Od čega se pravi salitra? Proizvodnja amonijevog nitrata

Amonijev nitrat se dobiva neutralizacijom dušične kiseline plinovitim amonijakom prema reakciji:

NH 3 (g) + NNO 3 (l) NH 4 NO 3 +144,9 kJ

Ova gotovo nepovratna reakcija odvija se velikom brzinom i oslobađanjem značajne količine topline. Obično se provodi pri tlaku blizu atmosferskog; u nekim zemljama postrojenja za neutralizaciju rade pod tlakom od 0,34 MPa. U proizvodnji amonijevog nitrata koristi se razrijeđena 47-60% dušična kiselina.

Toplina reakcije neutralizacije koristi se za isparavanje vode i koncentriranje otopine.

Industrijska proizvodnja uključuje sljedeće faze: neutralizaciju dušične kiseline plinovitim amonijakom u ITN aparatu (korištenje neutralizacijske topline); isparavanje otopine salitre, granulacija taline salitre, hlađenje granula, obrada granula tenzida, pakiranje salitre, skladištenje i utovar, emisije plinova i pročišćavanje otpadnih voda. Aditivi se uvode tijekom neutralizacije dušične kiseline.

Na slici 1 prikazan je dijagram suvremene velike tonažne jedinice AS-72 kapaciteta 1360 t/dan.

Riža. jedan.

1 - kiselinski grijač; 2 - grijač amonijaka; 3 - ITN uređaji; 4 - neutralizator; 5 - isparivač; 6 - tlačni spremnik; 7, 8 - granulatori; 9, 23-lepeze; 10 - perač za pranje; 11 - bubanj; 12.14 - transporteri; 13 - dizalo; 15-aparat s fluidiziranim slojem; 16 - granulacijski toranj; 17 - zbirka; 18, 20 - pumpe; 19 - spremnik za plivanje; 21-filter za plivanje; 22 - grijač zraka

Dolazeća 58-60% dušična kiselina zagrijava se u grijaču 1 na 70-80 o C s parama soka iz aparata ITN 3 i dovodi se na neutralizaciju. Prije aparata 3 dušičnoj kiselini dodaju se toplinska fosforna i sumporna kiselina u količini od 0,3-0,5% P 2 O 5 i 0,05-0,2% amonijevog sulfata, računajući na gotov proizvod.

Sumporna i fosforna kiselina dobivaju se pomoću klipnih pumpi čiji se rad lako i precizno regulira. Jedinica je opremljena s dva uređaja za neutralizaciju koji rade paralelno. Ovdje se također dovodi plinoviti amonijak, zagrijavan u grijaču 2 kondenzatom pare na 120-130 ° C. Količina dostavljene dušične kiseline i amonijaka regulirana je tako da otopina ima blagi višak dušične kiseline na izlazu iz ITN aparata , osiguravajući potpunu apsorpciju amonijaka.

U donjem dijelu aparata vrši se neutralizacija kiselina na temperaturi od 155-170°C kako bi se dobila otopina koja sadrži 91-92% NH 4 NO 3 . U gornjem dijelu aparata vodena para (tzv. sokova para) ispire se od prskanja amonijevog nitrata i para HN0 3 . Dio topline iz pare soka koristi se za zagrijavanje dušične kiseline. Zatim se para soka šalje na čišćenje u perače i zatim ispušta u atmosferu.

Kisela otopina amonijevog nitrata šalje se u neutralizator 4, gdje se dovodi amonijak u količini potrebnoj za neutralizaciju otopine. Zatim se otopina dovodi u isparivač 5 na douparu, koji se vodi vodenom parom pod tlakom od 1,4 MPa i zrakom zagrijanim na oko 180°C. Dobivena talina, koja sadrži 99,8-99,7% salitre, prolazi kroz filter 21 na 175°C i centrifugalnom potopnom pumpom 20 se dovodi u tlačni spremnik 5, a zatim u pravokutni metalni granulacijski toranj 16 duljine 11 m, širina 8 m i visina vrha do stošca 52,8 m.

U gornjem dijelu tornja su granulatori 7 i 8; zrak se dovodi u donji dio tornja, hladeći kapljice salitre, koje se pretvaraju u granule. Visina pada čestica salitre je 50--55m. Dizajn granulatora osigurava proizvodnju granula ujednačenog granulometrijskog sastava s minimalnim sadržajem sitnih granula, što smanjuje unošenje prašine iz tornja zrakom. Temperatura granula na izlazu iz tornja je 90--110°C, pa se šalju na hlađenje u aparat s fluidiziranim slojem 15. Aparat s fluidiziranim slojem je pravokutni aparat koji ima tri dijela i opremljen rešetkom s rupama. . Zrak se dovodi ispod rešetke ventilatorima, stvarajući tako fluidizirani sloj granula salitre visine 100--150 mm, koji kroz transporter dolaze iz granulacijskog tornja. Dolazi do intenzivnog hlađenja granula na temperaturu od 40°C (ali ne više od 50°C), što odgovara uvjetima za postojanje modifikacije IV. Ako je temperatura rashladnog zraka ispod 15°C, tada se prije ulaska u aparat s fluidiziranim slojem zrak zagrijava u izmjenjivaču topline na 20°C. U hladnom razdoblju mogu biti u funkciji 1-2 sekcije.

Zrak iz aparata 15 ulazi u toranj za granulaciju radi formiranja granula i njihovog hlađenja.

Granule amonijevog nitrata iz aparata s fluidiziranim slojem dovode se transporterom 14 za obradu surfaktantom u rotirajući bubanj 11. Ovdje se granule raspršuju raspršenom 40% vodenom otopinom NF disperzanta. Nakon toga, salitra prolazi kroz elektromagnetski separator za odvajanje slučajno zarobljenih metalnih predmeta i šalje se u bunker, a zatim na vaganje i pakiranje u papirnate ili plastične vrećice. Vreće se transporterom transportiraju za utovar u vagone ili u skladište.

Zrak koji izlazi iz gornjeg dijela granulacijskog tornja kontaminiran je česticama amonijevog nitrata, a pare soka iz neutralizatora i parno-zračna smjesa iz isparivača sadrže neizreagirani amonijak i dušičnu kiselinu te čestice unesenog amonijevog nitrata. Za čišćenje u gornjem dijelu granulacijskog tornja ugrađeno je šest paralelno djelujućih pločastih perača za pranje 10, koje se navodnjavaju 20-30% otopinom amonijevog nitrata, koja se napaja pumpom 18 iz spremnika. Dio te otopine se preusmjerava u ITN neutralizator za pranje sokova parom, a zatim se miješa s otopinom amonijevog nitrata i stoga ide u proizvodnju proizvoda.

Dio otopine (20-30%) kontinuirano se povlači iz ciklusa, pa se ciklus iscrpljuje i nadopunjuje dodatkom vode. Na izlazu svake skrubera ugrađen je ventilator 9 kapaciteta 100.000 m 3 / h koji usisava zrak iz granulacijskog tornja i ispušta ga u atmosferu.

Amonijev nitrat, ili amonijev nitrat, NH 4 NO 3 je bijela kristalna tvar koja sadrži 35% dušika u amonijevom i nitratnom obliku, oba oblika dušika biljke lako apsorbiraju. Zrnati amonijev nitrat se masovno koristi prije sjetve i za sve vrste prihranjivanja. U manjem obimu koristi se za proizvodnju eksploziva.

Amonijev nitrat se dobro otapa u vodi i ima visoku higroskopnost (sposobnost apsorbiranja vlage iz zraka), zbog čega se granule gnojiva šire, gube kristalni oblik, dolazi do zgrušavanja gnojiva - rasuti materijal se pretvara u čvrstu monolitnu masu.

Shematski dijagram proizvodnje amonijevog nitrata

Da bi se dobio amonijev nitrat koji se praktički ne zgrušava, koriste se brojne tehnološke metode. Učinkovito sredstvo za smanjenje brzine apsorpcije vlage higroskopnim solima je njihova granulacija. Ukupna površina homogenih granula manja je od površine iste količine fine kristalne soli, stoga zrnasta gnojiva sporije upijaju vlagu iz

Amonijevi fosfati, kalijev klorid, magnezijev nitrat također se koriste kao aditivi sličnog djelovanja. Proces proizvodnje amonijevog nitrata temelji se na heterogenoj reakciji interakcije plinovitog amonijaka s otopinom dušične kiseline:

NH 3 + HNO 3 \u003d NH 4 NO 3; ΔN = -144,9 kJ

Kemijska reakcija se odvija velikom brzinom; u industrijskom reaktoru, ograničeno je otapanjem plina u tekućini. Miješanje reaktanata je od velike važnosti za smanjenje usporavanja difuzije.

Tehnološki proces proizvodnje amonijevog nitrata uključuje, osim faze neutralizacije dušične kiseline amonijakom, faze isparavanja otopine salitre, granulacije taline, hlađenja granula, tretiranja granula tenzidima, pakiranja, skladištenja i punjenja. salitra, čišćenje emisija plinova i otpadnih voda. Na sl. 8.8 prikazuje dijagram moderne jedinice velikog kapaciteta za proizvodnju amonijevog nitrata AS-72 kapaciteta 1360 tona / dan. Izvorna 58-60% dušična kiselina zagrijava se u grijaču na 70 - 80°C s parama soka iz aparata ITN 3 i dovodi do neutralizacije. Prije aparata 3 dušičnoj kiselini se dodaju fosforna i sumporna kiselina u takvim količinama da gotov proizvod sadrži 0,3-0,5% P 2 O 5 i 0,05-0,2% amonijevog sulfata. Jedinica je opremljena s dva ITN uređaja koja rade paralelno. Uz dušičnu kiselinu, njima se isporučuje plinoviti amonijak, prethodno zagrijan u grijaču 2 s kondenzatom pare na 120-130°C. Količine dostavljene dušične kiseline i amonijaka reguliraju se na način da na izlazu iz ITN aparata otopina ima blagi višak kiseline (2-5 g/l), što osigurava potpunu apsorpciju amonijaka.

U donjem dijelu aparata odvija se reakcija neutralizacije na temperaturi od 155-170°C; time nastaje koncentrirana otopina koja sadrži 91-92% NH 4 NO 3 . U gornjem dijelu aparata ispire se vodena para (tzv. para sokova) od prskanja para amonijevog nitrata i dušične kiseline. Dio topline pare soka koristi se za zagrijavanje dušične kiseline. Zatim se para soka šalje na pročišćavanje i pušta u atmosferu.

Slika 8.8. Shema AS-72 jedinice amonijevog nitrata:

1 – kiselinski grijač; 2 – grijač amonijaka; 3 – ITN uređaji; 4 - naknadni neutralizator; 5 – isparivač; 6 - tlačni spremnik; 7.8 - granulatori; 9.23 - navijači; 10 – perač za pranje; 11 - bubanj; 12.14 - transporteri; 13 - dizalo; 15 – aparat s fluidiziranim slojem; 16 - granulacijski toranj; 17 - zbirka; 18, 20 - pumpe; 19 - spremnik za plivanje; 21 - filter za plivanje; 22 - grijač zraka.

Kisela otopina amonijevog nitrata šalje se u neutralizator 4; gdje ulazi amonijak, neophodan za interakciju s preostalom dušičnom kiselinom. Zatim se otopina dovodi u isparivač 5. Dobivena talina, koja sadrži 99,7-99,8% nitrata, prolazi kroz filter 21 na 175 °C i centrifugalnom potopnom pumpom 20 dovodi se u tlačni spremnik 6, a zatim u pravokutni metalni granulacijski toranj 16.

U gornjem dijelu tornja nalaze se granulatori 7 i 8, čiji se donji dio opskrbljuje zrakom koji hladi kapljice salitre koje padaju odozgo. Prilikom pada salitrenih kapi s visine od 50-55 m nastaju granule gnojiva pri strujanju zraka oko njih. Temperatura peleta na izlazu iz tornja je 90-110°C; vruće granule se hlade u aparatu s fluidiziranim slojem 15. Ovo je pravokutni aparat koji ima tri dijela i opremljen rešetkom s rupama. Ventilatori dovode zrak ispod rešetke; to stvara fluidizirani sloj granula nitrata koje dolaze kroz transporter iz granulacijskog tornja. Zrak nakon hlađenja ulazi u granulacijski toranj. Granule transportera amonijevog nitrata 14 služe za obradu površinski aktivnim tvarima u rotirajućem bubnju. Zatim se gotovo gnojivo transporterom 12 šalje u ambalažu.

