕНТРИРАНА АЗОТНА КИСЕЛИНА В зависимост от условията на производствения процес се разграничават следните видове системи за азотна киселина: 1) системи, работещи при атмосферно налягане; 2) системи, работещи при повишено налягане (4-8 атм); 3) комбинирани системи, при които окисляването на амоняка се извършва при по-ниско налягане, а абсорбцията на оксиди - при по-високо налягане. Помислете за тези технологични схеми. 1) системи, работещи при атмосферно налягане; Фигура 15 - Схема на инсталацията за производство на разредена азотна киселина при атмосферно налягане: 1 - воден скрубер; 2 - платнен филтър; 3 - вентилатор амоняк-въздух; 4 - картонен филтър; 5 - преобразувател; 6 - котел за възстановяване на пара; 7 - високоскоростен хладилник; 8 - хладилник-кондензатор; 9 - вентилатор за азотни газове; 10 - абсорбционни кули; 11 - окислителна кула; 12 - кула за абсорбиране на азотни оксиди от алкали; 13 - киселинен хладилник; 14, 15 - помпи Тези системи (Фигура 15) вече не работят поради обемността на оборудването (голям брой кули за киселинно-алкално абсорбиране), ниската производителност и натрупването на определено количество хлор, което в системите за киселинно-алкално абсорбиране има силно разяждащо въздействие върху оборудването, което постоянно трябва да се сменя, а това води до големи икономически разходи. 2) комбинирани системи; Фигура 16 - Получаване на азотна киселина по комбиниран метод: 1 - високоскоростен хладилник; 2 - хладилник; 3 - двигател с турбокомпресор; 4 - редуктор; 5 - турбокомпресор на азотни газове; 6 - турбина за напояване на отработени газове; 7 - окислител; 8 - топлообменник; 9 - хладилник-кондензатор; 10 - абсорбционна колона; 11 - киселинен клапан; 12 - колектор за кондензат; 13, 14 - колектори на азотна киселина Основните предимства на тази схема са: 1. Тези системи (фигура 16) работят без външна консумация на енергия, тъй като топлината от окисляване на амоняк и окисление на азотен оксид е достатъчна за получаване на енергия за компресиране на въздух и азотни газове до необходимите налягания; 2. Компактност на оборудването. 3. Производителността на такива агрегати е 1360 тона/ден. Недостатъците на схемата: Основният недостатък на тази схема е, че когато амонякът се окислява при налягане 9 атм, степента на преобразуване е с 2-3% по-малка, отколкото при атмосферно налягане, а загубата на платиновия катализатор е 2-3 пъти по-голяма. По този начин този процес е по-изгодно да се извърши при атмосферно налягане. Но за съвременните мощни работилници, които произвеждат азотна киселина, в този случай ще са необходими голям брой устройства с големи размери и следователно увеличение на разходите за строителни и монтажни работи. Тези съображения налагат да се прибегне до увеличаване на налягането в процеса на преобразуване на амоняк. В тази връзка е приемливо налягане от около 2,5 атм, тъй като обемът на апарата е намален с коефициент 2,5 в сравнение с обема в системите, работещи при атмосферно налягане, с умерени загуби на амоняк и катализатор. 3) системи, работещи под високо налягане. Предимства на веригата (Фигура 17): 1. Уредът е компактен, всички устройства са транспортируеми. Захранващият цикъл на блока е автономен и при изключване на химическото производство остава в действие, докато не бъде изключен от контролния панел. Това ви позволява бързо да пуснете устройството в експлоатация в случай на случайно спиране на химическия процес. Управлението на уреда в работен режим е автоматизирано. 2. Действителната цена и енергийната интензивност на азотната киселина, произведена на единици с еднократно налягане от 0,716 MPa, остава най-ниската в сравнение с блока AK-72 и агрегата, работещ по комбинирана схема. 3. Вместо котел-утилизатор зад контактния апарат е монтиран високотемпературен топлообменник за загряване на отработените газове пред турбината до 1120 К. В същото време поради увеличаването на мощността на газова турбина, изходната мощност се е увеличила с 274 в сравнение с уреда АК-72. 