Din ce este făcut salitrul? Producția de azotat de amoniu

Azotatul de amoniu se obține prin neutralizarea acidului azotic cu amoniac gazos conform reacției:

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

Această reacție aproape ireversibilă are loc cu o viteză mare și cu eliberarea unei cantități semnificative de căldură. De obicei, se efectuează la o presiune apropiată de cea atmosferică; în unele țări, instalațiile de neutralizare funcționează la o presiune de 0,34 MPa. În producția de azotat de amoniu, se folosește acid azotic diluat 47-60%.

Căldura reacției de neutralizare este utilizată pentru a evapora apa și a concentra soluția.

Producția industrială cuprinde următoarele etape: neutralizarea acidului azotic cu amoniac gazos în aparatul ITN (utilizarea căldurii de neutralizare); evaporarea soluției de salitr, granularea topiturii de salitr, răcirea granulelor, prelucrarea granulelor de surfactant, ambalarea, depozitarea și încărcarea salitrului, emisiile de gaze și tratarea apelor uzate. În timpul neutralizării acidului azotic se introduc aditivi.

Figura 1 prezintă o diagramă a unei unități moderne AS-72 de mare tonaj, cu o capacitate de 1360 t/zi.

Orez. unu.

1 - încălzitor cu acid; 2 - încălzitor cu amoniac; 3 - dispozitive ITN; 4 - neutralizator; 5 - evaporator; 6 - rezervor sub presiune; 7, 8 - granulatoare; 9, 23-evantai; 10 - scruber de spalare; 11 - tambur; 12.14 - transportoare; 13 - lift; 15-aparate cu pat fluidizat; 16 - turn de granulare; 17 - colectare; 18, 20 - pompe; 19 - rezervor pentru înot; 21-filtru pentru înot; 22 - încălzitor de aer

Acidul azotic 58-60% care intră este încălzit în încălzitor de la 1 la 70-80 o C cu vapori de suc de la aparatul ITN 3 și este alimentat la neutralizare. Înainte de aparatul 3, acidului azotic se adaugă acizi fosforic și sulfuric termic într-o cantitate de 0,3-0,5% P2O5 și 0,05-0,2% sulfat de amoniu, luând în considerare produsul finit.

Acizii sulfuric și fosforic sunt furnizați de pompe cu piston, a căror performanță este reglată ușor și precis. Unitatea este echipată cu două dispozitive de neutralizare care funcționează în paralel. Aici este furnizat și amoniac gazos, încălzit în încălzitorul 2 prin condensat de abur la 120-130 ° C. Cantitatea de acid azotic și amoniac furnizată este reglată astfel încât soluția să aibă un ușor exces de acid azotic la ieșirea aparatului ITN , asigurand absorbtia completa a amoniacului.

În partea inferioară a aparatului se află neutralizarea acizilor la o temperatură de 155-170°C pentru a obține o soluție care conține 91-92% NH4NO3. În partea superioară a aparatului, vaporii de apă (așa-numiții vapori de suc) sunt spălați din stropi de nitrat de amoniu și vapori de HN03. O parte din căldura de la vaporii de suc este folosită pentru a încălzi acidul azotic. Apoi, aburul de suc este trimis pentru curățare în scrubere de spălat și apoi eliberat în atmosferă.

O soluție acidă de azotat de amoniu este trimisă la neutralizatorul 4, unde amoniacul este furnizat în cantitatea necesară pentru a neutraliza soluția. Apoi soluția este introdusă în evaporatorul 5 de pe doupar, care este condus de vapori de apă la o presiune de 1,4 MPa și aer încălzit la aproximativ 180°C. Topitura rezultată, care conține 99,8-99,7% salpetru, trece printr-un filtru 21 la 175 ° C și este alimentată de o pompă submersibilă centrifugă 20 într-un rezervor sub presiune 5 și apoi într-un turn de granulare metalic dreptunghiular 16 cu o lungime de 11. m, o lățime de 8 m și o înălțime de vârf până la con 52,8 m.

În partea superioară a turnului se află granulatoarele 7 și 8; aerul este furnizat în partea inferioară a turnului, răcind picăturile de salpetru, care se transformă în granule. Înălțimea de cădere a particulelor de salpetru este de 50--55 m. Designul granulatoarelor asigură producerea de granule cu o compoziție granulometrică uniformă cu un conținut minim de granule mici, ceea ce reduce antrenarea prafului din turn prin aer. Temperatura granulelor la ieșirea din turn este de 90--110°C, deci sunt trimise pentru răcire la aparatul cu pat fluidizat 15. Aparatul cu pat fluidizat este un aparat dreptunghiular având trei secțiuni și echipat cu un grătar cu orificii. . Aerul este furnizat sub grătar de ventilatoare, creându-se astfel un strat fluidizat de granule de salpetru înălțime de 100--150 mm, care vin prin transportor din turnul de granulare. Are loc o răcire intensivă a granulelor la o temperatură de 40°C (dar nu mai mare de 50°C), corespunzătoare condițiilor de existență a modificării IV. Dacă temperatura aerului de răcire este sub 15°C, atunci înainte de a intra în aparatul cu pat fluidizat, aerul este încălzit în schimbătorul de căldură la 20°C. În perioada rece, 1-2 secțiuni pot fi în funcțiune.

Aerul din aparatul 15 intră în turnul de granulare pentru formarea granulelor și răcirea acestora.

Granulele de azotat de amoniu din aparatul cu pat fluidizat sunt alimentate de transportorul 14 pentru tratarea cu un surfactant într-un tambur rotativ 11. Aici, granulele sunt pulverizate cu o soluție apoasă 40% pulverizată de dispersant NF. După aceea, salitrul trece printr-un separator electromagnetic pentru a separa obiectele metalice prinse accidental și este trimis în buncăr, iar apoi pentru cântărire și ambalare în pungi de hârtie sau de plastic. Sacii sunt transportați de un transportor pentru încărcare în vagoane sau la un depozit.

Aerul care părăsește partea superioară a turnului de granulare este contaminat cu particule de azotat de amoniu, iar vaporii de suc de la neutralizator și amestecul de vapori-aer din evaporator conțin amoniac și acid azotic nereacționat și particule de azotat de amoniu antrenat. Pentru curățarea în partea superioară a turnului de granulare, sunt instalate șase scrubere tip placă de spălare cu funcționare paralelă 10, irigate cu o soluție 20-30% de azotat de amoniu, care este alimentată de o pompă 18 din rezervor. O parte din această soluție este deturnată către neutralizatorul ITN pentru spălarea cu abur de suc, apoi amestecată cu soluția de azotat de amoniu și, prin urmare, merge la producția de produse.

O parte din soluție (20-30%) este retrasă continuu din ciclu, astfel încât ciclul este epuizat și completat cu adăugarea de apă. La ieșirea fiecărui scruber este instalat un ventilator 9 cu o capacitate de 100.000 m 3/h, care aspiră aerul din turnul de granulare și îl eliberează în atmosferă.

Azotat de amoniu, sau azotat de amoniu, NH 4 NO 3 este o substanță cristalină albă care conține 35% azot în forme de amoniu și nitrat, ambele forme de azot sunt ușor absorbite de plante. Nitratul de amoniu granular este utilizat pe scară largă înainte de însămânțare și pentru toate tipurile de pansament. La o scară mai mică, este utilizat pentru producția de explozibili.

Azotatul de amoniu se dizolvă bine în apă și are o higroscopicitate ridicată (capacitatea de a absorbi umiditatea din aer), ceea ce face ca granulele de îngrășământ să se răspândească, să-și piardă forma cristalină, se produce aglomerarea îngrășământului - materialul în vrac se transformă într-o masă monolitică solidă.

Schema schematică a producției de azotat de amoniu

Pentru a obține un azotat de amoniu practic neaglomerant, se folosesc o serie de metode tehnologice. Un mijloc eficient de reducere a ratei de absorbție a umidității de către sărurile higroscopice este granularea acestora. Suprafața totală a granulelor omogene este mai mică decât suprafața aceleiași cantități de sare cristalină fină, prin urmare, îngrășămintele granulare absorb umiditatea mai lent din

Fosfații de amoniu, clorura de potasiu, nitratul de magneziu sunt, de asemenea, folosiți ca aditivi cu acțiune similară. Procesul de producție a nitratului de amoniu se bazează pe o reacție eterogenă de interacțiune a amoniacului gazos cu o soluție de acid azotic:

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

Reacția chimică se desfășoară cu o viteză mare; într-un reactor industrial, este limitat de dizolvarea gazului în lichid. Amestecarea reactanților este de mare importanță pentru a reduce întârzierea difuziei.