Zrak koji izlazi iz granulacijskog tornja kontaminiran je česticama amonijevog nitrata, a para soka iz neutralizatora i smjesa para i zraka iz isparivača sadrže neizreagirani amonijak i dušičnu kiselinu, kao i čestice odnesenog amonijevog nitrata.

Za čišćenje ovih potočića u gornjem dijelu granulacijskog tornja postoji šest paralelno djelujućih pločastih perača za pranje 10, navodnjavanih 20-30% otopinom amonijevog nitrata, koji se napaja pumpom 18 iz zbirke 17. Dio ova otopina se preusmjerava u ITN neutralizator za pranje sokova parom, a zatim se miješa s otopinom salitre i stoga se koristi za izradu proizvoda. Pročišćeni zrak se ventilatorom 9 usisava iz granulacijskog tornja i ispušta u atmosferu.

Tehnološki proces proizvodnje amonijevog nitrata sastoji se od sljedećih glavnih faza: neutralizacija dušične kiseline plinovitim amonijakom, isparavanje otopine amonijevog nitrata, kristalizacija i granulacija taline.

Plinoviti amonijak iz grijača 1 i dušična kiselina iz grijača 2 na temperaturi od 80-90 0 C ulaze u aparat ITP 3. Kako bi se smanjio gubitak amonijaka, zajedno s parom, reakcija se provodi u suvišku kiseline. Otopina amonijevog nitrata iz uređaja 3 neutralizira se u naknadnom neutralizatoru 4 s amonijakom i ulazi u isparivač 5 radi isparavanja u pravokutni granulacijski toranj 16.

Slika 5.1. Tehnološka shema za proizvodnju amonijevog nitrata.

1 - grijač amonijaka, 2 - grijač dušične kiseline, 3 - ITN aparat (koristeći toplinu neutralizacije), 4 - dodatni neutralizator, 5 - isparivač, 6 - tlačni spremnik, 7,8 - granulatori, 9,23 - ventilatori, 10 - peračica, 11-bubanj, 12,14- transporteri, 13-elevator, 15-aparat s fluidiziranim slojem, 16-granulacijski toranj, 17-kolektor, 18,20-pumpe, 19-plovkasti spremnik, 21-float filter, 22-grijač zraka.

U gornjem dijelu tornja nalaze se granulatori 7 i 8, čiji se donji dio opskrbljuje zrakom koji hladi kapljice salitre koje padaju odozgo. Prilikom pada salitrenih kapi s visine od 50-55 metara, pri strujanju zraka oko njih nastaju granule koje se hlade u aparatu s fluidiziranim slojem 15. Ovo je pravokutni aparat s tri dijela i rešetkom s rupama. Ventilatori dovode zrak ispod rešetke. Stvara se fluidizirani sloj granula salitre koji dolaze iz granulacijskog tornja kroz transporter. Zrak nakon hlađenja ulazi u granulacijski toranj.

Granule transportera amonijevog nitrata 14 služe za obradu površinski aktivnim tvarima u rotirajućem bubnju 11. Zatim se gotov transporter za gnojivo 12 šalje u paket.

Zrak koji izlazi iz granulacijskog tornja kontaminiran je amonijevim nitratom, a pare soka iz neutralizatora sadrže neizreagirani amonijak i dušičnu kiselinu, kao i čestice odnesenog amonijevog nitrata. Za čišćenje ovih potočića u gornjem dijelu granulacijskog tornja postoji šest paralelno djelujućih pločastih perača za pranje 10, navodnjavanih 20-30% otopinom salitre, koja se pumpom 18 iz zbirke 17. dovodi u otopinu. od salitre, pa se stoga koristi za izradu proizvoda. Pročišćeni zrak se ventilatorom 9 usisava iz granulacijskog tornja i ispušta u atmosferu.

UVOD

Industrija dušika jedna je od najbrže rastućih industrija.

Dušična kiselina je jedan od polaznih proizvoda za proizvodnju većine tvari koje sadrže dušik i jedna je od najvažnijih kiselina.

U smislu proizvodnje, dušična kiselina zauzima drugo mjesto među raznim kiselinama nakon sumporne kiseline. Veliki opseg proizvodnje objašnjava se činjenicom da su dušična kiselina i njezine soli postale vrlo važne u nacionalnom gospodarstvu.

Potrošnja dušične kiseline nije ograničena samo na proizvodnju gnojiva. Nalazi široku primjenu u proizvodnji svih vrsta eksploziva, niza tehničkih soli, u industriji organske sinteze, u proizvodnji sumporne kiseline, u raketnoj tehnici i u mnogim drugim granama narodnog gospodarstva.

Industrijska proizvodnja dušične kiseline temelji se na katalitičkoj oksidaciji amonijaka atmosferskim kisikom, nakon čega slijedi apsorpcija nastalih dušikovih oksida vodom.

Svrha ovog kolegija je razmatranje prve faze proizvodnje dušične kiseline - kontaktne oksidacije amonijaka, kao i proračun materijalne i toplinske bilance reaktora.

U tehnološkim shemama za proizvodnju dušične kiseline važan je proces katalitičke oksidacije amonijaka, jer određuje tri glavna pokazatelja - potrošnju amonijaka, ulaganja i gubitke metala platine, kao i energetske mogućnosti sheme. U tom smislu, poboljšanje procesa katalitičke oksidacije amonijaka od velike je važnosti za proizvodnju dušične kiseline i općenito mineralnih gnojiva.

1. KARAKTERISTIKE DUŠIČNE KISELINE

1.1 Sorte dušične kiseline

U industriji se koriste 2 razreda dušične kiseline: razrijeđena (slaba) s udjelom 30-60% HNO3 i koncentrirana, koja sadrži 97-99% HNO3, kao i relativno malu količinu reaktivne i visoko čiste dušične kiseline. Kvaliteta proizvedene dušične kiseline mora zadovoljavati utvrđene standarde.

Prema fizikalno-kemijskim parametrima, koncentrirana dušična kiselina mora zadovoljavati standarde navedene u tablici 1.

Tablica 1 - Zahtjevi za kvalitetu koncentrirane dušične kiseline (GOST 701-89)

Kvaliteta proizvedene dušične kiseline mora biti u skladu s utvrđenim standardima navedenim u tablicama 2 i 3.

Tablica 2 - Zahtjevi kvalitete za nekoncentriranu dušičnu kiselinu (OST 6-03-270-76)

Tablica 3 - Zahtjevi za kvalitetu dušične kiseline (GOST 4461-67)

Sadržaj u%, ne više 005Sulfata (SO42) -0.00020.00050,002fosfati (PO43-) 0.000020.000 20.002 klororida (CL-) 0.000050.000.000.0005iron (Fe) 0.000020.000.000.0003Calcium (CA) 0.00050 .0010.002arsenic (kao) 0,0000020. 0000030,00001Teški metali (Pb)0,000020,00050,0005

1.2 Upotreba dušične kiseline

Dušična kiselina se koristi u različitim područjima djelovanja:

1)kod pocinčavanja i kromiranja detalja;

)za proizvodnju mineralnih gnojiva;

)nabaviti eksploziv (vojna industrija);

)u proizvodnji lijekova (farmaceutika);

)dobivanje srebrnog nitrata za fotografiranje;

)za graviranje i graviranje metalnih oblika;

)kao sirovina za dobivanje koncentrirane dušične kiseline;

)u hidrometalurgiji;

)u nakitu - glavni način određivanja zlata u zlatnoj leguri;

)za dobivanje aromatskih nitro spojeva - prekursora boja, farmakoloških pripravaka i drugih spojeva koji se koriste u finoj organskoj sintezi;

)za dobivanje nitroceluloze.

1.3 Svojstva dušične kiseline

3.1 Fizička svojstva dušične kiseline

Dušična kiselina je jedna od jakih jednobazičnih kiselina oštrog zagušljivog mirisa, osjetljiva je na svjetlost i pri jakom svjetlu razlaže se na jedan od dušikovih oksida (koji se nazivaju i smeđi plin - NO2) i vodu. Stoga ga je poželjno čuvati u tamnim posudama. U koncentriranom stanju ne otapa aluminij i željezo pa se može čuvati u odgovarajućim metalnim posudama. Dušična kiselina - jak je elektrolit (kao i mnoge kiseline) i vrlo jako oksidacijsko sredstvo. Često se koristi u reakcijama s organskim tvarima.

Dušik u dušičnoj kiselini je četverovalentan, oksidacijsko stanje +5. Dušična kiselina je bezbojna tekućina koja dimi na zraku, talište -41,59 , vrelište +82,6 uz djelomičnu ekspanziju. Topljivost dušične kiseline u vodi nije ograničena. Vodene otopine HNO3 s masenim udjelom od 0,95-0,98 nazivaju se "dimljiva dušična kiselina", s masenim udjelom od 0,6-0,7 - koncentrirana dušična kiselina. Tvori azeotropnu smjesu s vodom (maseni udio 68,4%, d20 = 1,41 g/cm, Tboil = 120,7 )

Kada se kristalizira iz vodenih otopina, dušična kiselina tvori kristalne hidrate:

) HNO3 H2O monohidrat, Tmelt = -37,62 ;

2) HNO3 3H2O trihidrat, Tmelt = -18,47 .

Dušična kiselina, poput ozona, može nastati u atmosferi tijekom bljeska munje. Dušik, koji čini 78% atmosferskog zraka, reagira s atmosferskim kisikom i nastaje dušikov oksid NO. Daljnjom oksidacijom na zraku, ovaj oksid prelazi u dušikov dioksid (smeđi plin NO2), koji reagira s atmosferskom vlagom (oblaci i magla), stvarajući dušičnu kiselinu.

Ali tako mala količina potpuno je bezopasna za ekologiju zemlje i žive organizme. Jedan volumen dušične kiseline i tri volumena klorovodične kiseline tvore spoj koji se naziva carska voda. Sposoban je otapati metale (platinu i zlato) koji su netopivi u običnim kiselinama. Kada se papir, slama, pamuk uvedu u ovu smjesu, doći će do snažne oksidacije, čak i do paljenja.

1.3.2 Kemijska svojstva dušične kiseline

Dušična kiselina pokazuje različita kemijska svojstva ovisno o koncentraciji i tvari s kojom reagira.

Ako je dušična kiselina koncentrirana:

1) s metalima - željezo (Fe), krom (Cr), aluminij (Al), zlato (Au), platina (Pt), iridij (Ir), natrij (Na) - ne reagira zbog stvaranja zaštitne film na njihovoj površini, koji ne dopušta daljnju oksidaciju metala. Sa svim ostalim metalima<#"justify">HNO3 konc + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1)

2) s nemetalima<#"justify">HNO3 konc. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2)

Ako je dušična kiselina razrijeđena:

1) u interakciji sa zemnoalkalijskim metalima, kao i s cinkom (Zn), željezom (Fe), oksidira se u amonijak (NH3) ili u amonijev nitrat (NH4NO3). Na primjer, kada reagira s magnezijem (Mg):

HNO3 razrijeđen + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O (3)

Ali dušikov oksid (N2O) također može nastati, na primjer pri reakciji s magnezijem (Mg):

HNO3 razrijeđen + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O (4)

Reagira s drugim metalima i stvara dušikov oksid (NO), na primjer, otapa srebro (Ag):

HNO3 razrijeđen + Ag = AgNO3 + NO + H2O (5)

2) slično reagira s nemetalima, kao što je sumpor<#"justify">HNO3 razrijeđen + S = H2SO4 + 2NO (6)

Oksidacija sumpora do stvaranja sumporne kiseline i oslobađanja plina – dušikovog oksida;

3) kemijska reakcija s metalnim oksidima, na primjer, kalcijevim oksidom:

HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O (7)

Nastaju sol (kalcijev nitrat) i voda;

) kemijska reakcija s hidroksidima (ili bazama), na primjer, s gašenim vapnom:

HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O (8)

Nastaju sol (kalcijev nitrat) i voda – reakcija neutralizacije;

) kemijska reakcija sa solima, na primjer s kredom:

HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2 (9)

Nastaje sol (kalcijev nitrat) i druga kiselina (u ovom slučaju ugljična kiselina koja se razgrađuje na vodu i ugljični dioksid).