4. В схемата успоредно с технологичния апарат е монтирана постоянно включена горивна камера, което дава възможност да се направи работата на машинния блок независима от производствената линия, както и да се осигури плавен преход от операцията на машината в режим на празен ход до работата на машината с включен технологичен процес. Недостатъците на схемата: 1. Процесът протича при повишени температури в блока, което прави много големи натоварвания на паладиевия катализатор и той се проваля. Според литературата специфичните безвъзвратни загуби на 1 тон азотна киселина са 40-45 mg за процеса при атмосферно налягане, 100 mg при 0,3-1,6 MPa и 130-180 mg при 0,7-0,9 MPa. Това означава, че загубата на платина в инсталации, работещи под налягане, се увеличава поради по-високите температури на катализа в сравнение с температурата в инсталациите, работещи при атмосферно налягане. 2. Изисква се много висока степен на пречистване на въздуха преди навлизане в газовата турбина, тъй като капацитетът на въздуха на компресора може да бъде намален с до 10%, а ефективността - с до 6%. Този курсов проект разглежда подробно схемата за производство на азотна киселина под налягане с компресор, задвижван от газова турбина (Фигура 17). Производственият капацитет на азотна киселина съгласно схемата, работеща при налягане 0,716 MPa, се определя от броя на единиците. Капацитетът на един блок е 120 хил. тона/годишно (100% HNO3). Броят на единиците в схемата се определя от необходимостта от цехове за преработка на азотна киселина. Във всеки блок се извършва: подготовка на амонячно-въздушната смес (почистване и компресиране на въздуха, изпаряване на течен амоняк, пречистване на газообразен амоняк и амонячно-въздушна смес); преобразуване на амоняк; оползотворяване на топлината от образуване на азотни оксиди; охлаждане на азотни газове; получаване на азотна киселина; отопление на отработен газ; пречистване от азотни оксиди и оползотворяване на газовата енергия в газовата турбина и котела за отпадна топлина. Освен това схемата включва агрегати за приготвяне на захранваща вода за захранване на котли за отпадна топлина, охлаждаща кондензатна или деминерализирана вода за напояване на абсорбционни колони, редуциране на парата до необходимите параметри, съхраняване на генерираната азотна киселина и разпределението й до потребителите. Фигура 17 - Диаграма на производството на азотна киселина под налягане с компресорно задвижване от газова турбина: 1 - въздушен филтър; 2 - турбокомпресор от първа степен; 3 - междинен хладилник; 4 - турбокомпресор на втория етап; 5 - газова турбина; 6 - скоростна кутия; 7 - мотор-генератор; 8 - въздушен нагревател; 9 - смесител за амоняк с въздух; 10 - въздушен нагревател; 11 - порест филтър; 12 - преобразувател; 13 - котел за отпадъчна топлина; 14 - съд за окисляване на азотни газове; 15 - хладилник - кондензатор; 16 - абсорбционна колона; 17 - преобразувател; 18 - котел за отпадъчна топлина Атмосферният въздух се засмуква през филтъра 1 от турбокомпресора на първа степен 2 и се компресира до 0,2-0,35 MPa. Поради компресията въздухът се нагрява до 175 . След охлаждане до 30-45 в хладилника 3 въздухът влиза в турбокомпресора на втория етап 4, където се компресира до крайно налягане от 0,73 MPa и се нагрява до 125-135 . Допълнително загряване на въздуха до 270 възниква в нагревателя 8 поради топлината на горещите азотни газове, напускащи преобразувателя. Горещият въздух навлиза по-нататък в смесителя 9. Амонякът под налягане 1,0-1,2 МРа се нагрява до 150°С в нагревателя 10 с водна пара и влиза в смесителя 9, където се смесва с въздуха. Получената амонячно-въздушна смес, съдържаща 10-12% NH3, се филтрира в порест филтър 11 и влиза в конвертор 12, където върху платинено-родиев катализатор при температура 890-900°С. амонякът се окислява до азотен оксид. Топлината на газовете, излизащи от конвертора, се използва в котела за отпадна топлина 13 за производство на пара, докато газовете се охлаждат до 260 .