Procesul tehnologic de producere a azotatului de amoniu include, pe lângă etapa de neutralizare a acidului azotic cu amoniac, etapele de evaporare a soluției de salpetro, granularea topiturii, răcirea granulelor, tratarea granulelor cu agenți tensioactivi, ambalarea, depozitarea și încărcarea. salitrul, emisiile de gaze de curățare și apele uzate. Pe fig. 8.8 prezintă o diagramă a unei unități moderne de mare capacitate pentru producția de nitrat de amoniu AS-72 cu o capacitate de 1360 tone / zi. Acidul azotic original 58-60% este încălzit în încălzitor la 70 - 80°C cu vapori de suc de la aparatul ITN 3 și este alimentat pentru neutralizare. Înainte de aparatul 3, acidului azotic se adaugă acizi fosforic și sulfuric în astfel de cantități încât produsul finit să conțină 0,3-0,5% P2O5 și 0,05-0,2% sulfat de amoniu. Unitatea este echipată cu două dispozitive ITN care funcționează în paralel. Pe lângă acidul azotic, li se furnizează amoniac gazos, preîncălzit în încălzitorul 2 cu condensat de abur la 120-130°C. Cantitățile de acid azotic și amoniac furnizate sunt reglate în așa fel încât la ieșirea aparatului ITN soluția să aibă un ușor exces de acid (2–5 g/l), ceea ce asigură absorbția completă a amoniacului.

În partea inferioară a aparatului are loc o reacție de neutralizare la o temperatură de 155-170°C; aceasta produce o soluție concentrată care conține 91-92% NH4NO3. În partea superioară a aparatului, vaporii de apă (așa-numiții vapori de suc) sunt spălați din stropi de nitrat de amoniu și vapori de acid azotic. O parte din căldura vaporilor de suc este folosită pentru a încălzi acidul azotic. Apoi, aburul de suc este trimis pentru purificare și eliberat în atmosferă.

Fig. 8.8 Schema unității de azotat de amoniu AS-72:

1 – încălzitor cu acid; 2 – încălzitor cu amoniac; 3 – dispozitive ITN; 4 - post-neutralizator; 5 – evaporator; 6 - rezervor sub presiune; 7.8 - granulatoare; 9,23 - ventilatoare; 10 – scruber de spalare; 11 - tambur; 12.14 - transportoare; 13 - lift; 15 – aparate cu pat fluidizat; 16 - turn de granulare; 17 - colectare; 18, 20 - pompe; 19 - rezervor pentru înot; 21 - filtru pentru înot; 22 - încălzitor de aer.

O soluție acidă de azotat de amoniu este trimisă la neutralizatorul 4; unde intră amoniacul, necesar pentru interacțiunea cu acidul azotic rămas. Apoi soluția este introdusă în evaporatorul 5. Topitura rezultată, care conține 99,7-99,8% azotat, trece prin filtrul 21 la 175 ° C și este alimentată în rezervorul sub presiune 6 de o pompă submersibilă centrifugă 20, iar apoi în recipientul dreptunghiular. turn de granulație metalic 16.

În partea superioară a turnului se află granulatoarele 7 și 8, a căror parte inferioară este alimentată cu aer, care răcește picăturile de salitr care cad de sus. În timpul căderii picăturilor de salpetru de la o înălțime de 50-55 m, se formează granule de îngrășământ atunci când aerul curge în jurul lor. Temperatura peletelor la ieșirea din turn este de 90-110°C; granulele fierbinți sunt răcite într-un aparat cu pat fluidizat 15. Acesta este un aparat dreptunghiular având trei secțiuni și echipat cu un grătar cu orificii. Ventilatoarele furnizează aer sub grătar; aceasta creează un pat fluidizat de granule de nitrat care vin prin transportor din turnul de granulare. Aerul după răcire intră în turnul de granulare. Transportorul 14 de granule de azotat de amoniu este servit pentru tratarea cu agenți tensioactivi într-un tambur rotativ. Apoi, îngrășământul finit este trimis la ambalaj de către transportorul 12.

Aerul care iese din turnul de granulare este contaminat cu particule de azotat de amoniu, iar sucul de abur din neutralizator și amestecul de vapori-aer din evaporator conțin amoniac și acid azotic nereacționat, precum și particule de azotat de amoniu transportat.

Pentru curățarea acestor fluxuri în partea superioară a turnului de granulare, există șase scrubere tip placă de spălare cu funcționare paralelă 10, irigate cu o soluție 20-30% de azotat de amoniu, care este alimentată de pompa 18 din colectia 17. această soluție este deturnată către neutralizatorul ITN pentru spălarea cu abur de suc și apoi amestecată cu o soluție de salpetru și, prin urmare, folosită pentru a face produse. Aerul purificat este aspirat din turnul de granulare de către ventilatorul 9 și eliberat în atmosferă.

Procesul tehnologic de producere a azotatului de amoniu constă din următoarele etape principale: neutralizarea acidului azotic cu amoniac gazos, evaporarea unei soluții de azotat de amoniu, cristalizarea și granularea topiturii.

Amoniacul gazos din încălzitorul 1 și acidul azotic din încălzitorul 2 la o temperatură de 80-90 0 C intră în aparatul ITP 3. Pentru a reduce pierderea de amoniac, împreună cu abur, reacția se realizează într-un exces de acid. Soluția de azotat de amoniu din dispozitivul 3 este neutralizată în post-neutralizatorul 4 cu amoniac și intră în evaporatorul 5 pentru evaporare.într-un turn de granulare dreptunghiular 16.

Fig.5.1. Schema tehnologică pentru producerea azotatului de amoniu.

1 - încălzitor de amoniac, 2 - încălzitor de acid azotic, 3 - aparat ITN (folosind căldura de neutralizare), 4 - neutralizator suplimentar, 5 - evaporator, 6 - rezervor sub presiune, 7.8 - granulatoare, 9.23 - ventilatoare, 10 - scruber de spălare, 11-tamburi, 12,14- transportoare, 13-lift, 15-aparat cu pat fluidizat, 16-turn de granulare, 17-colector, 18,20-pompe, 19-tanc flotant, 21-filtru flotor, 22 - aeroterma.

În partea superioară a turnului se află granulatoarele 7 și 8, a căror parte inferioară este alimentată cu aer, care răcește picăturile de salitr care cad de sus. În timpul căderii salitrului cade de la o înălțime de 50-55 de metri, când aerul curge în jurul lor, se formează granule, care sunt răcite într-un aparat cu pat fluidizat 15. Acesta este un aparat dreptunghiular având trei secțiuni și o rețea cu găuri. Ventilatoarele furnizează aer sub grătar. Se creează un pat fluidizat de granule de salpetru, provenind din turnul de granulare printr-un transportor. Aerul după răcire intră în turnul de granulare.

Granule de transportor de azotat de amoniu 14 sunt servite pentru tratarea cu agenți tensioactivi într-un tambur rotativ 11. Apoi transportorul de îngrășământ finit 12 este trimis la pachet.

Aerul care părăsește turnul de granulare este contaminat cu azotat de amoniu, iar vaporii de suc de la neutralizator conțin amoniac și acid azotic nereacționat, precum și particule de azotat de amoniu transportat. Pentru curățarea acestor fluxuri în partea superioară a turnului de granulare, există șase scrubere tip placă de spălare cu funcționare paralelă 10, irigate cu o soluție 20-30% de salpetru, care este alimentată de pompa 18 din colectarea 17. la o soluție. de salitr și, prin urmare, este folosit pentru fabricarea produselor. Aerul purificat este aspirat din turnul de granulare de către ventilatorul 9 și eliberat în atmosferă.

INTRODUCERE

Industria azotului este una dintre industriile cu cea mai rapidă creștere.

Acidul azotic este unul dintre produsele de pornire pentru producerea celor mai multe substanțe care conțin azot și este unul dintre cei mai importanți acizi.

În ceea ce privește scara de producție, acidul azotic ocupă locul al doilea dintre diferiții acizi, după acidul sulfuric. Scara mare a producției se explică prin faptul că acidul azotic și sărurile sale au devenit foarte importante în economia națională.

Consumul de acid azotic nu se limitează la producția de îngrășăminte. Își găsește o largă aplicație în producția de toate tipurile de explozivi, o serie de săruri tehnice, în industria sintezei organice, în producția de acid sulfuric, în tehnologia rachetelor și în multe alte ramuri ale economiei naționale.

Producția industrială de acid azotic se bazează pe oxidarea catalitică a amoniacului cu oxigenul atmosferic, urmată de absorbția de către apă a oxizilor de azot rezultați.