6) ovisno o otopljenom metalu, razgradnja soli na temperaturi odvija se na sljedeći način:

a) bilo koji metal (označen kao Me) do magnezija (Mg):

MeNO2 + O2 (10)

b) bilo koji metal od magnezija (Mg) do bakra (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2 (11)

c) bilo koji metal nakon bakra (Cu):

3 = Me + NO2 + O2 (12)

2. METODE DOBIVANJA DUŠIČNE KISELINE

katalizator dušične kiseline amonijak

Industrijske metode za proizvodnju razrijeđene dušične kiseline uključuju sljedeće korake:

) dobivanje dušikovog oksida (II);

2) njegova oksidacija u dušikov oksid (IV);

3) apsorpcija NO2 vodom;

4) pročišćavanje ispušnih plinova (uglavnom koji sadrže molekularni dušik) od dušikovih oksida.

Koncentrirana dušična kiselina dobiva se na dva načina:

1) prva metoda se sastoji u rektificiranju ternarnih smjesa koje sadrže dušičnu kiselinu, vodu i tvari koje uklanjaju vodu (obično sumporna kiselina ili magnezijev nitrat). Kao rezultat, dobivaju se pare 100% dušične kiseline (koje kondenziraju) i vodene otopine sredstva za odvodnjavanje, potonje se isparava i vraća u proizvodnju;

2) druga metoda temelji se na reakciji:

N2O4(t) + 2H2O(l) + O2(g) = 4HNO3(l) + 78,8 kJ (13)

Pri tlaku od 5 MPa i korištenjem čistog O2 nastaje 97-98% kiseline koja sadrži do 30% masenog udjela dušikovih oksida. Ciljani proizvod se dobiva destilacijom ove otopine. Dušična kiselina visoke čistoće dobiva se destilacijom s 97-98,5% dušične kiseline u opremi od silikatnog ili kvarcnog stakla. Sadržaj nečistoća u takvoj kiselini je manji od 110-6% masenog udjela.

3. SIROVINA BAZA U PROIZVODNJI NEKONCENTRIRANE DUŠIČNE KISELINE

Glavne sirovine za proizvodnju nekoncentrirane dušične kiseline trenutno su amonijak, zrak i voda. Pomoćni materijali i energetski resursi su katalizatori za oksidaciju amonijaka i pročišćavanje ispušnih plinova, prirodnog plina, pare i električne energije.

1. Amonijak. U normalnim uvjetima, to je bezbojni plin oštrog mirisa, lako topiv u vodi i drugim otapalima, tvori hemi- i monohidrate. Prekretnica u razvoju proizvodnje sintetičkog amonijaka bila je primjena trenutno dominantne metode u industriji za proizvodnju vodika pretvaranjem metana sadržanog u prirodnom plinu u pripadajuće naftne plinove i rafinirane naftne derivate. Sadržaj nečistoća u tekućem amonijaku reguliran je GOST 6221-82. Najtipičnije nečistoće su: voda, ulja za podmazivanje, prašina katalizatora, kamenac, amonijev karbonat, otopljeni plinovi (vodik, dušik, metan). Ako se prekrši GOST, nečistoće sadržane u amonijaku mogu ući u smjesu amonijaka i zraka i smanjiti izlaz dušikovog oksida (II), a vodik i metan mogu promijeniti granice eksplozivnosti mješavine amonijaka i zraka.

Zrak. Za tehničke proračune pretpostavlja se da suhi zrak sadrži [%, (vol.)]: N2 = 78,1, O2 = 21,0, Ar2 = 0,9, H2O = 0,1-2,8. U zraku mogu biti i tragovi SO2, NH3, CO2. U području industrijskih objekata zrak je zagađen prašinom različitog porijekla, kao i raznim komponentama fugitivnih emisija plinova (SO2, SO3, H2S, S2H2, Cl2 itd.). Količina prašine u zraku je 0,5-1,0 mg/m3.

3. Voda. Koristi se u proizvodnji dušične kiseline za navodnjavanje apsorpcijske kolone, za stvaranje pare tijekom povrata topline u kotlovima za otpadnu toplinu, za hlađenje reakcijskih aparata. Za apsorpciju dušikovih oksida najčešće se koriste kondenzat pare i kemijski pročišćena voda. U nekim shemama dopušteno je koristiti kondenzat pare soka amonijevog nitrata. U svakom slučaju, voda koja se koristi za navodnjavanje kolona ne smije sadržavati slobodni amonijak i čvrste suspenzije, sadržaj kloridnih iona ne smije biti veći od 2 mg/l, ulja ne više od 1 mg/l, NH4NO3 - ne više od 0,5 g/l . Kemijski pročišćena voda za kotlove za otpadnu toplinu mora biti u skladu sa zahtjevima GOST 20995-75. Procesna voda namijenjena za odvođenje topline u izmjenjivačima topline i opreme za hlađenje (cirkulacijska voda) mora ispunjavati sljedeće zahtjeve: karbonatna tvrdoća ne veća od 3,6 meq/kg, sadržaj suspendiranih tvari ne veći od 50 mg/kg, pH vrijednost 6,5-8,5 .

4. Kisik. Uglavnom se koristi u proizvodnji koncentrirane dušične kiseline izravnom sintezom. U nekim slučajevima se koristi za obogaćivanje mješavine amonijaka i zraka pri dobivanju nekoncentrirane dušične kiseline.

4. KONTAKTNA OKSIDACIJA AMONIJAKA

4.1 Fizikalne i kemijske osnove procesa

Suvremene metode za proizvodnju dušične kiseline temelje se na kontaktnoj oksidaciji amonijaka. Tijekom oksidacije amonijaka na različitim katalizatorima i ovisno o uvjetima, javljaju se sljedeće reakcije:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907,3 kJ (14)

4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + 1104,9 kJ (15)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269,1 kJ (16)

Osim reakcija (14-16), moguće su i druge, koje se odvijaju u slojevima blizu površine katalizatora. Na primjer, razgradnja NO, interakcija N2O, NO2 i NH3:

NE N2+O2 (17)

2NH3 + 3N2O = 4N2 + 3H2O (18)

NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O (19)

Naravno, reakcija (14) će biti "korisna". Termodinamički proračuni pokazuju da reakcije (14-16) praktički idu do završetka.

Konstante ravnoteže za obrnute reakcije (14-16) na 900°C imaju sljedeće vrijednosti

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

gdje je k1 - NO + H2O; k2 - NH3 + O2.

Na 900 katalitička pretvorba amonijaka u finalne produkte doseže 100%, tj. proces je praktički nepovratan.

Međutim, jednadžbe (14-16) ne odražavaju stvarni mehanizam procesa, budući da bi se u ovom slučaju devet molekula moralo sudariti istovremeno u reakciji (14); u reakciji (16) - sedam molekula. Gotovo je nevjerojatno.

Predloženo je nekoliko mehanizama oksidacije amonijaka na katalizatorima. Razlike u idejama o mehanizmima su sljedeće:

1) stvaranje NO i N2 kroz međuprodukt na katalizatoru;

2) na katalizatoru dolazi do stvaranja NO, a do stvaranja N2 na katalizatoru i u volumenu plina.

Na temelju navedenog (o konstanti ravnoteže i oksidacijskim mehanizmima) može se ustvrditi da odabrani katalizator mora imati visoku aktivnost (visoku brzinu reakcije i kratko vrijeme kontakta: kako se povećava, povećava se vjerojatnost stvaranja N2) i selektivnost u odnosu na na reakciju (14).

Među nekoliko mehanizama koje su predložili naši i strani znanstvenici, mehanizam koji je predložio L.K. Androsov, G.K. Boreskov, D.A. Epstein.

Mehanizam se može predstaviti korak po korak na sljedeći način:

Faza 1 - oksidacija površine platine. Nastaje kompleks peroksidni katalizator-kisik (slika 1).

Slika 1 - Struktura kompleksa peroksidni katalizator-kisik

faza - difuzija i adsorpcija amonijaka na površini platine prekrivene kisikom. Nastaje kompleks katalizator-kisik-amonijak (slika 2).

Slika 2 - Struktura kompleksa katalizator-kisik-amonijak

faza je preraspodjela elektroničkih veza, raskidanje starih i jačanje novih veza.

faza - desorpcija produkata i difuzija u protok plina (stabilni spojevi NO i H2O se uklanjaju s površine).

Oslobođeni centri ponovno adsorbiraju kisik, budući da je brzina difuzije kisika veća od brzine amonijaka itd. Prema znanstvenicima, kisik koji ulazi u rešetku katalizatora (ne-platinasti kontakt) ne sudjeluje u reakciji oksidacije amonijaka (dokazano korištenjem metode obilježenih atoma).

Pretvorba amonijaka u dušik, prema I.I. Berger i G.K. Boreskov, može nastati u volumenu kao rezultat reakcija amonijaka, i s kisikom i s dušikovim oksidom.

Postoje kinetička, prijelazna i difuzijska područja procesa. Kinetičko područje karakteristično je za niske temperature: ograničeno je temperaturom paljenja katalizatora, pri čemu se bilježi brzo spontano zagrijavanje njegove površine, tj. do temperature paljenja brzina je ograničena brzinom kemijske reakcije na kontaktu. Kod T > Tzazh već difuzija kontrolira proces - kemijska reakcija je brza. Proces prelazi u područje difuzije. To je ovo područje (600-1000 ) tipičan je za stacionarni autotermalni proces u industrijskim uvjetima. To podrazumijeva nužno povećanje volumne brzine plina i smanjenje vremena kontakta.

Reakcija oksidacije amonijaka na aktivnim katalizatorima počinje ranije: na paladiju (Pd) na 100 , na platini (Pt) na 145 , na željezo (Fe) na 230 , na metalnim oksidima, temperatura početka reakcije uvelike varira. Istovremeno postiže dovoljnu brzinu i stupanj transformacije pri T > 600 .

4.2 Katalizatori oksidacije amonijaka

Gotovo sve biljke dušične kiseline koriste platinu ili njezine legure kao katalizator za oksidaciju amonijaka.

Platina je skup katalizator, ali dugo zadržava visoku aktivnost, ima dovoljnu stabilnost i mehaničku čvrstoću te se lako regenerira. Konačno, uz moderni mrežni oblik katalizatora, upotreba platine omogućuje korištenje najjednostavnijeg tipa kontaktnog aparata. Lako se zapaljuje, a njegova potrošnja po jedinici proizvodnje je zanemariva.

U proizvodnji dušične kiseline ne koriste se nosači za platinu i njezine legure, jer u prisutnosti nosača aktivnost katalizatora relativno brzo opada i njegova regeneracija postaje teža. U modernim postrojenjima, platina za katalizatore koristi se u obliku rešetki. Mrežasti oblik stvara veliku površinu katalizatora u kontaktnom aparatu uz relativno nisku potrošnju platine. Obično se koriste rešetke u kojima je promjer žice 0,045-0,09 mm s dimenzijama na strani ćelije od 0,22 mm. Površina mreže koja nije zauzeta žicom je otprilike 50-60% ukupne površine. Kada se koriste niti različitog promjera, broj tkanja se mijenja tako da slobodna površina koju žica ne zauzima ostaje unutar navedenih granica.