След това газовете преминават през филтър за улавяне на платина, разположен в горната част на празния съд 14. В съд 14 NO се окислява до NO2 (степен на окисление 80%), в резултат на което газовата смес се нагрява до 300-310 и влиза във въздушния нагревател 8, където се охлажда до 175 . По-нататъшното използване на топлината на азотните газове става нерентабилно, така че те се охлаждат с вода в хладилника от 16 до 50-55 . Едновременно с охлаждането на газа в хладилника 16 е кондензацията на водните пари и образуването на азотна киселина в резултат на взаимодействието на водата с азотния диоксид. Концентрацията на получената киселина не надвишава 52% HNO3, добивът е около 50% от общия капацитет на растението. От охладителя 15 азотните газове постъпват в абсорбционната колона 16 със ситови плочи, където NO2 се абсорбира от водата, за да образува азотна киселина (концентрация до 55%). Намотки (хладилни елементи) се поставят върху плочите на абсорбционната колона 16, през които циркулира вода за отстраняване на топлината, отделена при образуването на азотна киселина. За почистване на отработените газове от азотни оксиди, те се нагряват до 370-420 ° C, към тях се добавя малко количество природен газ и се изпраща към конвертора (реактора) 17. Тук, в присъствието на паладиев катализатор, възникват следните реакции: CH4 + O2 2CO + 4H2 + Q (27)
2NO2 + 4H2 = N2 + 4H2O + Q (28)
2NO + 2H2 = N2 + 2H2O + Q (29)
Тъй като тези реакции протичат с отделяне на топлина, температурата на газовете се повишава до 700-730°С. . Тези газове влизат в турбината 5 при налягане 0,5-0,6 MPa, което задвижва турбокомпресорите 2 и 4, които компресират въздуха. След това газове при температура около 400 влизат в котела за отпадъчна топлина 19, който получава пара под ниско налягане. Турбокомпресорите от първа и втора степен 2 и 4, както и газова турбина 5 са едно цяло. Турбината на първия етап 2 и газовата турбина 5 са разположени на общ вал и са свързани чрез скоростна кутия 6 към втората степен на турбина 4 и електрически двигател 7. Този агрегат ви позволява да използвате по-голямата част от енергията, изразходвана за компресиране на въздуха и по този начин значително намаляване на консумацията на енергия. 7. ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА МАТЕРИАЛНИТЕ И ТЕРМИЧНИ БАЛАНСИ НА РЕАКТОРА 7.1 Изчисляване на материалния баланс на реактора 1) Изчислете необходимия обем въздух: 2) Обеми, доставяни с въздух, nm3: а) водна пара б) сух въздух 3) Изчислете обемите кислород, азот и аргон, идващи с въздуха, въз основа на техния процент във въздуха ) Намерете обемите, образувани от реакцията (14), nm ³ /ч: а) азотен оксид б) водна пара 5) Определете обемите, образувани от реакцията (15), nm ³ /ч: а) азот б) водна пара в) кислород, изразходван по време на тази реакция 6) Изчисляваме обемите в газа след окисляването на амоняка, nm ³ /ч: а) кислород б) азот в) аргон
г) водна пара 7) Действителният материален баланс може да се изчисли, ако обемите на потоците на входа на контактния апарат и на изхода му се преизчислят в маси, като трябва да се спазва материалният баланс. Идва: Консумация: Нека попълним таблицата за материалния баланс (Таблица 6). Таблица 6 Доходен поток Компонент Количество Компонент Количество kg/hm ³ /hkg/hm ³ / chNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757,5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar928520H2O1827,022273,625H2O8938,62711123,625Vsego73572,07760203,68Vsego73570,96161678,38 Несъответствие в баланса
7.2 Изчисляване на топлинния баланс на реактора Нека намерим температурата tx, до която е необходимо да се нагрее амонячно-въздушната смес, за да се осигури автотермичната природа на процеса на окисление на амоняк. 1) Изчислете общия обем на сместа амоняк-въздух ) Определете концентрацията на компонентите на амонячно-въздушната смес, % (об.): а) амоняк б) сух въздух в) водна пара 3) Изчислете средния топлинен капацитет на амонячно-въздушната смес Cav = 0,01 (35,8 Pam + 28,7 Psv + 32,6 PN2O)(59) Сav = 0,01 (35,8 9,8 + 28,7 86,4 + 32,6 3,8) = 29,544 kJ/(kmol K), където 35,8; 28.7 и 32.6 - топлинни мощности на амоняк, сух въздух и водна пара, kJ/(kmol K). ) Определете топлината, въведена от сместа амоняк-въздух ) Изчисляваме топлината, отделена по време на реакцията (14) и (16) или 17030 kW, където 905800 и 126660 са топлината, отделена при образуването на азотен оксид и азот съгласно реакции (14) и (16). ) Намерете общия обем азотен газ, влизащ в котела за отпадъчна топлина 7) Определете концентрацията на компонентите на азотен газ, % (об.): а) азотен оксид б) кислород в) аргон г) азот д) водна пара 8) Изчислете средния топлинен капацитет на азотен газ: Snav = 0.01(31.68 PNO + 32.3 P2 + 20.78 Steam 30.8 PN2 + 37.4 Pvod 3(68) Sav=0,01(31,68 8,9+32,3 6,1+20,78 0,84+30,8 66,1+37,4 18,0) = 32,17 kJ/(kmol K) където 31,68; 32,3; 20,78; 30.8 и 37.4 - топлинни мощности на компонентите на азотния газ при температура 900 , kJ/(kmol K). 