Scopul acestui proiect de curs este de a lua în considerare prima etapă a producției de acid azotic - oxidarea de contact a amoniacului, precum și calculul bilanțurilor materiale și termice ale reactorului.

În schemele tehnologice pentru producerea acidului azotic, procesul de oxidare catalitică a amoniacului este important, deoarece determină trei indicatori principali - consumul de amoniac, investițiile și pierderile de metale de platină, precum și capacitățile energetice ale schemei. În acest sens, îmbunătățirea procesului de oxidare catalitică a amoniacului este de mare importanță pentru producerea acidului azotic și a îngrășămintelor minerale în general.

1. CARACTERISTICILE ACIDULUI NITRIC

1.1 Soiuri de acid azotic

În industrie se folosesc 2 grade de acid azotic: diluat (slab) cu un conținut de 30-60% HNO3 și concentrat, care conține 97-99% HNO3, precum și o cantitate relativ mică de acid azotic reactiv și foarte pur. Calitatea acidului azotic produs trebuie să respecte standardele stabilite.

Conform parametrilor fizico-chimici, acidul azotic concentrat trebuie să îndeplinească standardele specificate în tabelul 1.

Tabelul 1 - Cerințe pentru calitatea acidului azotic concentrat (GOST 701-89)

Calitatea acidului azotic produs trebuie să respecte standardele stabilite indicate în tabelele 2 și 3.

Tabelul 2 - Cerințe de calitate pentru acidul azotic neconcentrat (OST 6-03-270-76)

Tabelul 3 - Cerințe pentru calitatea acidului azotic (GOST 4461-67)

Conținut în%, nu mai mult 005Sulfați (SO42) -0.00020.00050.002Phosfați (PO43-) 0,000020.00020.002Cloride (CL) 0,000050.00010.0005iron (FE) 0.000020.00010.0003Calcium (ca) 0,00050 .0010.002ARSENEA (AS) 0,0000020. 0000030,00001Metale grele (Pb)0,000020,00050,0005

1.2 Utilizarea acidului azotic

Acidul azotic este utilizat în diferite domenii de activitate:

1)la galvanizarea si cromarea detaliilor;

)pentru producerea de îngrășăminte minerale;

)pentru a obține explozibili (industrie militară);

)în producția de medicamente (produse farmaceutice);

)obţinerea azotatului de argint pentru fotografie;

)pentru gravarea și gravarea formelor metalice;

)ca materie primă pentru obținerea acidului azotic concentrat;

)în hidrometalurgie;

)în bijuterii - modalitatea principală de a determina aurul într-un aliaj de aur;

)pentru a obține compuși nitro aromatici - precursori ai coloranților, preparatelor farmacologice și alți compuși utilizați în sinteza organică fină;

)pentru a obține nitroceluloză.

1.3 Proprietățile acidului azotic

3.1 Proprietățile fizice ale acidului azotic

Acidul azotic este unul dintre acizii monobazici puternici, cu un miros înțepător sufocant, este sensibil la lumină și, în lumină puternică, se descompune în unul dintre oxizii de azot (numit și gaz brun - NO2) și apă. Prin urmare, este de dorit să-l depozitați în recipiente întunecate. În stare concentrată, nu dizolvă aluminiul și fierul, astfel încât poate fi depozitat în recipiente metalice adecvate. Acidul azotic – este un electrolit puternic (ca mulți acizi) și un agent oxidant foarte puternic. Este adesea folosit în reacții cu substanțe organice.

Azotul din acidul azotic este tetravalent, starea de oxidare +5. Acidul azotic este un lichid incolor care fumează în aer, punctul de topire -41,59 , punctul de fierbere +82,6 cu expansiune parțială. Solubilitatea acidului azotic în apă nu este limitată. Soluțiile apoase de HNO3 cu o fracție de masă de 0,95-0,98 sunt numite „acid azotic fumant”, cu o fracție de masă de 0,6-0,7 - acid azotic concentrat. Formează un amestec azeotrop cu apa (fracție de masă 68,4%, d20 = 1,41 g/cm, Tboil = 120,7 )

Când este cristalizat din soluții apoase, acidul azotic formează hidrați cristalini:

) HNO3H2O monohidrat, Ttopire = -37,62 ;

2) HNO33H20 trihidrat, Ttopire = -18,47 .

Acidul azotic, ca și ozonul, se poate forma în atmosferă în timpul fulgerelor. Azotul, care reprezintă 78% din aerul atmosferic, reacționează cu oxigenul atmosferic pentru a forma oxid nitric NO. La oxidarea ulterioară în aer, acest oxid se transformă în dioxid de azot (gaz brun NO2), care reacționează cu umiditatea atmosferică (nori și ceață), formând acid azotic.

Dar o cantitate atât de mică este complet inofensivă pentru ecologia pământului și a organismelor vii. Un volum de acid azotic și trei volume de acid clorhidric formează un compus numit aqua regia. Este capabil să dizolve metalele (platină și aur) care sunt insolubile în acizi obișnuiți. Când în acest amestec sunt introduse hârtie, paie, bumbac, se va produce o oxidare viguroasă, chiar aprindere.

1.3.2 Proprietățile chimice ale acidului azotic

Acidul azotic prezintă proprietăți chimice diferite în funcție de concentrație și de substanța cu care reacționează.

Dacă acidul azotic este concentrat:

1) cu metale - fier (Fe), crom (Cr), aluminiu (Al), aur (Au), platină (Pt), iridiu (Ir), sodiu (Na) - nu interacționează datorită formării unui protector film pe suprafața lor, care nu permite oxidarea ulterioară a metalului. Cu toate celelalte metale<#"justify">HNO3 conc + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1)

2) cu nemetale<#"justify">HNO3 conc. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2)

Dacă acidul azotic este diluat:

1) atunci când interacționează cu metale alcalino-pământoase, precum și cu zinc (Zn), fier (Fe), acesta este oxidat la amoniac (NH3) sau la azotat de amoniu (NH4NO3). De exemplu, când reacţionează cu magneziu (Mg):

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

Dar protoxidul de azot (N2O) se poate forma, de exemplu, la reacția cu magneziu (Mg):

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

Reacționează cu alte metale pentru a forma oxid nitric (NO), de exemplu, dizolvă argintul (Ag):

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

2) reacționează în mod similar cu nemetale, cum ar fi sulful<#"justify">HNO3 diluat + S = H2SO4 + 2NO (6)

Oxidarea sulfului la formarea acidului sulfuric și eliberarea de gaz - oxid de azot;

3) reacție chimică cu oxizi metalici, de exemplu, oxid de calciu:

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

Se formează sare (nitrat de calciu) și apă;

) reacție chimică cu hidroxizi (sau baze), de exemplu, cu var stins:

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

Se formează sare (nitrat de calciu) și apă - o reacție de neutralizare;

) reacție chimică cu sărurile, de exemplu cu creta:

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

Se formează o sare (nitrat de calciu) și un alt acid (în acest caz, acidul carbonic, care se descompune în apă și dioxid de carbon).

6) în funcție de metalul dizolvat, descompunerea sării la temperatură are loc astfel:

a) orice metal (notat Me) până la magneziu (Mg):

MeNO2 + O2 (10)

b) orice metal de la magneziu (Mg) la cupru (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2 (11)

c) orice metal după cupru (Cu):

3 = Me + NO2 + O2(12)

2. METODE DE OBTINEREA ACIDULUI AZOTIC

amoniac catalizator de acid azotic

Metodele industriale pentru producerea acidului azotic diluat includ următoarele etape:

) obţinerea de oxid nitric (II);

2) oxidarea acestuia la oxid nitric (IV);

3) absorbția NO2 de către apă;

4) purificarea gazelor de eșapament (care conțin în principal azot molecular) din oxizi de azot.

Acidul azotic concentrat se obține în două moduri:

1) prima metodă constă în rectificarea amestecurilor ternare care conțin acid azotic, apă și substanțe de îndepărtare a apei (de obicei acid sulfuric sau azotat de magneziu). Ca urmare, se obțin vapori de acid azotic 100% (care condensează) și soluții apoase ale agentului de deshidratare, acesta din urmă este evaporat și readus la producție;

2) a doua metodă se bazează pe reacția:

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

La o presiune de 5 MPa și folosind O2 pur, se formează 97-98% acid, care conține până la 30% în greutate oxizi de azot. Produsul țintă se obține prin distilarea acestei soluții. Acidul azotic de înaltă puritate se obține prin distilare cu acid azotic 97-98,5% în echipamente din sticlă de silicat sau cuarț. Conținutul de impurități într-un astfel de acid este mai mic de 110-6% în greutate.