U kontaktnim uređajima koji rade pod atmosferskim tlakom. instalirati od 2 do 4 mreže, uglavnom 3, au uređajima koji rade pod tlakom do 8 atm - od 13 do 16 mreža. Kada je postavljena jedna rešetka, neke od molekula amonijaka ne dolaze u kontakt s katalizatorom, što smanjuje prinos dušikovog oksida. U najboljim uvjetima, stupanj kontakta može doseći 86-90% na jednoj mreži, 95-97% na dvije mreže i 98% na tri mreže. Pri radu pod atmosferskim tlakom ne koriste se više od 4 rešetke, budući da se s velikim brojem rešetki, iako se povećava učinkovitost kontaktnog aparata, otpor protoku plina uvelike povećava. Rešetke bi trebale čvrsto pristajati jedna uz drugu, jer u suprotnom u slobodnom prostoru između rešetki dolazi do niza homogenih reakcija koje smanjuju izlaz dušikovog oksida.

U procesu rada, platinaste rešetke su jako olabavljene. Njihove glatke i sjajne niti postaju spužvaste i mat, elastične mreže postaju lomljive. Formiranje spužvaste, olabavljene površine povećava debljinu niti. Sve to stvara visoko razvijenu mrežnu površinu, što povećava katalitičku aktivnost platine. Samo trovanje katalizatora nečistoćama koje dolaze s plinovima može naknadno uzrokovati smanjenje njegove aktivnosti.

Labavljenje površine platinastih gaza s vremenom dovodi do jakog razaranja gaza, što uzrokuje velike gubitke platine.

Platina namijenjena za proizvodnju katalizatora ne bi trebala sadržavati željezo, koje već na 0,2% značajno smanjuje prinos dušikovog oksida.

Čista platina se brzo uništava na visokim temperaturama, a njezine najsitnije čestice odnose se strujom plina. Drugi metali platinske skupine u svom čistom obliku ne koriste se kao katalizatori. Paladij se brzo raspada. Iridij i rodij nisu jako aktivni. Osmij se lako oksidira.

Proučavane su i primjenjivane legure platine, koje imaju veću čvrstoću i ništa manje aktivnosti od čiste platine. U praksi se koriste legure platine s iridijem ili s rodijem, a ponekad i s paladijem. Rešetke izrađene od legure platine s 1% iridija na visokim temperaturama su aktivnije od platinastih. Značajno veća aktivnost, a posebno mehanička čvrstoća karakteristične su za legure platine i rodija.

Najbolji prinos dušikovog oksida postiže se pri radu na legurama platine, koje sadrže 10% rodija. Međutim, s obzirom na veću cijenu rodija u usporedbi s platinom, njegov se sadržaj u legurama obično smanjuje na 7-5%.

Kada se amonijak oksidira pod pritiskom na platina-rodij rešetkama, dobiva se znatno veći prinos dušikovog oksida nego na rešetkama od čiste platine.

Platinasti katalizatori su osjetljivi na određene nečistoće sadržane u izvornom plinu. Dakle, prisutnost 0,00002% fosfina (RN3) u plinu smanjuje stupanj pretvorbe na 80%. Manje moćni otrovi su sumporovodik, pare acetilena, ulja za podmazivanje, željezni oksidi i druge tvari. Rešetke se regeneriraju tretiranjem s 10-15% otopinom klorovodične kiseline na 60-70°C tijekom 2 sata. Zatim se rešetke temeljito isperu destiliranom vodom, osuše i kalciniraju u vodikovom plamenu. Tijekom rada mijenja se fizička struktura rešetki i smanjuje mehanička čvrstoća legure, što povećava gubitak metala i smanjuje vijek trajanja katalizatora.

4.3 Sastav mješavine plinova. Optimalni sadržaj amonijaka u mješavini amonijaka i zraka

Zrak se uglavnom koristi za oksidaciju amonijaka. Potrošnja kisika za oksidaciju amonijaka prema reakciji (24) s stvaranjem NO može se izračunati na sljedeći način:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (24)

Prema reakciji (24), 1 mol NH3 čini 1,25 mola O2 = , tada - sadržaj NH3 može se izraziti na sljedeći način:

gdje - količina NH3 pomiješanog sa zrakom; 100 - ukupna količina smjese (%).

Međutim, ovo je teoretski. U praktične svrhe koristi se određeni višak kisika, tada će koncentracija amonijaka biti manja od 14,4% (vol.).

Optimalna koncentracija amonijaka u mješavini amonijaka i zraka je njezin najveći sadržaj, pri kojem je još uvijek moguć visok izlaz NO pri omjeru O2:NH3< 2.

Oštar pad stupnja pretvorbe opaža se smanjenjem omjera O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, stopa konverzije značajno raste.

Dakle, važna točka je:

1) s jedne strane, povećanje sadržaja NH3 u mješavini amonijaka i zraka, tj. smanjenje omjera O2:NH3, dovodi do smanjenja stupnja konverzije amonijaka;

2) s druge strane, s povećanjem sadržaja NH3 u mješavini amonijaka i zraka, temperatura sustava raste, budući da se prema reakcijama (14-16) oslobađa više topline, a stupanj pretvorbe raste, kao što se može vidjeti iz tabele 4.

Tablica 4 - Ovisnost stupnja pretvorbe amonijaka o njegovom sadržaju u mješavini amonijaka i zraka (P = 0,65 MPa)

Sadržaj NH3 u smjesi, % (vol.) Omjer O2:NH3 Temperature konverzije, Stopa konverzije NH3, %9.531.9874391.8810.421.7878693.1610.501.7678993.3011.101.6782894.2111.531.5983495.30

Iz tablice 4. proizlazi da povećanje temperature od 740 do 830°C pri omjeru O2:NH3 u rasponu od 1,6-2 povoljno utječe na proces. U omjeru O2:NH3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Višak O2 je neophodan kako bi se osiguralo da površina platine uvijek bude prekrivena kisikom kako bi se izvršio proces oksidacije prema ranije razmatranom mehanizmu i kako bi se isključilo stvaranje N2 i N2O (uz nedostatak kisika). Mora biti više od 30%, tj. omjer O2:NH3 > 1,62.

Sastav plina ovisit će i o toku druge faze dobivanja dušične kiseline (oksidacija NO)

2NO + 1,5O2 + H2O = 2HNO3 (25)

Također zahtijeva višak kisika:

1) za sustave koji rade pod tlakom - 2,5%;

2) za sustave koji rade pri atmosferskom tlaku - 5%.

Ukupna reakcija koja određuje potrebu za kisikom za proizvodnju dušične kiseline zapisana je kako slijedi

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (26)

Postoji još jedna okolnost zbog koje je nepoželjno povećavati koncentraciju amonijaka iznad 9,5% (vol.). U tom slučaju dolazi do smanjenja koncentracije dušikovih oksida u apsorpcijskim tornjevima zbog unošenja dodatnog kisika (tj. razrjeđuje se NO). Dakle, 9,5% (vol.) je optimalan sadržaj amonijaka za sve faze dobivanja razrijeđene dušične kiseline.

Za oksidaciju možete koristiti kisik umjesto zraka. Zatim, sukladno ukupnoj reakciji (26), potrebno je povećati koncentraciju amonijaka na 33,3% (vol.). Međutim, ovdje dolaze u obzir sigurnosne mjere, budući da smjesa s takvom koncentracijom amonijaka postaje eksplozivna (tablica 5).

Tablica 5 - Donja (LEL) i gornja (URL) granica eksplozivnosti za smjese amonijak-kisik-dušik

S povećanjem vlažnosti plina, granice eksplozivnosti se sužavaju, tj. moguće je koristiti pretvorbu amonijaka parom i kisikom.

Smjese amonijaka s kisikom zapale se eksplozijom (Tflax = 700-800 ). Unutar ovih temperaturnih granica dolazi do samozapaljenja pri bilo kojem sadržaju amonijaka u smjesi amonijaka i kisika.

Praktično korištene mješavine amonijaka i zraka (koncentracija amonijaka 9,5-11,5% (vol.)) nisu eksplozivne (tablica 5). Postoje ovisnosti granica eksplozivnosti mješavine amonijaka i zraka o sadržaju amonijaka i kisika pri različitim tlakovima.

Međutim, treba napomenuti da je brzina širenja eksplozije mala i za mješavinu amonijaka i zraka iznosi 0,3-0,5 m/s. Odnosno, da bi se eliminirala mogućnost širenja eksplozije, potrebno je stvoriti brzinu plina veću od ove vrijednosti (0,5 m/s). Upravo to se postiže korištenjem aktivnih platinoidnih katalizatora u procesu, pri čemu je vrijeme kontakta 10-4 sec, a time i linearna brzina veća od 1,5 m/s.

4.4 Oksidacija amonijaka pod pritiskom

Svrha tlačenja je:

1) potreba za povećanjem brzine procesa;

2) kompaktne instalacije.

Termodinamički je dokazano da je i pri visokim tlakovima prinos NO blizu 100%. Učinak pretvarača raste s povećanjem tlaka i povećanjem broja rešetki platinoidnog katalizatora. S povećanjem tlaka, temperatura procesa također raste iznad 900 . Međutim, s povećanjem tlaka, kako bi se postigao visoki stupanj pretvorbe NH3, potrebno je povećati vrijeme zadržavanja plina u pretvaraču

što opet dovodi do povećanja broja mreža.

Glavni nedostatak je povećan gubitak platine (Pt) katalizatora pri visokim temperaturama. Ovi nedostaci (gubitak platine, smanjenje stupnja pretvorbe) mogu se otkloniti pribjegavanjem kombiniranoj shemi proizvodnje, tj. provođenjem procesa oksidacije NH3 pri atmosferskom tlaku ili blizu njega, te oksidacije i apsorpcije NO pri povišenom tlaku. . Ovaj pristup se često primjenjuje u tehnološkim shemama mnogih zemalja. Istodobno, troškovi energije za kondicioniranje plina povećavaju cijenu dušične kiseline.

4.5 Optimalni uvjeti za oksidaciju amonijaka

Temperatura. Reakcija amonijaka na platinu počinje na 145 , ali se odvija s niskim prinosom NO i stvaranjem pretežno elementarnog dušika. Povećanje temperature dovodi do povećanja prinosa dušikovog oksida i povećanja brzine reakcije. U rasponu od 700-1000 Prinos NO može se povećati na 95-98%. Vrijeme kontakta pri porastu temperature od 650 do 900 smanjuje se za oko pet puta (sa 5 10-4 do 1.1 10-4 sekunde). Potreban temperaturni režim procesa može se održavati toplinom oksidacijskih reakcija. Za suhu mješavinu amonijaka i zraka koja sadrži 10% NH3, uz stopu konverzije od 96%, teoretski porast temperature plina iznosi približno 705 ili oko 70 za svaki postotak amonijaka u početnoj smjesi. Korištenjem mješavine amonijaka i zraka koja sadrži 9,5% amonijaka moguće je, zbog toplinskog učinka reakcije, postići temperaturu od oko 600°C. , za daljnje povećanje temperature pretvorbe potrebno je predgrijavanje zraka ili mješavine amonijaka i zraka. Treba imati na umu da se mješavina amonijaka i zraka može zagrijati samo na temperaturu koja ne prelazi 150-200 pri temperaturi plina za grijanje ne većoj od 400 . Inače je moguća disocijacija amonijaka ili njegova homogena oksidacija s stvaranjem elementarnog dušika.

Gornja granica porasta temperature kontaktne oksidacije amonijaka određena je gubitkom platinskog katalizatora. Ako do 920 Budući da je gubitak platine u određenoj mjeri nadoknađen povećanjem aktivnosti katalizatora, tada iznad ove temperature povećanje gubitaka katalizatora značajno nadmašuje povećanje brzine reakcije.

Prema tvorničkim podacima, optimalna temperatura pretvorbe amonijaka pod atmosferskim tlakom je oko 800 ; na instalacijama koje rade pod tlakom od 9 atm, jednak je 870-900 .

Pritisak. Korištenje povećanog tlaka u proizvodnji razrijeđene dušične kiseline uglavnom je povezano sa željom da se poveća brzina oksidacije dušikovog oksida i prerade dobivenog dušikovog dioksida u dušičnu kiselinu.