9) За парно отопление от 198 до 250 в паронагревателя е необходимо да се отнеме топлината: 1880 kW, където 800 10 ³ и 1082 10 ³ J/kg - специфични енталпии на прегрята пара при температури 198 и 250 и налягания от 1,5 MPa и 3,98 MPa. 10) Температурата на азотните газове на изхода на контактния апарат се определя от уравнението на топлинния баланс за тази секция: 6768 106 = 64631 1,66 10³(900 - t2) 11) Изчисляваме топлината, отнесена от азотните газове. Помислете за случая, когато контактният апарат и котелът за отпадъчна топлина са монтирани като едно устройство: 12) Определете топлинните загуби към околната среда Приравнявайки входящата топлина към дебита, съставяме уравнението на топлинния баланс и го решаваме по отношение на tx: Попълнете таблицата за топлинен баланс (Таблица 7). Таблица 7 Вход, kW Консумация, kW Топлина, внесена от амонячно-въздушната смес6369.2Топлина за нагряване на водна пара в паропрегревателя1880Топлина, отнесена от азотни газове20584.3Топлина, отделена по време на реакцията (14) и (16)17030.6Загуби в околната среда 40239 Общо 80239. Несъответствие в баланса: 8. БЕЗОПАСНОСТ И ИНДУСТРИАЛНА СРЕДА За осигуряване на безопасен режим на работа при производството на неконцентрирана азотна киселина под високо налягане е необходимо стриктно спазване на технологичните разпоредби, инструкциите за охрана на труда на работните места, инструкциите за охрана на труда и промишлената безопасност на отдела, инструкциите за определени видове работа. Обслужващият персонал има право да работи с предписаните от нормите работно облекло и предпазни обувки, задължени са да носят със себе си изправни лични предпазни средства. Защитните средства (индивидуален противогаз) трябва да се проверяват всяка смяна преди започване на работа. Лицата, обслужващи механизмите, трябва да познават правилата на Госгортехнадзор, свързани с оборудването, което се обслужва. Лица, обслужващи оборудване за котелен надзор - правила за надзор на котела. Предотвратяване на нарушения на нормалния технологичен режим на всички етапи от процеса. Извършвайте работа само на изправно оборудване, оборудвано с всички необходими и правилно работещи предпазни устройства, прибори и устройства за управление, аларми и блокировки. При предаване за ремонт оборудване и комуникации, в които е възможно натрупване на амоняк, продухвайте оборудването и комуникациите с азот, докато в продухващия азот няма горими вещества. Преди запълване на апаратите и комуникациите с амоняк след ремонта им, продухвайте с азот, докато съдържанието на кислород в продухващия азот не е повече от 3,0% (об.). Не допускайте ремонт на комуникации, арматура, оборудване под налягане. Ремонтите трябва да се извършват след разхерметизиране и затваряне на ремонтираната зона с тапи. Оборудването, комуникациите, които трябва да се ремонтират, трябва да бъдат продухани или измити. За да се избегнат хидравлични удари, парата трябва да се подава към тръбопроводите за студена пара бавно, като се осигури достатъчно нагряване с изпускане на кондензат по цялата дължина на тръбопровода. Излизането на суха пара от дренажа показва достатъчно нагряване на тръбопровода. Не включвайте електрическо оборудване с дефектно заземяване. Не допускайте ремонт на оборудване с електрическо задвижване, без да се отстрани напрежението от електродвигателите. Ремонтът и настройката на контролно-измервателните уреди и електрическото оборудване се извършват само от службите на отдела на главния оператор на инструментите и електротехниците. Забранено е използването на открит огън в производствени и складови помещения: пушенето е разрешено на местата, определени за тези цели. Всички въртящи се части на оборудването (съединителни половини), работните колела на въртящите се вентилатори, на