3. MATERIA PRIME DE BAZĂ ÎN PRODUCȚIA ACID AZOTIC NECONCENTRAT

Principalele materii prime pentru producerea acidului azotic neconcentrat sunt în prezent amoniacul, aerul și apa. Materialele auxiliare și resursele energetice sunt catalizatorii de oxidare a amoniacului și de purificare a gazelor de eșapament, gazele naturale, aburul și electricitatea.

1. Amoniac. În condiții normale, este un gaz incolor cu miros înțepător, ușor solubil în apă și alți solvenți, formează hemi și monohidrați. Un punct de cotitură în dezvoltarea producției de amoniac sintetic a fost utilizarea metodei dominante în prezent în industrie pentru producerea hidrogenului prin transformarea metanului conținut în gazele naturale în gaze petroliere asociate și produse petroliere rafinate. Conținutul de impurități din amoniacul lichid este reglementat de GOST 6221-82. Cele mai tipice impurități sunt: ​​apa, uleiurile lubrifiante, praful de catalizator, calcarul, carbonatul de amoniu, gazele dizolvate (hidrogen, azot, metan). Dacă GOST este încălcat, impuritățile conținute în amoniac pot pătrunde în amestecul de amoniac-aer și pot reduce producția de oxid de azot (II), iar hidrogenul și metanul pot modifica limitele explozive ale amestecului de amoniac-aer.

Aer. Pentru calculele tehnice, se presupune că aerul uscat conține [%, (vol.)]: N2 = 78,1, O2 = 21,0, Ar2 = 0,9, H2O = 0,1-2,8. În aer pot exista și urme de SO2, NH3, CO2. În zona siturilor industriale, aerul este poluat cu praf de diverse origini, precum și cu diverse componente ale emisiilor de gaze fugitive (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2 etc.). Cantitatea de praf din aer este de 0,5-1,0 mg/m3.

3. Apa. Se folosește la producerea acidului azotic pentru irigarea coloanei de absorbție, pentru generarea de abur în timpul recuperării căldurii în cazane de căldură reziduală, pentru răcirea aparatelor de reacție. Pentru absorbția oxizilor de azot, cel mai des se utilizează condensatul de abur și apa purificată chimic. În unele scheme, este permisă utilizarea condensului de vapori de suc de azotat de amoniu. În orice caz, apa folosită pentru irigarea coloanelor nu trebuie să conțină amoniac liber și suspensii solide, conținutul de ion clorură nu trebuie să fie mai mare de 2 mg/l, uleiurile nu mai mult de 1 mg/l, NH4NO3 - nu mai mult de 0,5 g/l . Apa purificată chimic pentru cazanele de căldură reziduală trebuie să respecte cerințele GOST 20995-75. Apa de proces destinată îndepărtarii căldurii în schimbătoarele de căldură și răcirea echipamentelor (apă în circulație) trebuie să îndeplinească următoarele cerințe: duritate carbonatică nu mai mare de 3,6 meq/kg, conținut de solide în suspensie nu mai mare de 50 mg/kg, valoare pH 6,5-8,5 .

4. Oxigen. Este utilizat în principal la producerea acidului azotic concentrat prin sinteză directă. În unele cazuri, este folosit pentru a îmbogăți amestecul amoniac-aer la obținerea acidului azotic neconcentrat.

4. OXIDAREA DE CONTACT A AMONIACULUI

4.1 Bazele fizico-chimice ale procesului

Metodele moderne de producere a acidului azotic se bazează pe oxidarea de contact a amoniacului. În timpul oxidării amoniacului pe diferiți catalizatori și în funcție de condiții, apar următoarele reacții:

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

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

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

Pe lângă reacții (14-16), sunt posibile și altele, care au loc în straturile apropiate de suprafață ale catalizatorului. De exemplu, descompunerea NO, interacțiunea N2O, NO2 și NH3:

NU N2+O2 (17)

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

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

Desigur, reacția (14) va fi „utilă”. Calculele termodinamice arată că reacțiile (14-16) se desfășoară practic până la finalizare.

Constantele de echilibru pentru reacțiile inverse (14-16) la 900°C au următoarele valori

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

unde k1 - NO + H2O; k2 - NH3 + O2.

La 900 conversia catalitică a amoniacului în produse finite ajunge la 100%, adică procesul este practic ireversibil.

Cu toate acestea, ecuațiile (14-16) nu reflectă mecanismul real al procesului, deoarece în acest caz nouă molecule ar trebui să se ciocnească simultan în reacție (14); în reacția (16) - șapte molecule. Este aproape de necrezut.

Au fost propuse mai multe mecanisme de oxidare a amoniacului pe catalizatori. Diferențele de idei despre mecanisme sunt după cum urmează:

1) formarea NO și N2 printr-un intermediar pe catalizator;

2) formarea de NO are loc pe catalizator, iar formarea de N2 pe catalizator și în volumul de gaz.

Pe baza celor de mai sus (despre constanta de echilibru și mecanismele de oxidare), se poate afirma că catalizatorul ales trebuie să aibă activitate mare (viteză mare de reacție și timp de contact scurt: pe măsură ce crește probabilitatea formării N2) și selectivitate în ceea ce privește la reacție (14).

Printre câteva mecanisme propuse de oamenii de știință noștri și străini, mecanismul propus de L.K. Androsov, G.K. Boreskov, D.A. Epstein.

Mecanismul poate fi prezentat pas cu pas după cum urmează:

Etapa 1 - oxidarea suprafeței de platină. Se formează un complex catalizator peroxid-oxigen (Figura 1).

Figura 1 - Structura complexului peroxid catalizator-oxigen

etapa - difuzia si adsorbtia amoniacului pe suprafata platinei acoperite cu oxigen. Se formează un complex catalizator-oxigen-amoniac (Figura 2).

Figura 2 - Structura complexului catalizator-oxigen-amoniac

etapa este redistribuirea legăturilor electronice, ruperea legăturilor vechi și întărirea legăturilor noi.

etapă - desorbția produselor și difuzia în fluxul de gaz (compușii stabili de NO și H2O sunt îndepărtați de la suprafață).

Centrii eliberați adsorb oxigenul din nou, deoarece viteza de difuzie a oxigenului este mai mare decât cea a amoniacului etc. Potrivit oamenilor de știință, oxigenul care intră în rețeaua catalizatorului (contact fără platină) nu participă la reacția de oxidare a amoniacului (dovedit prin metoda a atomilor marcați).

Conversia amoniacului în azot, conform I.I. Berger și G.K. Boreskov, poate apărea în volum ca urmare a reacțiilor amoniacului, atât cu oxigenul, cât și cu oxidul nitric.

Există regiuni cinetice, de tranziție și de difuzie ale procesului. Regiunea cinetică este caracteristică temperaturilor scăzute: este limitată de temperatura de aprindere a catalizatorului, la care se observă încălzirea spontană rapidă a suprafeței sale, adică până la temperatura de aprindere, viteza este limitată de viteza reacției chimice. la contact. La T > Tzazh deja difuzia controlează procesul - reacția chimică este rapidă. Procesul trece în regiunea de difuzie. Este această zonă (600-1000 ) este tipic pentru un proces autotermic staționar în condiții industriale. Aceasta implică o creștere indispensabilă a vitezei volumetrice a gazului și o scădere a timpului de contact.

Reacția de oxidare a amoniacului asupra catalizatorilor activi începe mai devreme: pe paladiu (Pd) la 100 , pe platină (Pt) la 145 , pe fier (Fe) la 230 , pe oxizii metalici, temperatura de declanșare a reacției variază foarte mult. În același timp, atinge o rată și un grad de transformare suficiente la T > 600 .

4.2 Catalizatori de oxidare a amoniacului

Aproape toate plantele de acid azotic folosesc platina sau aliajele acesteia ca catalizator pentru oxidarea amoniacului.

Platina este un catalizator scump, dar își păstrează o activitate ridicată pentru o perioadă lungă de timp, are stabilitate și rezistență mecanică suficientă și este ușor de regenerat. În cele din urmă, cu forma de rețea modernă a catalizatorului, utilizarea platinei face posibilă utilizarea celui mai simplu tip de aparat de contact. Se aprinde ușor, iar consumul său pe unitatea de producție este neglijabil.

În producția de acid azotic, purtătorii pentru platină și aliajele sale nu sunt utilizați, deoarece în prezența purtătorilor, activitatea catalizatorului scade relativ rapid și regenerarea sa devine mai dificilă. La fabricile moderne, platina pentru catalizatori este folosită sub formă de grile. Forma de plasă creează o suprafață mare de catalizator în aparatul de contact la un consum relativ scăzut de platină. De obicei sunt utilizate grile în care diametrul firului este de 0,045-0,09 mm cu dimensiuni pe partea celulei de 0,22 mm. Suprafața plaselor care nu este ocupată de sârmă este de aproximativ 50-60% din suprafața totală. Când se utilizează fire de un diametru diferit, numărul de țesături este modificat astfel încât zona liberă neocupată de sârmă să rămână în limitele specificate.