Termodinamički proračuni pokazuju da je čak i pri povišenom tlaku ravnotežni prinos NO blizu 100%. Međutim, visok stupanj kontakta u ovom slučaju postiže se samo s velikim brojem katalizacijskih gaza i višom temperaturom.

Nedavno, u industrijskim uvjetima na višeslojnim katalizatorima s temeljitim pročišćavanjem plina i temperaturom od 900 uspio dovesti stupanj pretvorbe amonijaka na 96%. Pri odabiru optimalnog tlaka treba imati na umu da povećanje tlaka dovodi do povećanja gubitaka platine. To se objašnjava povećanjem temperature katalize, korištenjem višeslojnih mreža i povećanjem njihovog mehaničkog uništenja pod djelovanjem velike brzine plina.

3. Sadržaj amonijaka u smjesi. Za oksidaciju amonijaka obično se koristi zrak, pa je sadržaj amonijaka u smjesi određen sadržajem kisika u zraku. Pri stehiometrijskom omjeru O2:NH3 = 1,25 (sadržaj amonijaka u smjesi sa zrakom je 14,4%), prinos dušikovog oksida nije značajan. Da bi se povećao prinos NO, potreban je određeni višak kisika, stoga bi sadržaj amonijaka u smjesi trebao biti manji od 14,4%. U tvorničkoj praksi sadržaj amonijaka u smjesi održava se u rasponu od 9,5-11,5%, što odgovara omjeru O2:NH3 = 21,7.

Ukupna reakcija (26), koja određuje potrebu za kisikom tijekom prerade amonijaka u dušičnu kiselinu, daje omjer O2:NH3 = 2, što odgovara sadržaju amonijaka u početnoj smjesi od 9,5%. To sugerira da povećanje koncentracije amonijaka u smjesi iznad 9,5% u konačnici neće dovesti do povećanja koncentracije NO, jer će se u tom slučaju u adsorpcijski sustav morati uvesti dodatni zrak. Ako se kao početni reagensi koristi mješavina amonijaka i kisika, tada bi, u skladu s jednadžbom ukupne reakcije, bilo moguće povećati koncentraciju amonijaka u njoj na 33,3%. Međutim, korištenje visokih koncentracija amonijaka je teško jer su takve smjese eksplozivne.

Utjecaj nečistoća. Legure platine osjetljive su na nečistoće sadržane u mješavini amonijaka i zraka. U prisutnosti 0,0002% vodikovog fosfida u plinskoj smjesi, stupanj pretvorbe amonijaka se smanjuje na 80%. Manje jaki kontaktni otrovi su sumporovodik, acetilen, klor, pare ulja za podmazivanje, prašina koja sadrži željezne okside, kalcijev oksid, pijesak itd.

Preliminarno pročišćavanje plinova produžava trajanje katalizatora. Međutim, s vremenom se katalizator postupno truje i prinos NO se smanjuje. Kako bi se uklonili otrovi i onečišćenja, rešetke se povremeno regeneriraju tretiranjem s 10-15% otopinom klorovodične kiseline.

5. Vrijeme kontakta. Optimalno vrijeme kontakta određeno je brzinom oksidacije amonijaka. Najčešće se brzina oksidacije definira kao količina oksidiranog amonijaka (kg) po jedinici površine (m2) dnevno (intenzitet katalizatora). Trajanje kontakta plina s katalizatorom, odnosno vrijeme kontakta, određuje se jednadžbom:

Vsv / W

gdje je t vrijeme zadržavanja plina u zoni katalizatora, s; Vw je slobodni volumen katalizatora, m3; W - volumetrijska brzina u kontaktnim uvjetima m3 sec-1.

Maksimalni stupanj pretvorbe amonijaka u dušikov oksid postiže se u točno određenom vremenu kontakta plina s katalizatorom. Optimalnim kontaktnim vremenom ne treba smatrati ono pri kojem se postiže maksimalni prinos NO, već nešto kraće, budući da je ekonomski isplativo raditi s većom produktivnošću čak i na račun smanjenja prinosa proizvoda. U praktičnim uvjetima, vrijeme kontakta amonijaka s katalizatorom kreće se od 1 10-4 do 2 10-4 sek.

Miješanje amonijaka sa zrakom. Potpuna homogenost smjese amonijaka i zraka koja ulazi u kontaktnu zonu jedan je od glavnih uvjeta za dobivanje visokog prinosa dušikovog oksida. Dobro miješanje plinova od velike je važnosti ne samo za osiguranje visokog stupnja kontakta, već i za zaštitu od opasnosti od eksplozije. Dizajn i volumen mješalice moraju u potpunosti osigurati dobro miješanje plina i isključiti klizanje amonijaka u zasebnim mlaznicama na katalizator.

5. KONTAKTNI UREĐAJI

Najsloženije i koje je doživjelo značajna poboljšanja je dizajn samog kontaktnog aparata.

Slika 3 - Ostwald kontaktni aparat: 1 - kolektor smjese amonijaka i zraka; 2 - platinasta spirala; 3 - prozor za gledanje; 4 - kolektor dušičnog plina

Prvi industrijski kontaktni aparat bio je aparat Ostwald (slika 3), koji se sastojao od dvije koncentrične cijevi: vanjske cijevi od lijevanog željeza promjera 100 mm, emajlirane s unutarnje strane, i unutarnje izrađene od nikla promjera 65 mm. Smjesa amonijaka i zraka ušla je u aparat odozdo kroz vanjsku cijev i pala na katalizator koji se nalazi u gornjem dijelu unutarnje cijevi. Dušikovi su plinovi usmjereni prema dolje kroz unutarnju cijev do kolektora, dajući toplinu dolaznoj smjesi.

Katalizator se sastojao od traka platinaste folije debljine 0,01 mm i širine 20 mm zajedno smotanih u spiralu. Jedna od traka je glatka, druga je valovita sa zavojima od 1 mm. Stupanj pretvorbe amonijaka dosegao je 90-95%, smjesa sa zrakom sadržavala je NH3 8% (vol.), produktivnost aparata bila je 100 kg dušične kiseline dnevno.

Ovaj oblik katalizatora nije dopuštao povećanje produktivnosti uređaja povećanjem njegove veličine. U Ostwaldovom aparatu nije osigurana ujednačena opskrba mješavinom plina, budući da je prije ulaska u katalizator protok plina promijenio smjer za 180° i tek tada ušao u njega. Osim toga, dizajn aparata nije dopuštao brzo uklanjanje dušikovih (II) oksida iz zone visoke temperature.

U kasnijim projektima kontaktnog aparata korišten je katalizator u obliku mreže filamenata promjera 0,06 mm.

Slika 4 - Andrejevljev kontaktni aparat: 1 - platinaste rešetke; 2 - prozor za gledanje

Prva proizvodnja dušične kiseline u Rusiji bila je opremljena Andrejevljevim kontaktnim aparatom, koji je proizvodio 386 kg dušične kiseline dnevno i smatran je najnaprednijim na svijetu. Cilindrični aparat promjera 300 mm i visine 450 mm izrađen je od lijevanog željeza. Mješavina plinova dolazila je odozdo (slika 4.). Rešetka platinastog katalizatora nalazila se preko puta aparata, u sredini.

Upotreba lijevanog željeza za proizvodnju ovog aparata imala je niz nedostataka: pojava nuspojava, kontaminacija platine kamencem. Stupanj pretvorbe u njemu nije prelazio 87%.

Slika 5 - Fisherov kontaktni aparat: 1 - mlaznica; 2 - platinasta mreža; 3 - izolacija

Aparat Fisher izrađen je od aluminija, promjera 1000 mm, visine 2000 mm (slika 5). Odozdo je aparat ispunjen porculanskim Raschigovim prstenovima, a gornji dio obložen vatrostalnim ciglama. Dizajn uređaja nije osiguravao jednoliku opskrbu smjesom amonijaka i zraka u katalizator, prinos oksida bio je 89-92% pri kontaktnoj temperaturi od 700-720°C. Produktivnost uređaja na amonijaku je 600-700 kg/dan. Čestice vatrostalnih opeka, koje su padale na katalizator, smanjile su njegovu aktivnost.

Slika 6 - Aparat Bamag: 1 - mlaznica; 2 - platinasta mreža; 3 - prozor za gledanje

Aparat koji je predložio Bamag (slika 6) sastojao se od dva krnja stošca povezana širokim bazama, između kojih su postavljene katalizatorske rešetke. Promjer aparata u najširem dijelu bio je 1,1 m ili 2,0 m.

Smjesa amonijaka i zraka dovedena je u aparat odozdo. U početku je aparat bio izrađen od aluminija, a zatim je njegov gornji, vrući dio bio od nehrđajućeg čelika. Za bolje miješanje smjese, u donji dio aparata uliveni su Raschigovi prstenovi.

Glavni nedostatak ovih uređaja bio je usmjerenje mješavine plinova na katalizator odozdo, što je dovelo do vibracija rešetki i povećanja gubitka platine.

Studije dizajna kontaktnog aparata pokazale su da smjer plinske mješavine od vrha prema dnu stabilizira rad katalizatora, smanjuje gubitak skupog oskudnog platinastog katalizatora, povećava stupanj pretvorbe za 1,0-1,5% i omogućuje korištenje dvostupanjskog katalizatora, u kojem se u drugom stupnju koristi oksidni neplatinasti katalizator.

Kada se plinska smjesa dovodi u aparat odozgo, u njegovom donjem dijelu može se postaviti sloj izolacijskog materijala, kao i svitci parnog kotla i pregrijača bez opasnosti od kontaminacije katalizatora vatrostalnom prašinom i željezom. mjerilo. Time se smanjuje gubitak reakcijske topline u okoliš.

Studija raspodjele temperature po površini katalizatora pokazala je da rubovi katalizatora uz stijenke imaju nižu temperaturu, a stupanj kontakta se u skladu s tim smanjuje, smanjujući ukupni prinos dušikovog oksida (II). U tom smislu, geometrija ulaznog dijela kontaktnog aparata je od velike važnosti; to bi trebao biti glatko divergentni stožac s kutom na vrhu ne većim od 30 °.

Slika 7 - Parsonsov aparat: 1 - cilindrična platinasta mreža; 2 kvarcnog dna; 3 - prozor za gledanje; 4 - izolacija

U Sjedinjenim Američkim Državama stvoren je Parsonsov aparat s vertikalnim rasporedom katalizatorske mreže namotane u obliku četveroslojnog cilindra visine 33 cm i promjera 29 cm (slika 7). Platinasti cilindar postavljen je u metalno kućište obloženo vatrostalnim ciglama, što je osiguravalo dobru izmjenu topline s vrućim katalizatorom. Produktivnost takvog aparata bila je do 1 tone amonijaka dnevno, stupanj pretvorbe bio je 95-96%.

Prednost ovog uređaja je velika površina katalizatora u odnosu na volumen uređaja. Njegov nedostatak je neravnomjerna opskrba smjesom amonijaka i zraka u katalizator. Više smjese teče kroz dno katalizatora sita nego kroz vrh.

Ispitivan je niz uređaja različitih oblika: u obliku dvije hemisfere, stošca i hemisfere sa smjerom strujanja plina odozdo prema gore. Ovi uređaji nisu imali neke posebne prednosti čak i kada se proces provodio do 0,51 MPa, stupanj pretvorbe nije prelazio 90%.

Slika 8 - Dupont aparat: 1 - platinaste rešetke; 2 - rešetka; 3 - vodeni plašt

Prilikom provođenja procesa pri povišenom tlaku raširen je aparat DuPont (slika 8) koji se sastoji od čunjeva: gornji je izrađen od nikla, a donji od čelika otpornog na toplinu. Donje kućište je opremljeno vodenim plaštom za hlađenje. Katalizator postavljen na rešetku izrađen je u obliku paketa pravokutnih rešetki.