валовете на електродвигателите трябва да бъдат здраво закрепени и оградени и боядисани в червено. Фланцовите връзки на киселинните линии трябва да бъдат защитени със защитни капаци. Затягането на болтове на фланцовите връзки на тръбопроводите, както и работа по оборудване под налягане, не е разрешено. Апаратите, работещи под налягане, трябва да отговарят на изискванията, посочени в техническите спецификации и правилата за проектиране и безопасна експлоатация на съдове и комуникации, работещи под налягане. Работите в затворени съдове трябва да се извършват при наличие на разрешително за извършване на газоопасни работи. Вентилацията трябва да е в добро състояние и да работи постоянно. Поддръжката на подемни механизми, съдове под налягане се извършва само от лица, специално обучени и притежаващи специален сертификат. Подходите към аварийните шкафове, пожароизвестителите, телефоните, пожарната техника не се допускат да се затрупват с чужди предмети, трябва да се поддържат чисти и в добро състояние. Отворените отвори в тавани, платформи, пътеки трябва да имат огради с височина 1 м. В долната част на оградата трябва да има странична или защитна лента с височина 15 см. Всички прибори и системи за автоматизация и блокиране трябва да са в добро състояние. За да се предотврати отлагането на нитрит-нитратни соли върху вътрешните повърхности на апарати и тръбопроводи, роторни лопатки, стени на компресори за азотен газ и други части и апарати, предотвратяване на продължително запалване на контактни апарати (повече от 20 минути), понижаване на температурата на катализатора марли, разкъсването им, което води до изплъзване на амоняк, прекратяване на напояването на повърхности, което води до отлагане на нитрит-нитратни соли. Навременно извършвайте избърсване, почистване на оборудването от разливи на технологични продукти, доливане на масло в картерите на помпата. Работните места за ремонтни и други работи и проходите към тях на височина 1,3 m или повече трябва да бъдат оградени. Ако е невъзможно или нецелесъобразно да се монтират огради за работа на височина от 1,3 m и повече, както и при работа от стълба на височина над 1,3 m, е необходимо да се използват предпазни колани, докато на мястото на работа трябва да има помощни работници, които са готови да помогнат на работника.на високо. Мястото на закрепване на карабинера се определя от ръководителя на работата. Предпазните колани се тестват преди въвеждане в експлоатация, както и по време на работа на всеки 6 месеца. Предпазният колан трябва да бъде етикетиран с регистрационния номер и датата на следващия тест. При работа с азотна киселина (вземане на проби, проверка на комуникациите, стартиране на производство на киселинни помпи и др.) е необходимо да се използва индивидуална защита на дихателните пътища и очите (филтрираща противогаз с кутия с марка М, очила с гумена полумаска или защитна щит от плексиглас или шлем за противогаз), гумени киселинноустойчиви ръкавици, специално киселинноустойчиво облекло. Ако се открият неизправности в работата на оборудването, дефекти в опори, стени и др. своевременно информират началника на отдела, цеховия механик. Ако е необходимо, спрете оборудването и го подгответе за доставка за ремонт. При всяко спиране на уреда за ремонт отворете долния люк на окислителя и при наличие на амониеви соли по разпределителната решетка, по стените и дъното, го запарете с жива пара, източете кондензата. Работата с пара, парен кондензат трябва да се извършва в гащеризони, обувки, ръкавици. За предотвратяване на професионални отравяния и професионални заболявания в отделението трябва да се спазват следните санитарно-хигиенни изисквания: а) температурата на въздуха трябва да бъде: 23- преходен и зимен период; 18-27- летен период. б) относителна влажност на въздуха: през лятото - не повече от 75%; през зимата - не повече от 65%. в) шум - не повече от 65 dBA в шумоизолирани кабини, на други места не повече от 80 dBA; г) вибрации - не повече от 75 dB в шумоизолирани кабини, в машинни и контактни помещения не повече от 92 dB; д) осветеност на работните места: звукоизолирани кабини - най-малко 200 лукса; в местата на абсорбционни колони - най-малко 50 лукса; в машинните и контактните помещения - най-малко 75 лукса. е) максимално допустимата концентрация на вредни вещества във въздуха на работната зона на помещението: амоняк - не повече от 20 mg/m3; азотни оксиди - не повече от 5 mg/m3. Освен индивидуални противогази, отделението разполага с авариен запас от филтриращи и изолиращи противогази. Аварийните противогази се съхраняват в аварийни шкафове. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В хода на курсовата работа е проектиран реактор за каталитично окисление на амоняк за производство на азотни оксиди при производството на неконцентрирана азотна киселина. Разгледани са физичните и химичните основи на процеса. Дадени са характеристиките на изходната суровина и на готовия продукт. Необходимият обем въздух за окисляване е изчислен като 5900 m ³ / h амоняк, той възлиза на 54304 m ³ /ч Обемите кислород, азот и аргон, доставяни с въздуха, се изчисляват въз основа на тяхното процентно съдържание във въздуха. Изчислени са и обемите на кислород, азот, аргон и водна пара в газа след окисляване на амоняк. Изчислен е топлинният баланс, в резултат на което са изчислени всички топлинни потоци. Изчислена е температурата, до която е необходимо да се нагрее амонячно-въздушната смес, за да се осигури автотермичен процес на окисление на амоняк; тя беше 288 . Температурата на азотния газ след прегревателя беше изчислена, тя беше 836,7 . Определят се топлинните загуби в околната среда. Направен е преглед на литературата за най-ефективната схема за производство на неконцентрирана азотна киселина. Избрана е система, работеща под високо налягане, тъй като този блок е компактен, всички устройства са транспортируеми, енергийният цикъл на блока е автономен. В разглежданата схема електричеството не се консумира за технологични нужди. Електричеството се изразходва в малко количество само за задвижване на помпите, необходими за изпомпване на киселина, доставяща захранваща вода към котлите. Работата по тази схема се извършва без емисии на вредни газове в атмосферата. ПРЕПРАТКИ 1. Atroshchenko V.I., Kargin S.I. Технология на азотната киселина: Proc. Помощ за университети. - 3-то изд., преработено. и допълнителни - М.: Химия, 1970. - 496 с. Егоров A.P. Шерешевски А.И., Шманенко И.В. Обща химична технология на неорганичните вещества: Учебник за техникума. - Ед. 4-та ревизия - Москва, Ленинград: Химия, 1965 - 688с. Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитично окисление на амоняк / Изд. Караваева М.М. - М.: Химия, 1983. - 232 с. Катализатори в азотната индустрия./Ред. Atroshchenko V.I. - Харков: Вища училище, 1977. - 144 с. Обща химическа технология. Под редакцията на проф. Амелина A.G. Москва: Химия, 1977. - 400 с. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примери и задачи в хода на процесите и апаратите на химическата технология. Л .: Химия, 1976 - 552с. Перлов Е.И., Багдасарян В.С. Оптимизиране на производството на азотна киселина. М.: Химия, 1983. - 208 с. Изчисления за технологията на неорганичните вещества: Proc. Ръководство за университети / Pozin M.E., Kopylev B.A., Belchenko G.V. и т.н.; Изд. Позина М.Е. 2-ро изд. ревизиран и допълнителни - Л.: Химия. Ленинград. отдел, 1977 - 496 с. Румянцев О.В. Оборудване за цехове за синтез под високо налягане в азотната индустрия; Proc. за университети - М.: Химия, 1970 - 376 с. 10. Соколов Р.С. Химическа технология: учеб. надбавка за студенти. по-висок учебник институции: В 2 Т. - М .: Хуманит изд. център ВЛАДОС, 2000. - Т.1: Химическо производство в антропогенната дейност. Основни въпроси на химическата технология. Производство на неорганични вещества. - 368 стр. Наръчник на Азотчик./Изд. Мельникова Е.Я. - V.2: Производство на азотна киселина. Производство на азотни торове. Материали и основно специално оборудване. Снабдяване с енергия. Инженеринг за безопасност. - М.: Химия - 1969. - 448с. Химическа технология на неорганичните вещества: В 2 кн. книга 1. Учебник / Т.Г. Ахметов, Р.Г. Порфирева, Л.Г. Гисин. - М.: По-високо. училище, 2002. 688с.: ил. Коробочкин В.В. Технология на азотна киселина. - Издателство на Томския политехнически университет. 2012 г.
Ние също препоръчваме
Импулсно захранване: ремонт и усъвършенстване
Дистанционно управление на светлината
Уроци по плуване за деца в предучилищна възраст
Бележки за майстора - домашни битови аларми
Часовниково витло на Atmega8
Примери за приложение на устройства и реле, как да изберете и свържете правилно реле Микроконтролер и релейни прости превключващи вериги
Зареждане...