În dispozitivele de contact care funcționează la presiunea atmosferică. instalați de la 2 la 4 grile, majoritatea 3, și în dispozitivele care funcționează sub presiune de până la 8 atm - de la 13 la 16 grile. Când este instalată o rețea, unele dintre moleculele de amoniac nu intră în contact cu catalizatorul, ceea ce reduce randamentul de oxid nitric. În cele mai bune condiții, gradul de contact poate ajunge la 86-90% pe o ochiuri, 95-97% pe două ochiuri și 98% pe trei ochiuri. Când se lucrează sub presiune atmosferică, nu se utilizează mai mult de 4 grile, deoarece cu un număr mare de grile, deși performanța aparatului de contact crește, rezistența la curgerea gazului crește foarte mult. Grilele trebuie să se potrivească perfect între ele, deoarece, în caz contrar, în spațiul liber dintre grile au loc o serie de reacții omogene, reducând producția de oxid nitric.

În procesul de lucru, grilele de platină sunt foarte slăbite. Firele lor netede și strălucitoare devin spongioase și mate, plasele elastice devin casante. Formarea unei suprafețe spongioase, slăbite, crește grosimea firelor. Toate acestea creează o suprafață de rețea foarte dezvoltată, care crește activitatea catalitică a platinei. Numai otrăvirea catalizatorului cu impurități care vin cu gaze poate provoca ulterior o scădere a activității sale.

Slăbirea suprafeței tifonului de platină în timp duce la o distrugere puternică a tifonului, ceea ce provoacă pierderi mari de platină.

Platina destinată fabricării unui catalizator nu trebuie să conțină fier, care deja la 0,2% reduce semnificativ randamentul de oxid de azot.

Platina pură este distrusă rapid la temperaturi ridicate, iar cele mai mici particule ale sale sunt îndepărtate de fluxul de gaz. Alte metale din grupa platinei în forma lor pură nu sunt utilizate ca catalizatori. Paladiul se descompune rapid. Iridiul și rodiul nu sunt foarte active. Osmiul se oxidează ușor.

Au fost studiate și aplicate aliaje de platină, care au o rezistență mai mare și nu mai puțină activitate decât platina pură. În practică se folosesc aliaje de platină cu iridiu sau cu rodiu și uneori cu paladiu. Grilele realizate dintr-un aliaj de platină cu 1% iridiu la temperaturi ridicate sunt mai active decât cele din platină. O activitate semnificativ mai mare și, în special, rezistența mecanică sunt caracteristice aliajelor de platină-rodiu.

Cel mai bun randament de oxid nitric se obține atunci când se lucrează pe aliaje de platină, care conțin 10% rodiu. Cu toate acestea, având în vedere costul mai mare al rodiului în comparație cu platina, conținutul său în aliaje este de obicei redus la 7-5%.

Când amoniacul este oxidat sub presiune pe grile de platină-rodiu, se obține un randament semnificativ mai mare de oxid nitric decât pe grilele de platină pură.

Catalizatorii de platină sunt sensibili la anumite impurități conținute în gazul de alimentare. Astfel, prezența a 0,00002% fosfină (РН3) în gaz reduce gradul de conversie la 80%. Otrăvurile mai puțin puternice sunt hidrogenul sulfurat, vaporii de acetilenă, uleiurile lubrifiante, oxizii de fier și alte substanțe. Grilele se regenereaza prin tratarea lor cu o solutie de acid clorhidric 10-15% la 60-70°C timp de 2 ore, apoi grilele se spala bine cu apa distilata, se usuca si se calcineaza la flacara de hidrogen. În timpul funcționării, structura fizică a rețelelor se modifică și rezistența mecanică a aliajului scade, ceea ce crește pierderile de metal și scurtează durata de viață a catalizatorului.

4.3 Compoziția amestecului de gaze. Conținut optim de amoniac în amestecul amoniac-aer

Aerul este folosit în principal pentru a oxida amoniacul. Consumul de oxigen pentru oxidarea amoniacului conform reacției (24) cu formarea de NO poate fi calculat după cum urmează:

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

Conform reacției (24), 1 mol de NH3 reprezintă 1,25 moli de O2 = , atunci - conținutul de NH3 poate fi exprimat astfel:

Unde - cantitatea de NH3 amestecată cu aer; 100 - cantitatea totală a amestecului (%).

Totuși, acest lucru este teoretic. În scopuri practice, se folosește un anumit exces de oxigen, atunci concentrația de amoniac va fi mai mică de 14,4% (vol.).

Concentrația optimă de amoniac în amestecul amoniac-aer este conținutul său cel mai mare, la care o ieșire mare de NO este încă posibilă la un raport de O2:NH3< 2.

Se observă o scădere bruscă a gradului de conversie cu o scădere a raportului O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, rata de conversie crește semnificativ.

Deci punctul important este:

1) pe de o parte, o creștere a conținutului de NH3 în amestecul amoniac-aer, adică o scădere a raportului O2:NH3, duce la o scădere a gradului de conversie a amoniacului;

2) pe de altă parte, odată cu creșterea conținutului de NH3 din amestecul amoniac-aer, temperatura sistemului crește, deoarece se eliberează mai multă căldură în funcție de reacții (14-16), iar gradul de conversie crește, după cum se poate observa din tabelul 4.

Tabelul 4 - Dependența gradului de conversie a amoniacului de conținutul său din amestecul amoniac-aer (P = 0,65 MPa)

Conținutul de NH3 din amestec, % (vol.) Raport O2:NH3 Temperaturi de conversie, Rata de conversie NH3, %9.531.9874391.8810.421.7878693.1610.501.7678993.3011.101.6782894.2111.531.5983495.30

Din tabelul 4 rezultă că o creștere a temperaturii de la 740 la 830°C la un raport de O2:NH3 în intervalul 1,6-2 afectează în mod favorabil procesul. La un raport de O2:NH3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Este necesar un exces de O2 pentru a se asigura că suprafața platinei este întotdeauna acoperită cu oxigen pentru a desfășura procesul de oxidare conform mecanismului considerat mai devreme și pentru a exclude formarea de N2 și N2O (cu lipsă de oxigen). Trebuie să fie mai mare de 30%, adică raportul O2:NH3 > 1,62.

Compoziția gazului va depinde și de debitul celei de-a doua etape de obținere a acidului azotic (oxidarea NO)

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

De asemenea, necesită un exces de oxigen:

1) pentru sistemele care funcționează sub presiune - 2,5%;

2) pentru sistemele care funcționează la presiunea atmosferică - 5%.

Reacția globală care determină necesarul de oxigen pentru producerea acidului azotic este scrisă după cum urmează

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (26)

Mai există o circumstanță, din cauza căreia nu este de dorit creșterea concentrației de amoniac peste 9,5% (vol.). În acest caz, există o scădere a concentrației de oxizi de azot în turnurile de absorbție datorită introducerii de oxigen suplimentar (adică NO este diluat). Astfel, 9,5% (vol.) este conținutul optim de amoniac pentru toate etapele de obținere a acidului azotic diluat.

Puteți folosi oxigen în loc de aer pentru oxidare. Apoi, în conformitate cu reacția globală (26), este necesară creșterea concentrației de amoniac la 33,3% (vol.). Cu toate acestea, măsurile de siguranță intră în joc aici, deoarece un amestec cu o astfel de concentrație de amoniac devine exploziv (tabelul 5).

Tabelul 5 - Limitele inferioare (LEL) și superioare (URL) de explozie pentru amestecurile de amoniac-oxigen-azot

Odată cu creșterea umidității gazului, limitele explozive se îngustează, adică este posibil să se utilizeze conversia aburului-oxigen a amoniacului.

Amestecurile de amoniac cu oxigen se aprind cu o explozie (Tflax = 700-800 ). În aceste limite de temperatură, autoaprinderea are loc la orice conținut de amoniac din amestecul amoniac-oxigen.

Amestecurile amoniac-aer utilizate practic (concentrația de amoniac 9,5-11,5% (vol.)) nu sunt explozive (tabelul 5). Există dependențe ale limitelor explozive ale amestecului amoniac-aer de conținutul de amoniac și oxigen la diferite presiuni.