Sada diljem svijeta projektiraju i grade jedinice za proizvodnju razrijeđene dušične kiseline s velikim jediničnim kapacitetom - do 400-600 tona godišnje. Kontaktni uređaji s ravnim slojevima rešetke ili slojem zrnastog materijala koji se nalazi preko protoka plina za takve jedinice trebaju imati veliki promjer do 5-7 m. Međutim, s povećanjem promjera uređaja, ujednačenost distribucija smjese amonijaka i zraka po poprečnom presjeku aparata se pogoršava, a potrošnja metala po jedinici produktivnosti se povećava, povećavaju se poteškoće u brtvljenju prirubničkih spojeva. Aparati velikih promjera (preko 4 m) ne mogu se transportirati željeznicom, njihova proizvodnja u tvornici povezana je s ozbiljnim poteškoćama.

U tom smislu, najperspektivniji je pretvarač s radijalnim protokom mješavine plina kroz katalizator, izrađen u obliku cilindra ili stošca. S takvim rasporedom katalizatora moguće je, bez promjene promjera aparata, povećati njegovu visinu i, sukladno tome, njegovu produktivnost.

Konstrukcije uređaja s cilindričnim rasporedom katalizatora poznati su dugo vremena (Parsons uređaji), ali s povećanjem njihove produktivnosti s 4,5 kg/h na 14,3 t/h amonijaka, pojavili su se problemi u distribuciji plinske smjese. tokovi, prijenos topline, pričvršćivanje katalizatora itd.

Slika 9 - Parsonsov poboljšani aparat: 1 - tijelo; 2 - poklopci; 3 - kolektor rashladne tekućine; 4 - potporni uređaj; 5 - armatura za izlaz dušičnih plinova; 6 - rešetke katalizatora; 7 - kanali za rashladno sredstvo; 8 - kanali za plinove

Jedan od novih uređaja je poboljšani Parsonsov aparat (slika 9). Sastoji se od tijela s poklopcima, armatura za ulaz mješavine amonijaka i zraka i izlaz dušičnih plinova. Katalizator su platinaste rešetke postavljene okomito duž cilindrične površine i pričvršćene ispod kapica. Rešetke su razvučene na keramičkom potpornom uređaju, koji ima horizontalne kanale za dovod smjese amonijaka i zraka u kontaktne rešetke i vertikalne kanale za dovod rashladne tekućine. Nedostatak takvog potpornog uređaja je raspodjela plina koji ulazi u katalizator u obliku zasebnih mlaznica, zbog čega područje katalizatora ne radi u potpunosti.

Slika 10 - Kontaktni aparat s radijalnim strujanjem plina: 1 - tijelo; 2 - poklopac; 3 - sustav potpornih elemenata; 4 - katalizator; 5 - rešetka; 6 - slijepo dno

Predlaže se uređaj s radijalnim strujanjem plina (slika 10), koji se sastoji od tijela 1 i poklopca s nastavkom za uvođenje mješavine amonijaka i zraka. U donjem dijelu kućišta nalazi se priključak za uvođenje dušičnih plinova. Gaze katalizatora u obliku cilindra i stošca postavljene su okomito. Međutim, ovaj uređaj također ne osigurava ujednačenu opskrbu plinovima katalizatoru.

Slika 11 - Kontaktni uređaj sa granuliranim katalizatorom: 1 cilindrično tijelo; 2 - poklopac sa središnjom rupom; 3, 4 - koaksijalne cilindrične perforirane distribucijske mreže; 5 - prstenasto dno; 6 - izlazni priključak

Predložen je aparat s radijalnim protokom plina i granuliranim katalizatorom. Kao katalizatori koriste se metali platine naneseni na nosač ili tablete neplatinastog katalizatora (slika 11.).

Aparat na slici 11. sastoji se od cilindričnog tijela 1, u čiji se gornji dio uvodi smjesa amonijaka i zraka, a u donjem dijelu se uklanjaju dušikovi plinovi. Unutar se nalaze dvije koaksijalne cilindrične perforirane razdjelne rešetke 3 i 4, između kojih je postavljen sloj zrnastog katalizatora 7. okov 6.

Smjesa amonijaka i zraka na ulazu u aparat podijeljena je u dva toka. Glavni dio prolazi u prstenasti razmak između stijenki kućišta i vanjskog razdjelnog cilindra i radijalno ulazi u katalizator. Drugi, manji dio prolazi kroz otvor na poklopcu i ulazi u katalizator duž osi. Nije osigurana ravnomjerna raspodjela mješavine plinova u katalizatoru.

Nedostatak ovih konstrukcija je pregrijavanje mješavine amonijaka i zraka preko 200 blizu slijepog dna zbog smanjenja brzine plina na nulu. Pregrijavanje plina uzrokuje pregrijavanje gaza katalizatora i njihovo povećano trošenje.

Slika 12 - Aparat s katalizatorom u obliku stošca: 1 - košulja za zagrijavanje plina; 2 - katalizator; 3 - uređaj potporne cijevi; 4 - vodeni plašt

Aparat (slika 12) sadrži katalizator u obliku nekoliko slojeva platinaste mreže, zavarene od komada trokutastog oblika u stožac s vršnim kutom od oko 60°. Mrežni paket temelji se na strukturi koja se sastoji od 6-12 cijevi duž generatriksa stošca, kroz koje prolazi rashladna tekućina. Ovaj oblik katalizatora ima veliku specifičnu površinu (u odnosu na volumen aparata) u usporedbi s ravnim katalizatorom koji se nalazi preko puta plinskog toka. Međutim, u usporedbi s cilindričnim katalizatorom, njegova specifična površina je manja.

Slika 13 - Kontaktni aparat za oksidaciju amonijaka pod visokim tlakom: 1 - kućište; 2 - unutarnji konus; 3 - razvodni uređaj; 4 - upaljač; 5 - rešetke katalizatora; 6 - pregrijač; 7 - paketi parnih kotlova; 8 - ekonomajzer

Slika 13 prikazuje kontaktni aparat za oksidaciju amonijaka pod tlakom od 0,71 MPa. Aparat se sastoji od dva konusa umetnuta jedan u drugi. Smjesa amonijaka i zraka ulazi odozdo u prostor između unutarnjeg i vanjskog konusa, diže se i odatle spušta niz unutarnji konus. Na putu do platinastog katalizatora, izrađenog u obliku rešetki, smjesa se dobro miješa u razdjelnom uređaju Raschigovih prstenova.

Za mjerenje temperature ulazne plinske mješavine i procesa pretvorbe, aparat je opremljen termoelementima: četiri prije katalizatora i četiri nakon njega. Za uzorkovanje plina postoje cijevi za uzorkovanje pare: četiri prije katalizatora i četiri nakon njega. Katalizator se pali mješavinom dušika i vodika koja se dovodi pomoću rotacijskog plamenika (paljivača).

Slika 14 - Kontaktni aparat Grand Paroiss: 1 - tijelo; 2 rešetka; 3 - platinasti katalizator; 4 - oklopna mreža; 5 - sloj prstenova; 6 perforirana ploča; 7 - pregrijač; 8 - kotao za otpadnu toplinu

Među uređajima koji rade pri prosječnom tlaku od 0,40-0,50 MPa, zanimljiv je aparat tvrtke Grande Paroiss, izrađen od nehrđajućeg čelika (slika 14.). Sastoji se od tijela, zatvorenog odozgo eliptičnim poklopcem, s ulaznim nastavkom za uvođenje mješavine plina. Ispod poklopca se nalazi perforirani konus, zatim pregrada. Iznad platinastih rešetki postavljena je distribucijska mreža na kojoj se nalazi sloj od šest rešetki koje djeluju kao prigušivač pulsiranja brzine protoka. Nedostatak uređaja je prisutnost stagnirajućih zona u području visokih temperatura katalizatora, gdje se nadolazeći amonijak može razgraditi.

6. IZBOR I OPIS TEHNOLOŠKE SHEME ZA PROIZVODNJU NEKONCENTRIRANE DUŠIČNE KISELINE

Ovisno o uvjetima proizvodnog procesa, razlikuju se sljedeće vrste sustava dušične kiseline:

1) sustavi koji rade pri atmosferskom tlaku;

2) sustavi koji rade na povišenom tlaku (4-8 atm);

3) kombinirani sustavi u kojima se oksidacija amonijaka provodi pri nižem tlaku, a apsorpcija oksida - pri višem tlaku.

Razmotrite ove tehnološke sheme.

1) sustavi koji rade pri atmosferskom tlaku;

Slika 15 - Shema instalacije za proizvodnju razrijeđene dušične kiseline pri atmosferskom tlaku: 1 - vodeni skruber; 2 - filtar od tkanine; 3 - ventilator amonijak-zrak; 4 - kartonski filter; 5 - pretvarač; 6 - kotao za rekuperaciju pare; 7 - brzi hladnjak; 8 - hladnjak-kondenzator; 9 - ventilator za dušične plinove; 10 - apsorpcijski tornjevi; 11 - oksidacijski toranj; 12 - toranj za apsorpciju dušikovih oksida lužinama; 13 - kiselinski hladnjak; 14, 15 - pumpe

Ovi sustavi (slika 15.) više nisu u funkciji zbog glomaznosti opreme (veliki broj stubova za apsorpciju kiselina i lužina), niske produktivnosti i nakupljanja određene količine klora koji u sustavima za apsorpciju kiselina i lužina ima jak korozivni učinak na opremu koja se stalno mora mijenjati, a to dovodi do velikih ekonomskih troškova.

2) kombinirani sustavi;

Slika 16 - Dobivanje dušične kiseline kombiniranom metodom: 1 - brzi hladnjak; 2 - hladnjak; 3 - motor s turbopunjačem; 4 - reduktor; 5 - turbokompresor azotnih plinova; 6 - turbina za navodnjavanje ispušnih plinova; 7 - oksidant; 8 - izmjenjivač topline; 9 - hladnjak-kondenzator; 10 - apsorpcijski stup; 11 - kiselinski ventil; 12 - kolektor kondenzata; 13, 14 - kolektori dušične kiseline

Glavne prednosti ove sheme su:

1. Ovi sustavi (slika 16) rade bez vanjske potrošnje energije, budući da je toplina oksidacije amonijaka i oksidacije dušikovog oksida dovoljna za dobivanje energije za komprimiranje zraka i dušičnih plinova na potrebne tlakove;

2. Kompaktnost opreme.

3. Produktivnost takvih jedinica je 1360 tona/dan.

Nedostaci sheme:

Glavni nedostatak ove sheme je da kada se amonijak oksidira pri tlaku od 9 atm, stupanj pretvorbe je 2-3% manji nego pri atmosferskom tlaku, a gubitak platinskog katalizatora je 2-3 puta veći. Stoga je ovaj proces povoljnije provoditi pod atmosferskim tlakom. Ali za moderne moćne radionice koje proizvode dušičnu kiselinu, u ovom slučaju bit će potreban veliki broj uređaja velikih dimenzija i, posljedično, povećanje troškova građevinskih i instalacijskih radova. Zbog ovih razmatranja potrebno je pribjeći povećanju tlaka u procesu pretvorbe amonijaka. U tom smislu prihvatljiv je tlak od oko 2,5 atm, budući da je volumen aparata smanjen za faktor 2,5 u usporedbi s volumenom u sustavima koji rade na atmosferskom tlaku, uz umjerene gubitke amonijaka i katalizatora.

3) sustavi koji rade pod visokim tlakom.

Prednosti sklopa (slika 17):

1. Jedinica je kompaktna, svi uređaji su prenosivi. Ciklus napajanja jedinice je autonoman i, kada je kemijska proizvodnja isključena, ostaje u radu sve dok se ne isključi s upravljačke ploče. To vam omogućuje brzo puštanje jedinice u rad u slučaju slučajnog prekida kemijskog procesa. Upravljanje jedinicom u radnom načinu je automatizirano.

2. Stvarni trošak i energetski intenzitet dušične kiseline, proizveden na jedinicama s jednim tlakom od 0,716 MPa, ostaje najniži u usporedbi s jedinicom AK-72 i jedinicom koja radi prema kombiniranoj shemi.