De remarcat însă că viteza de propagare a exploziei este mică, iar pentru amestecul amoniac-aer este de 0,3-0,5 m/s. Adică, pentru a elimina posibilitatea de propagare a exploziei, este necesar să se creeze o viteză a gazului mai mare decât această valoare (0,5 m/s). Este exact ceea ce se realizează prin utilizarea catalizatorilor platinoizi activi în proces, unde timpul de contact este de 10-4 secunde și, în consecință, viteza liniară este mai mare de 1,5 m/s.

4.4 Oxidarea amoniacului sub presiune

Scopul presurizării este:

1) necesitatea creșterii vitezei procesului;

2) instalatii compacte.

S-a dovedit termodinamic că, chiar și la presiuni mari, randamentul de NO este aproape de 100%. Performanța convertorului crește odată cu creșterea presiunii și cu creșterea numărului de grile ale catalizatorului platinoid. Odată cu creșterea presiunii, temperatura procesului crește și peste 900 . Cu toate acestea, odată cu creșterea presiunii, pentru a obține un grad ridicat de conversie a NH3, este necesar să se mărească timpul de rezidență al gazului în convertor.

ceea ce duce la rândul său la o creştere a numărului de grile.

Principalul dezavantaj este pierderea crescută a catalizatorului de platină (Pt) la temperaturi ridicate. Aceste neajunsuri (pierderea platinei, scăderea gradului de conversie) pot fi eliminate prin recurgerea la o schemă de producție combinată, adică desfășurarea procesului de oxidare a NH3 la presiunea atmosferică sau aproape de aceasta și oxidarea și absorbția NO la presiune ridicată. . Această abordare este adesea implementată în schemele tehnologice ale multor țări. În același timp, costurile energetice pentru condiționarea gazelor cresc costul acidului azotic.

4.5 Condiții optime pentru oxidarea amoniacului

Temperatura. Reacția amoniacului pe platină începe la 145 , dar procedează cu un randament scăzut de NO și formarea de azot predominant elementar. O creștere a temperaturii duce la o creștere a randamentului de oxid nitric și la o creștere a vitezei de reacție. În intervalul 700-1000 NU randamentul poate fi crescut la 95-98%. Timpul de contact la temperatură crește de la 650 la 900 este redusă de aproximativ cinci ori (de la 5 10-4 la 1.1 10-4 sec). Regimul de temperatură necesar procesului poate fi menținut prin căldura reacțiilor de oxidare. Pentru un amestec uscat de amoniac-aer care conține 10% NH3, la o rată de conversie de 96%, creșterea teoretică a temperaturii gazului este de aproximativ 705 sau vreo 70 pentru fiecare procent de amoniac din amestecul inițial. Folosind un amestec amoniac-aer care contine 9,5% amoniac, este posibil ca datorita efectului termic al reactiei sa se ajunga la o temperatura de aproximativ 600°C. , pentru a crește și mai mult temperatura de conversie, este necesară preîncălzirea aerului sau a amestecului de amoniac-aer. Trebuie avut în vedere că amestecul de amoniac-aer poate fi încălzit doar la o temperatură care nu depășește 150-200 la o temperatură a gazului de încălzire de cel mult 400 . În caz contrar, este posibilă disocierea amoniacului sau oxidarea sa omogenă cu formarea azotului elementar.

Limita superioară a creșterii temperaturii oxidării de contact a amoniacului este determinată de pierderea catalizatorului de platină. Dacă până la 920 Dacă pierderile de platină sunt compensate într-o oarecare măsură printr-o creștere a activității catalizatorului, atunci peste această temperatură, creșterea pierderilor de catalizator depășește semnificativ creșterea vitezei de reacție.

Conform datelor din fabrică, temperatura optimă de conversie a amoniacului la presiunea atmosferică este de aproximativ 800 ; la instalațiile care funcționează la o presiune de 9 atm este egală cu 870-900 .

Presiune. Utilizarea presiunii crescute în producția de acid azotic diluat este asociată în principal cu dorința de a crește viteza de oxidare a oxidului de azot și procesarea dioxidului de azot rezultat în acid azotic.

Calculele termodinamice arată că, chiar și la presiune ridicată, randamentul de echilibru NO este aproape de 100%. Cu toate acestea, un grad ridicat de contact în acest caz se realizează numai cu un număr mare de tifone de catalizator și o temperatură mai ridicată.

Recent, în condiții industriale, pe catalizatori multistrat cu purificare minuțioasă a gazului și o temperatură de 900 a reușit să aducă gradul de conversie a amoniacului la 96%. Atunci când alegeți presiunea optimă, trebuie avut în vedere că o creștere a presiunii duce la o creștere a pierderilor de platină. Acest lucru se explică prin creșterea temperaturii de cataliză, utilizarea rețelelor multistrat și o creștere a distrugerii lor mecanice sub acțiunea unei viteze mari a gazului.

3. Conținutul de amoniac din amestec. Aerul este de obicei folosit pentru a oxida amoniacul, astfel încât conținutul de amoniac din amestec este determinat de conținutul de oxigen din aer. La un raport stoichiometric de O2:NH3 = 1,25 (conținutul de amoniac într-un amestec cu aer este de 14,4%), randamentul de oxid de azot nu este semnificativ. Pentru a crește randamentul de NO, este necesar un anumit exces de oxigen; prin urmare, conținutul de amoniac din amestec ar trebui să fie mai mic de 14,4%. În practica din fabrică, conținutul de amoniac din amestec este menținut în intervalul 9,5-11,5%, ceea ce corespunde raportului O2:NH3 = 21,7.

Reacția globală (26), care determină nevoia de oxigen în timpul procesării amoniacului în acid azotic, dă raportul O2:NH3 = 2, care corespunde conținutului de amoniac din amestecul inițial de 9,5%. Acest lucru sugerează că o creștere a concentrației de amoniac în amestec peste 9,5% nu va duce în cele din urmă la o creștere a concentrației de NO, deoarece în acest caz va trebui să fie introdus aer suplimentar în sistemul de adsorbție. Dacă se folosește un amestec de amoniac-oxigen ca reactivi inițiali, atunci, în conformitate cu ecuația reacției generale, ar fi posibilă creșterea concentrației de amoniac în acesta la 33,3%. Cu toate acestea, utilizarea unor concentrații mari de amoniac este dificilă deoarece astfel de amestecuri sunt explozive.

Influența impurităților. Aliajele de platină sunt sensibile la impuritățile conținute în amestecul amoniac-aer. În prezența a 0,0002% fosfură de hidrogen în amestecul de gaze, gradul de conversie a amoniacului este redus la 80%. Otrăvurile de contact mai puțin puternice sunt hidrogenul sulfurat, acetilena, clorul, vaporii de ulei lubrifiant, praful care conține oxizi de fier, oxidul de calciu, nisipul etc.

Purificarea preliminară a gazelor mărește durata catalizatorului. Cu toate acestea, în timp, catalizatorul este otrăvit treptat, iar randamentul de NO scade. Pentru a elimina otrăvurile și contaminanții, grilele sunt regenerate periodic prin tratarea lor cu o soluție de acid clorhidric 10-15%.

5. Timp de contact. Timpul optim de contact este determinat de viteza de oxidare a amoniacului. Cel mai adesea, viteza de oxidare este definită ca cantitatea de amoniac oxidat (kg) per unitate de suprafață (m2) pe zi (intensitatea catalizatorului). Durata contactului gazului cu catalizatorul sau timpul de contact este determinată de ecuația:

Vsv/W

unde t este timpul de rezidență al gazului în zona catalizatorului, sec; Vw este volumul liber al catalizatorului, m3; W - viteza volumetrica in conditii de contact m3 sec-1.

Gradul maxim de conversie a amoniacului în oxid nitric se realizează la un timp bine definit de contact al gazului cu catalizatorul. Timpul optim de contact ar trebui considerat nu cel la care se obține randamentul maxim de NO, ci oarecum mai scurt, deoarece este rentabil din punct de vedere economic să lucrezi la o productivitate mai mare chiar și în detrimentul unei scăderi a randamentului produsului. În condiții practice, timpul de contact al amoniacului cu catalizatorul variază de la 1 10-4 la 2 10-4 sec.

Amestecarea amoniacului cu aerul. Omogenitatea completă a amestecului amoniac-aer care intră în zona de contact este una dintre principalele condiții pentru obținerea unui randament ridicat de oxid nitric. Amestecarea bună a gazelor este de mare importanță nu numai pentru a asigura un grad ridicat de contact, ci și pentru a proteja împotriva riscului de explozie. Designul și volumul mixerului trebuie să asigure pe deplin o bună amestecare a gazului și să excludă alunecarea amoniacului în jeturi separate pe catalizator.

5. DISPOZITIVE DE CONTACT

Cele mai complexe și suferite îmbunătățiri semnificative este designul aparatului de contact în sine.

Figura 3 - Aparat de contact Ostwald: 1 - colector de amestec amoniac-aer; 2 - spirală de platină; 3 - fereastra de vizualizare; 4 - colector de gaz azotat

Primul aparat de contact industrial a fost aparatul Ostwald (Figura 3), format din două țevi concentrice: o țeavă exterioară din fontă cu diametrul de 100 mm, emailată la interior, și una interioară din nichel cu diametrul de 65 mm. mm. Amestecul de amoniac-aer a intrat în aparat de jos prin conducta exterioară și a căzut pe catalizatorul situat în partea superioară a conductei interioare. Gazele azotate au fost direcționate în jos prin conducta interioară către colector, dând căldură amestecului de intrare.

Catalizatorul a constat din benzi de folie de platină de 0,01 mm grosime și 20 mm lățime înfăşurate împreună într-o spirală. Una dintre benzi este netedă, a doua este ondulată cu îndoituri de 1 mm. Gradul de conversie a amoniacului a ajuns la 90-95%, amestecul cu aer conținea NH3 8% (vol.), productivitatea aparatului a fost de 100 kg de acid azotic pe zi.

Această formă a catalizatorului nu a permis creșterea productivității aparatului prin creșterea dimensiunii acestuia. În aparatul Ostwald, alimentarea uniformă a amestecului de gaz nu a fost asigurată, deoarece înainte de a intra în catalizator, fluxul de gaz și-a schimbat direcția cu 180° și abia apoi a intrat în el. În plus, proiectarea aparatului nu a permis îndepărtarea rapidă a oxizilor de azot (II) din zona de temperatură înaltă.

În proiectele ulterioare ale aparatului de contact, a fost utilizat un catalizator sub forma unei rețele de filamente cu un diametru de 0,06 mm.

Figura 4 - Aparatul de contact al lui Andreev: 1 - grile de platina; 2 - fereastra de vizualizare

Prima producție de acid azotic din Rusia a fost echipată cu aparatul de contact al lui Andreev, care producea 386 kg de acid azotic pe zi și era considerat cel mai avansat din lume. Aparatul cilindric cu diametrul de 300 mm și înălțimea de 450 mm a fost realizat din fontă. Amestecul de gaze a venit de jos (Figura 4). Grila catalizatorului de platină a fost amplasată peste aparat, în mijlocul acestuia.

Utilizarea fontei pentru fabricarea acestui aparat a avut o serie de dezavantaje: apariția reacțiilor secundare, contaminarea platinei cu scară. Gradul de conversie în acesta nu a depășit 87%.

Figura 5 - Aparat de contact Fisher: 1 - duză; 2 - grilă de platină; 3 - izolare

Aparatul Fisher a fost realizat din aluminiu, diametrul său a fost de 1000 mm, înălțimea de 2000 mm (Figura 5). De jos, aparatul a fost umplut cu inele Raschig de porțelan, iar partea superioară a fost căptușită cu cărămizi refractare. Designul aparatului nu a furnizat o alimentare uniformă a amestecului de amoniac-aer către catalizator, randamentul de oxizi a fost de 89–92% la o temperatură de contact de 700–720°C. Productivitatea aparatului pe amoniac este de 600-700 kg/zi. Particulele de cărămizi refractare, care cădeau pe catalizator, i-au redus activitatea.

Figura 6 - Aparatură Bamag: 1 - duză; 2 - grilă de platină; 3 - fereastra de vizualizare

Aparatul propus de Bamag (Figura 6) a constat din două trunchiuri de con legate prin baze largi, între care au fost plasate grile de catalizator. Diametrul aparatului în partea cea mai largă a fost de 1,1 m sau 2,0 m.

Amestecul de amoniac-aer a fost introdus în aparat de dedesubt. Inițial, aparatul a fost din aluminiu, apoi partea superioară, fierbinte, a fost din oțel inoxidabil. Pentru o amestecare mai bună a amestecului, inelele Raschig au fost turnate în partea inferioară a aparatului.

Principalul dezavantaj al acestor dispozitive a fost direcția amestecului de gaz pe catalizator de jos, ceea ce a dus la vibrația grilelor și la o creștere a pierderii de platină.

Studiile de proiectare a aparatului de contact au arătat că direcția amestecului de gaz de sus în jos stabilizează funcționarea rețelelor de catalizator, reduce pierderea unui catalizator scump de platină, crește gradul de conversie cu 1,0-1,5% și permite utilizarea unui catalizator în două etape, în care a doua etapă este utilizată catalizator de oxid non-platină.

Atunci când un amestec de gaze este furnizat aparatului de sus, în partea inferioară a acestuia, poate fi plasat un strat de material izolator, precum și serpentine ale unui cazan de abur și un supraîncălzitor fără riscul de contaminare a catalizatorului cu praf refractar și fier. scară. Acest lucru reduce pierderea de căldură de reacție către mediu.

Un studiu al distribuției temperaturii pe suprafața catalizatorului a arătat că marginile catalizatorului adiacente pereților au o temperatură mai scăzută, iar gradul de contact scade în consecință, reducând randamentul total de oxid azotic (II). În această privință, geometria părții de intrare a aparatului de contact este de mare importanță; ar trebui să fie un con divergent fără probleme, cu un unghi în partea de sus a nu mai mult de 30 °.

Figura 7 - Aparat Parsons: 1 - plasă cilindrică din platină; 2 fund de cuarț; 3 - fereastra de vizualizare; 4 - izolare

În Statele Unite, a fost creat un aparat Parsons cu un aranjament vertical al unei rețele de catalizator rulat sub forma unui cilindru cu patru straturi de 33 cm înălțime și 29 cm în diametru (Figura 7). Cilindrul de platină a fost plasat într-o carcasă metalică căptușită cu cărămizi refractare, care a asigurat un bun schimb de căldură cu catalizatorul fierbinte. Productivitatea unui astfel de aparat a fost de până la 1 tonă de amoniac pe zi, gradul de conversie a fost de 95-96%.

Avantajul acestui dispozitiv este o suprafață mare a catalizatorului în comparație cu volumul dispozitivului. Dezavantajul său este furnizarea neuniformă a amestecului de amoniac-aer către catalizator. Mai mult amestec curge prin partea inferioară a catalizatorului sită decât prin partea superioară.

Au fost testate o serie de dispozitive de diferite forme: sub formă de două emisfere, un con și o emisferă cu direcția fluxului de gaz de jos în sus. Aceste dispozitive nu au avut avantaje speciale chiar și atunci când procesul a fost efectuat până la 0,51 MPa, gradul de conversie nu a depășit 90%.

Figura 8 - Aparat Dupont: 1 - grile de platina; 2 - grătar; 3 - jachetă de apă

La desfășurarea procesului la presiune ridicată s-a răspândit aparatul DuPont (Figura 8), format din conuri: cel superior este din nichel, iar cel inferior este din oțel termorezistent. Carcasa inferioară a fost prevăzută cu o cămașă de apă pentru răcire. Catalizatorul asezat pe gratar se face sub forma unui pachet de grile dreptunghiulare.

Acum, în întreaga lume, proiectează și construiesc unități pentru producția de acid azotic diluat cu o capacitate unitară mare - până la 400-600 de tone / an. Dispozitivele de contact cu straturi plate de grile sau un strat de material granular situat peste fluxul de gaz pentru astfel de unități ar trebui să aibă un diametru mare de până la 5-7 m. Cu toate acestea, odată cu creșterea diametrului aparatului, uniformitatea distribuția amestecului de amoniac-aer pe secțiunea transversală a aparatului se deteriorează, iar consumul de metal pe unitatea de productivitate crește, dificultățile de etanșare a îmbinărilor cu flanșe cresc. Aparatele cu diametre mari (peste 4 m) nu pot fi transportate pe calea ferată, fabricarea lor la locul fabricii este asociată cu dificultăți serioase.

În acest sens, cel mai promițător este un convertor cu un flux radial al amestecului de gaz prin catalizator, realizat sub formă de cilindru sau con. Cu o astfel de aranjare a catalizatorului, este posibil, fără modificarea diametrului aparatului, să se mărească înălțimea acestuia și, în consecință, productivitatea acestuia.

Proiectele dispozitivelor cu aranjament cilindric al catalizatorului sunt cunoscute de mult timp (dispozitive Parsons), dar cu o creștere a productivității acestora de la 4,5 kg/h la 14,3 t/h de amoniac, au apărut probleme în distribuția amestecului de gaze. fluxuri, transfer de căldură, atașarea catalizatorului etc.