3. Umjesto kotla za otpadnu toplinu iza kontaktnog aparata ugrađuje se visokotemperaturni izmjenjivač topline za zagrijavanje ispušnih plinova ispred turbine do 1120 K. Istovremeno, zbog povećanja snage elektrane. plinske turbine, izlazna snaga se povećala za 274 u odnosu na jedinicu AK-72.

4. U shemi je konstantno uključena komora za izgaranje ugrađena paralelno s tehnološkim aparatom, što omogućuje da rad strojne jedinice bude neovisan o proizvodnoj liniji, kao i da se osigura nesmetan prijelaz iz rada stroja u stanju mirovanja do rada stroja s uključenim tehnološkim procesom.

Nedostaci sheme:

1. Proces se odvija na povišenim temperaturama u jedinici, što daje vrlo velika opterećenja paladijevom katalizatoru i on ne uspijeva. Prema literaturi, specifični nepovratni gubici po 1 toni dušične kiseline su 40-45 mg za proces pri atmosferskom tlaku, 100 mg pri 0,3-1,6 MPa i 130-180 mg pri 0,7-0,9 MPa. Odnosno, gubitak platine u postrojenjima koja rade pod tlakom se povećava zbog viših temperatura katalize u usporedbi s temperaturom u postrojenjima koja rade pri atmosferskom tlaku.

2. Prije ulaska u plinsku turbinu potreban je vrlo visok stupanj pročišćavanja zraka, budući da se kapacitet zraka kompresora može smanjiti do 10%, a učinkovitost do 6%.

U ovom kolegijskom projektu detaljno se razmatra shema proizvodnje dušične kiseline pod tlakom s kompresorom pogonjenim plinskom turbinom (slika 17.).

Kapacitet proizvodnje dušične kiseline prema shemi koja radi pri tlaku od 0,716 MPa određuje se brojem jedinica. Kapacitet jedne jedinice je 120 tisuća tona/godišnje (100% HNO3). Broj jedinica u shemi određen je potrebom za radnjama za preradu dušične kiseline.

U svakoj jedinici provodi se: priprema mješavine amonijaka i zraka (čišćenje i kompresija zraka, isparavanje tekućeg amonijaka, pročišćavanje plinovitog amonijaka i mješavine amonijaka i zraka); pretvorba amonijaka; iskorištavanje topline stvaranja dušikovih oksida; hlađenje dušičnih plinova; dobivanje dušične kiseline; grijanje na plin; pročišćavanje od dušikovih oksida i povrat energije plina u plinskoj turbini i kotlu otpadne topline.

Osim toga, shema uključuje jedinice za pripremu napojne vode za napajanje kotlova za otpadnu toplinu, rashladnog kondenzata ili demineralizirane vode za navodnjavanje apsorpcijskih stupova, redukciju pare na potrebne parametre, skladištenje proizvedene dušične kiseline i distribuciju potrošačima.

Slika 17 - Dijagram proizvodnje dušične kiseline pod tlakom s pogonom kompresora iz plinske turbine: 1 - filter zraka; 2 - turbopunjač prvog stupnja; 3 - srednji hladnjak; 4 - turbopunjač drugog stupnja; 5 - plinska turbina; 6 - mjenjač; 7 - motor-generator; 8 - grijač zraka; 9 - mješalica amonijaka sa zrakom; 10 - grijač zraka; 11 - porozni filter; 12 - pretvarač; 13 - kotao za otpadnu toplinu; 14 - posuda za oksidaciju dušičnih plinova; 15 - hladnjak - kondenzator; 16 - apsorpcijski stup; 17 - pretvarač; 18 - kotao za otpadnu toplinu

Atmosferski zrak se usisava kroz filter 1 turbopunjačom prvog stupnja 2 i komprimira na 0,2-0,35 MPa. Zbog kompresije zrak se zagrijava na 175 . Nakon hlađenja na 30-45 u hladnjaku 3 zrak ulazi u turbopunjač drugog stupnja 4, gdje se komprimira do konačnog tlaka od 0,73 MPa i zagrijava na 125-135 . Daljnje zagrijavanje zraka do 270 nastaje u grijaču 8 zbog topline vrućih dušičnih plinova koji napuštaju pretvarač. Vrući zrak ulazi dalje u mješalicu 9.

Amonijak se pod pritiskom od 1,0-1,2 MPa zagrijava na 150°C u grijač 10 s vodenom parom i ulazi u miješalicu 9, gdje se miješa sa zrakom. Dobivena mješavina amonijaka i zraka, koja sadrži 10-12% NH3, filtrira se u porolit filter 11 i ulazi u konverter 12, gdje na platina-rodij katalizatoru na temperaturi od 890-900°C. amonijak se oksidira u dušikov oksid. Toplina plinova koji izlaze iz pretvarača koristi se u kotlu otpadne topline 13 za proizvodnju pare, dok se plinovi hlade na 260°C. .

Zatim plinovi prolaze kroz filter za hvatanje platine, koji se nalazi u gornjem dijelu prazne posude 14. U posudi 14 NO se oksidira u NO2 (stupanj oksidacije 80%), uslijed čega se mješavina plina zagrijava do 300-310 (prikaz, stručni). i ulazi u grijač zraka 8, gdje se hladi na 175 . Daljnje korištenje topline dušikovih plinova postaje neisplativo, pa se hlade vodom u hladnjaku 16 do 50-55 . Istovremeno s hlađenjem plina u hladnjaku 16 dolazi do kondenzacije vodene pare i stvaranja dušične kiseline kao rezultat interakcije vode s dušikovim dioksidom. Koncentracija dobivene kiseline ne prelazi 52% HNO3, prinos je oko 50% ukupnog kapaciteta postrojenja.

Iz hladnjaka 15 dušikovi plinovi ulaze u apsorpcionu kolonu 16 sa sitastim pločama, gdje se NO2 apsorbira vodom da nastane dušična kiselina (koncentracija do 55%). Na ploče apsorpcionog stupa položeno je 16 zavojnica (rashladnih elemenata) kroz koje cirkulira voda kako bi se uklonila toplina koja se oslobađa tijekom stvaranja dušične kiseline.

Za čišćenje ispušnih plinova od dušikovih oksida, oni se zagrijavaju na 370-420 ° C, dodaje im se mala količina prirodnog plina i šalje u pretvarač (reaktor) 17. Ovdje, u prisutnosti paladijskog katalizatora, javljaju se sljedeće reakcije:

CH4 + O2 2CO + 4H2 + Q (27)

2NO2 + 4H2 = N2 + 4H2O + Q (28)

2NO + 2H2 = N2 + 2H2O + Q (29)

Budući da se ove reakcije odvijaju oslobađanjem topline, temperatura plinova raste na 700-730°C. . Ti plinovi ulaze u turbinu 5 pod tlakom od 0,5-0,6 MPa, koja pokreće turbopunjače 2 i 4 koji komprimiraju zrak. Nakon toga, plinovi na temperaturi od oko 400 ulaze u kotao za otpadnu toplinu 19, koji prima paru niskog tlaka.

Turbopunjači prvog i drugog stupnja 2 i 4, kao i plinska turbina 5 su jedna jedinica. Turbina prvog stupnja 2 i plinska turbina 5 smještene su na zajedničkoj osovini i povezane su mjenjačem 6 s turbinom drugog stupnja 4 i elektromotorom 7. Ova jedinica omogućuje korištenje najvećeg dijela energije koja se troši na komprimiranje zraka, a time i značajno smanjenje potrošnje energije.

7. PRORAČUN MATERIJALNE I TOPLINSKE BILANSE REAKTORA

7.1 Proračun materijalne bilance reaktora

1) Izračunajte potreban volumen zraka:

2) Zapremine opskrbljene zrakom, nm3:

a) vodena para

b) suhi zrak

3) Izračunajte količine kisika, dušika i argona koji dolaze sa zrakom na temelju njihovog postotka u zraku

) Pronađite volumene nastale reakcijom (14), nm ³ /h:

a) dušikov oksid

b) vodena para

5) Odredite volumene nastale reakcijom (15), nm ³ /h:

a) dušik

b) vodena para

c) kisik utrošen tijekom ove reakcije

6) Izračunavamo volumene u plinu nakon oksidacije amonijaka, nm ³ /h:

a) kisik

b) dušik

c) argon

d) vodena para

7) Stvarna materijalna bilanca se može izračunati ako se volumeni protoka na ulazu u kontaktni aparat i na izlazu iz njega preračunaju u mase, pri čemu se materijalna ravnoteža mora poštivati.

Dolazak:

Potrošnja:

Popunimo tablicu za materijalnu bilancu (tablica 6).

Tablica 6

Prihod Protok Komponenta Količina Komponenta Količina 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

Neusklađenost ravnoteže

7.2 Proračun toplinske ravnoteže reaktora

Nađimo temperaturu tx na koju je potrebno zagrijati smjesu amonijaka i zraka kako bi se osigurala autotermalna priroda procesa oksidacije amonijaka.

1) Izračunajte ukupni volumen mješavine amonijaka i zraka

) Odredite koncentraciju komponenti mješavine amonijaka i zraka, % (vol.):

a) amonijak

b) suhi zrak

c) vodena para

3) Izračunajte prosječni toplinski kapacitet mješavine amonijaka i zraka

Cav = 0,01 (35,8 Pam + 28,7 Psv + 32,6 PN2O) (59)

Sav = 0,01 (35,8 9,8 + 28,7 86,4 + 32,6 3,8) = 29,544 kJ/(kmol K),

gdje je 35,8; 28.7 i 32.6 - toplinski kapaciteti amonijaka, suhog zraka i vodene pare, kJ/(kmol K).

) Odredite toplinu koju uvodi mješavina amonijaka i zraka

) Izračunavamo topline oslobođene tijekom reakcije (14) i (16)

ili 17030 kW, gdje su 905800 i 126660 topline koje se oslobađaju tijekom stvaranja dušikovog oksida i dušika prema reakcijama (14) i (16).

) Pronađite ukupni volumen dušičnog plina koji ulazi u kotao za otpadnu toplinu

7) Odrediti koncentraciju komponenti dušičnog plina,% (vol.):

a) dušikov oksid

b) kisik

c) argon

d) dušik

e) vodena para

8) Izračunajte prosječni toplinski kapacitet dušičnog plina:

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)

gdje je 31,68; 32,3; 20,78; 30.8 i 37.4 - toplinski kapaciteti komponenti dušičnog plina na temperaturi od 900 , kJ/(kmol K).

9) Za parno grijanje od 198 do 250 u pregrijaču je potrebno odvesti toplinu:

1880 kW, gdje je 800 10 ³ i 1082 10 ³ J/kg - specifične entalpije pregrijane pare na temperaturi od 198 i 250 i tlakovima od 1,5 MPa i 3,98 MPa.

10) Temperatura dušikovih plinova na izlazu iz kontaktnog aparata određuje se iz jednadžbe toplinske ravnoteže za ovaj dio:

6768 106 = 64631 1,66 10³(900 - t2)

11) Izračunavamo toplinu koju nose dušikovi plinovi. Razmotrimo slučaj kada su kontaktni uređaj i kotao za otpadnu toplinu montirani kao jedan uređaj:

12) Odredite gubitak topline u okoliš

Izjednačavajući unos topline sa brzinom protoka, sastavljamo jednadžbu toplinske ravnoteže i rješavamo je s obzirom na tx:

Ispunite tablicu za toplinsku ravnotežu (tablica 7).

Tablica 7

Ulaz, kWPotrošnja, kWToplina unesena mješavinom amonijaka i zraka6369.2Toplina za zagrijavanje vodene pare u pregrijaču1880Toplina odnešena dušikovim plinovima20584.3Toplina oslobođena tijekom reakcije (14) i (16)17030.6Gubici u okolišu ukupno 40239.Ukupno 235.

Neusklađenost bilance:

8. SIGURNOST I INDUSTRIJSKO OKRUŽENJE

Za siguran način rada u proizvodnji nekoncentrirane dušične kiseline pod visokim tlakom potrebno je strogo poštivati ​​tehnološke propise, upute za zaštitu rada na radnim mjestima, upute za zaštitu rada i industrijsku sigurnost odjela, upute za određene vrste poslova.

Servisno osoblje smije raditi u radnoj odjeći i zaštitnoj obući propisanoj normativima, dužno je imati sa sobom ispravnu osobnu zaštitnu opremu. Zaštitna oprema (pojedinačna plinska maska) mora se provjeravati svake smjene prije početka rada.

Osobe koje servisiraju mehanizme moraju poznavati pravila Gosgortekhnadzora koja se odnose na opremu koja se servisira. Osobe koje opslužuju opremu za nadzor kotla - pravila nadzora kotla.

Spriječiti kršenje normalnog tehnološkog režima u svim fazama procesa.

Radove izvodite samo na servisiranoj opremi, opremljenoj svim potrebnim i ispravno funkcionalnim sigurnosnim uređajima, instrumentima i uređajima za upravljanje, alarmima i blokadama.

Prilikom predaje opreme i komunikacija na popravak, u kojima je moguće nakupljanje amonijaka, pročistiti opremu i komunikacije dušikom sve dok u dušiku za pročišćavanje nema gorivih tvari.

Prije punjenja aparata i komunikacija amonijakom nakon njihovog popravka, ispuhati dušikom sve dok sadržaj kisika u dušiku za pročišćavanje ne bude veći od 3,0% (vol.).

Nemojte dopustiti popravak komunikacija, armatura, opreme pod pritiskom. Popravke treba izvesti nakon uklanjanja tlaka i zatvaranja popravljenog područja čepovima. Oprema, komunikacije koje treba popraviti moraju se puhati ili oprati.

Kako biste izbjegli hidraulične udare, dovedite paru u cjevovode hladne pare polako, osiguravajući dovoljno zagrijavanje s ispuštanjem kondenzata duž cijele duljine cjevovoda. Izlazak suhe pare iz drenaže ukazuje na dovoljno zagrijavanje cjevovoda.

Ne uključujte električnu opremu s neispravnim uzemljenjem.

Nemojte dopustiti popravak opreme s električnim pogonom, bez uklanjanja napona s elektromotora.

Popravak i podešavanje kontrolnih i mjernih instrumenata i električne opreme trebaju obavljati samo službe odjela glavnog operatera instrumenta i električara.

Zabranjeno je koristiti otvorenu vatru u proizvodnim i skladišnim objektima: pušenje je dopušteno na mjestima određenim za te svrhe.

Svi rotirajući dijelovi opreme (spojne polovice), impeleri rotirajućih ventilatora, na osovinama elektromotora moraju biti sigurno pričvršćeni i ograđeni te obojeni crvenom bojom.

Prirubnički spojevi kiselih vodova moraju biti zaštićeni zaštitnim poklopcima.

Zatezanje vijaka prirubničkih spojeva cjevovoda, kao i rad na opremi pod tlakom, nije dopušten.

Aparati koji rade pod tlakom moraju ispunjavati zahtjeve utvrđene u tehničkim specifikacijama i pravilima za projektiranje i siguran rad posuda i komunikacija koje rade pod tlakom.

Radove u zatvorenim posudama potrebno je izvoditi uz radnu dozvolu za obavljanje radova opasnih za plin.

Ventilacija mora biti u dobrom stanju i stalno u funkciji.

Održavanje mehanizama za podizanje, posuda pod tlakom obavljaju samo osobe za to posebno obučene i posjeduju poseban certifikat.

Pristupe dežurnim ormarićima, detektorima požara, telefonima, vatrogasnoj opremi nije dopušteno zatrpavati stranim predmetima, moraju se održavati čistima i u ispravnom stanju.

Otvoreni otvori u stropovima, platformama, hodnicima trebaju imati ograde visine 1 m. Na dnu ograde treba biti bočna ili zaštitna traka visine 15 cm.

Svi instrumenti i sustavi automatizacije i blokiranja moraju biti u dobrom stanju.

Kako bi se spriječilo taloženje nitritno-nitratnih soli na unutarnjim površinama aparata i cjevovoda, lopaticama rotora, zidovima kompresora dušikovog plina i drugim dijelovima i aparatima, spriječiti dugotrajno paljenje kontaktnih aparata (više od 20 minuta), snižavajući temperaturu katalizatora gaze, njihovo pucanje, što dovodi do klizanja amonijaka , prestanak navodnjavanja površina, što dovodi do taloženja nitritno-nitratnih soli.

Pravovremeno obaviti brisanje, čišćenje opreme od izlijevanja procesnih proizvoda, dolijevanje ulja u kućišta radilice pumpe.

Radna mjesta za popravke i druge radove te prolazi do njih na visini od 1,3 m ili više moraju biti ograđena.

Ako je nemoguće ili neprikladno postaviti ograde za rad na visini od 1,3 m i više, kao i pri radu s ljestava na visini većoj od 1,3 m, potrebno je koristiti sigurnosne pojaseve, dok na mjestu raditi moraju postojati pomoćni radnici koji su spremni pomoći radniku.na visokom. Mjesto pričvršćivanja karabinera određuje voditelj rada.

Sigurnosni pojasevi se ispituju prije puštanja u pogon, kao i tijekom rada svakih 6 mjeseci. Sigurnosni pojas mora biti obilježen registracijskim brojem i datumom sljedećeg ispitivanja.

Pri radu s dušičnom kiselinom (uzorkovanje, pregled komunikacija, pokretanje proizvodnje kiselinskih pumpi i sl.) potrebno je koristiti individualnu zaštitu dišnih organa i očiju (filter plinska maska ​​s kutijom marke M, zaštitne naočale s gumenom polumaskom ili zaštitnom štit od pleksiglasa, ili kaciga s plinskom maskom), gumene rukavice otporne na kiseline, posebna odjeća otporna na kiseline.

Ako se otkriju bilo kakvi kvarovi u radu opreme, kvarovi na nosačima, zidovima itd. pravovremeno obavijestiti voditelja odjela, mehaničara trgovine. Ako je potrebno, zaustavite opremu i pripremite je za isporuku na popravak.

Na svakom zaustavljanju jedinice za popravak, otvorite donji otvor oksidatora i, u prisustvu amonijevih soli na distribucijskoj rešetki, uz stijenke i dno, poparite ga živom parom, ispustite kondenzat.

Rad s parom, kondenzatom pare treba izvoditi u kombinezonima, obući, rukavicama.

Kako bi se spriječila profesionalna trovanja i bolesti u odjelu, moraju se pridržavati sljedećih sanitarno-higijenskih zahtjeva:

a) temperatura zraka treba biti:

23- prijelazno i ​​zimsko razdoblje;

18-27- ljetno razdoblje.

b) relativna vlažnost zraka:

ljeti - ne više od 75%;

zimi - ne više od 65%.

c) buka - ne više od 65 dBA u zvučno izoliranim kabinama, na drugim mjestima ne više od 80 dBA;

d) vibracije - ne više od 75 dB u zvučno izoliranim kabinama, u strojarnici i kontaktnim prostorijama ne više od 92 dB;

e) osvjetljenje radnih mjesta:

zvučno izolirane kabine - najmanje 200 luksa;

na mjestima apsorpcijskih stupova - najmanje 50 luksa;

u motornim i kontaktnim prostorijama - najmanje 75 luksa.

f) najveća dopuštena koncentracija štetnih tvari u zraku radnog prostora prostorija:

amonijak - ne više od 20 mg / m3;

dušikovi oksidi - ne više od 5 mg/m3.

Osim individualnih plinskih maski, odjel ima i hitnu opskrbu plinskih maski za filtriranje i izolaciju.

Plinske maske za hitne slučajeve pohranjuju se u ormarićima za hitne slučajeve.

ZAKLJUČAK

U tijeku nastavnog rada projektiran je reaktor za katalitičku oksidaciju amonijaka za proizvodnju dušikovih oksida u proizvodnji nekoncentrirane dušične kiseline.

Razmotrene su fizikalne i kemijske osnove procesa. Dane su karakteristike početne sirovine i gotovog proizvoda.

Potreban volumen zraka za oksidaciju izračunat je kao 5900 m ³ / h amonijaka, iznosio je 54304 m ³ /h Volumen kisika, dušika i argona koji se opskrbljuje zrakom izračunat je na temelju njihovog postotka u zraku. Izračunati su i volumeni kisika, dušika, argona i vodene pare u plinu nakon oksidacije amonijaka.

Izračunata je toplinska bilanca, uslijed čega su izračunati svi toplinski tokovi. Izračunata je temperatura na koju je potrebno zagrijati mješavinu amonijaka i zraka kako bi se osigurao autotermalni proces oksidacije amonijaka; iznosila je 288 . Izračunata je temperatura dušičnog plina nakon pregrijača, iznosila je 836,7 . Utvrđuju se toplinski gubici u okoliš.

Napravljen je pregled literature o najučinkovitijoj shemi za proizvodnju nekoncentrirane dušične kiseline. Odabran je sustav koji radi pod visokim tlakom, budući da je ova jedinica kompaktna, svi uređaji su prenosivi, energetski ciklus jedinice je autonoman. U razmatranoj shemi električna energija se ne troši za tehnološke potrebe. Električna energija se troši u maloj količini samo za pogon pumpi potrebnih za pumpanje kiseline, opskrbljujući napojnu vodu kotlovima. Rad prema ovoj shemi izvodi se bez emisije štetnih plinova u atmosferu.

REFERENCE

1. Atroshchenko V.I., Kargin S.I. Tehnologija dušične kiseline: Proc. Doplatak za sveučilišta. - 3. izd., prerađeno. i dodatni - M.: Kemija, 1970. - 496 str.

Egorov A.P. Shereshevsky A.I., Shmanenko I.V. Opća kemijska tehnologija anorganskih tvari: Udžbenik za tehničke škole. - Ed. 4. revizija - Moskva, Lenjingrad: Kemija, 1965 - 688s.

Karavaev M.M., Zasorin A.P., Kleschev N.F. Katalitička oksidacija amonijaka / Ed. Karavaeva M.M. - M.: Kemija, 1983. - 232 str.

Katalizatori u industriji dušika./Ur. Atroščenko V.I. - Harkov: Vishcha škola, 1977. - 144 str.

Opća kemijska tehnologija. Pod uredništvom prof. Amelina A.G. Moskva: Kemija, 1977. - 400 s.

Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Primjeri i zadaci iz procesa i aparata kemijske tehnologije. L .: Kemija, 1976 - 552s.

Perlov E.I., Bagdasaryan V.S. Optimizacija proizvodnje dušične kiseline. M.: Kemija, 1983. - 208 str.

Proračuni za tehnologiju anorganskih tvari: Zbornik. Priručnik za sveučilišta / Pozin M.E., Kopylev B.A., Belchenko G.V. i tako dalje.; Ed. Pozina M.E. 2. izd. revidirano i dodatni - L.: Kemija. Lenjingrad. odjel, 1977. - 496 str.

Rumyantsev O.V. Oprema za visokotlačne sintezne radionice u industriji dušika; Proc. za sveučilišta - M.: Kemija, 1970. - 376 str.

10. Sokolov R.S. Kemijska tehnologija: udžbenik. dodatak za studente. viši udžbenik ustanove: U 2 T. - M .: Humanit ur. centar VLADOS, 2000. - V.1: Kemijska proizvodnja u antropogenoj djelatnosti. Osnovna pitanja kemijske tehnologije. Proizvodnja anorganskih tvari. - 368 str.

Azotchikov priručnik./Ur. Melnikova E.Ya. - V.2: Proizvodnja dušične kiseline. Proizvodnja dušičnih gnojiva. Materijali i osnovna posebna oprema. Opskrba energijom. Sigurnosni inženjering. - M.: Kemija - 1969. - 448s.

Kemijska tehnologija anorganskih tvari: U 2 knj. knjiga 1. Udžbenik / T.G. Ahmetov, R.G. Porfirjeva, L.G. Gysin. - M.: Više. škola, 2002. 688s.: ilustr.

Korobočkin V.V. Tehnologija dušične kiseline. - Izdavačka kuća Politehničkog sveučilišta Tomsk. 2012.