Figura 9 - Aparatul îmbunătățit al lui Parsons: 1 - corp; 2 - huse; 3 - colector lichid de racire; 4 - dispozitiv suport; 5 - fiting pentru evacuarea gazelor azotate; 6 - grile de catalizator; 7 - canale pentru agent frigorific; 8 - canale pentru gaze

Unul dintre noile dispozitive este aparatul Parsons îmbunătățit (Figura 9). Se compune dintr-un corp cu capace, fitinguri pentru intrarea amestecului amoniac-aer și ieșirea gazelor azotate. Catalizatorul este rețele de platină dispuse vertical de-a lungul suprafeței cilindrice și fixate sub capace. Grilele sunt întinse pe un dispozitiv suport ceramic, care are canale orizontale pentru alimentarea amestecului de amoniac-aer la grilele de contact și canale verticale pentru alimentarea cu lichid de răcire. Dezavantajul unui astfel de dispozitiv de suport este distribuția gazului care intră în catalizator sub formă de jeturi separate, drept urmare zona catalizatorului nu funcționează complet.

Figura 10 - Aparat de contact cu flux radial de gaz: 1 - corp; 2 - capac; 3 - sistem de elemente de sprijin; 4 - catalizator; 5 - zăbrele; 6 - fund orb

Se propune un dispozitiv cu debit radial de gaz (Figura 10), care constă dintr-un corp 1 și un capac cu fiting pentru introducerea unui amestec amoniac-aer. În partea inferioară a carcasei există un fiting pentru introducerea gazelor azotate. Tifonele de catalizator sub formă de cilindru și con sunt dispuse vertical. Cu toate acestea, acest dispozitiv nu asigură o alimentare uniformă cu gaze catalizatorului.

Figura 11 - Dispozitiv de contact cu catalizator granular: 1 corp cilindric; 2 - capac cu orificiu central; 3, 4 - grile de distributie perforate cilindrice coaxiale; 5 - fund inelar; 6 - racord de evacuare

Este propus un aparat cu un flux radial de gaz și un catalizator granular. Ca catalizatori, sunt utilizate metalele de platină depuse pe un purtător sau tablete ale unui catalizator non-platină (Figura 11).

Aparatul din figura 11 constă dintr-un corp cilindric 1, în partea superioară a căruia se introduce un amestec de amoniac-aer, iar în partea inferioară sunt îndepărtate gazele azotate. În interior sunt două grile de distribuție perforate cilindrice coaxiale 3 și 4, între care este plasat un strat de catalizator granular 7. fiting 6.

Amestecul de amoniac-aer de la intrarea în aparat este împărțit în două fluxuri. Partea principală trece în golul inelar dintre pereții carcasei și cilindrul de distribuție exterior și intră radial pe catalizator. A doua parte, mai mică, trece prin orificiul din capac și intră în catalizator de-a lungul axei. Distribuția uniformă a amestecului de gaze în catalizator nu este asigurată.

Dezavantajul acestor modele este supraîncălzirea amestecului de amoniac-aer peste 200 lângă un fund orb din cauza scăderii vitezei gazului la zero. Supraîncălzirea gazului determină supraîncălzirea tifonelor de catalizator și uzura crescută a acestora.

Figura 12 - Aparatură cu catalizator sub formă de con: 1 - cămașă pentru încălzirea gazului; 2 - catalizator; 3 - dispozitiv conductă de susținere; 4 - jachetă de apă

Aparatul (Figura 12) conține un catalizator sub formă de mai multe straturi de plasă de platină, sudate din bucăți de formă triunghiulară într-un con cu un unghi de vârf de aproximativ 60°. Pachetul grilă are la bază o structură formată din 6-12 țevi de-a lungul generatricei conului, prin care trece lichidul de răcire. Această formă de catalizator are o suprafață specifică mare (în raport cu volumul aparatului) în comparație cu un catalizator plat situat peste fluxul de gaz. Cu toate acestea, în comparație cu un catalizator cilindric, suprafața sa specifică este mai mică.

Figura 13 - Aparatură de contact pentru oxidarea amoniacului la presiune ridicată: 1 - carcasă; 2 - con interior; 3 - aparatura de comutare; 4 - aprindere; 5 - grile de catalizator; 6 - supraîncălzitor; 7 - pachete cazane de abur; 8 - economizor

Figura 13 prezintă un aparat de contact pentru oxidarea amoniacului la o presiune de 0,71 MPa. Aparatul este format din două conuri introduse unul în celălalt. Amestecul amoniac-aer intră de jos în spațiul dintre conurile interior și exterior, urcă și de acolo coboară în conul interior. În drum spre catalizatorul de platină, realizat sub formă de grile, amestecul este bine amestecat în dispozitivul de distribuție al inelelor Raschig.

Pentru a măsura temperaturile amestecului de gaz de intrare și procesul de conversie, aparatul este echipat cu termocupluri: patru înaintea catalizatorului și patru după acesta. Pentru eșantionarea gazelor, există tuburi de prelevare a vaporilor: patru înaintea catalizatorului și patru după acesta. Catalizatorul este aprins cu un amestec nitric-hidrogen furnizat cu ajutorul unui arzător rotativ (aprindere).

Figura 14 - Aparat de contact Grand Paroiss: 1 - carcasă; 2 zăbrele; 3 - catalizator de platină; 4 - plasă blindată; 5 - strat de inele; 6 placa perforata; 7 - supraîncălzitor; 8 - cazan de căldură reziduală

Dintre aparatele care funcționează la o presiune medie de 0,40-0,50 MPa, prezintă interes aparatul companiei Grande Paroiss, din oțel inoxidabil (Figura 14). Se compune dintr-un corp, închis deasupra cu un capac eliptic, cu racord de admisie pentru introducerea unui amestec de gaze. Sub capac se afla un con perforat, apoi un deflector. O grilă de distribuție este plasată deasupra grilelor de platină, pe care se află un strat de șase grile care acționează ca un amortizor pentru pulsațiile vitezei curgerii. Dezavantajul dispozitivului este prezența zonelor de stagnare în zona temperaturilor ridicate ale catalizatorului, unde amoniacul primit se poate descompune.

6. SELECȚIA ȘI DESCRIEREA SCHEMEI TEHNOLOGICE DE PRODUCȚIE DE ACID AZOTIC NECONCENTRAT

În funcție de condițiile procesului de producție, se disting următoarele tipuri de sisteme de acid azotic:

1) sisteme care funcționează la presiunea atmosferică;

2) sisteme care funcționează la presiune ridicată (4-8 atm);

3) sisteme combinate în care oxidarea amoniacului se realizează la o presiune mai mică, iar absorbția oxizilor - la o presiune mai mare.

Luați în considerare aceste scheme tehnologice.

1) sisteme care funcționează la presiunea atmosferică;

Figura 15 - Schema instalatiei de producere a acidului azotic diluat la presiune atmosferica: 1 - scruber de apa; 2 - filtru de pânză; 3 - ventilator amoniac-aer; 4 - filtru din carton; 5 - convertor; 6 - cazan de recuperare abur; 7 - frigider de mare viteză; 8 - frigider-condensator; 9 - ventilator pentru gaze azotate; 10 - turnuri de absorbtie; 11 - turn de oxidare; 12 - turn pentru absorbția oxizilor de azot de către alcalii; 13 - frigider cu acid; 14, 15 - pompe

Aceste sisteme (Figura 15) nu mai sunt în funcțiune din cauza volumului echipamentului (un număr mare de turnuri de absorbție acizilor și alcalini), a productivității scăzute și a acumulării unei anumite cantități de clor, care în sistemele de absorbție acide și alcaline. are un puternic efect coroziv asupra echipamentului, care trebuie înlocuit în mod constant, iar acest lucru duce la costuri economice mari.

2) sisteme combinate;

Figura 16 - Obținerea acidului azotic prin metoda combinată: 1 - frigider de mare viteză; 2 - frigider; 3 - motor turbocompresor; 4 - reductor; 5 - turbocompresor de gaze azotate; 6 - turbina pentru irigarea gazelor de evacuare; 7 - oxidant; 8 - schimbator de caldura; 9 - frigider-condensator; 10 - coloana de absorbtie; 11 - supapă de acid; 12 - colector de condens; 13, 14 - colectoare de acid azotic

Principalele avantaje ale acestei scheme sunt:

1. Aceste sisteme (Figura 16) funcționează fără consum extern de energie, deoarece căldura de oxidare a amoniacului și oxidarea oxidului de azot este suficientă pentru a obține energie pentru comprimarea aerului și gazelor azotate la presiunile necesare;

2. Compactitatea echipamentului.

3. Productivitatea unor astfel de unitati este de 1360 tone/zi.

Dezavantajele schemei:

Principalul dezavantaj al acestei scheme este că atunci când amoniacul este oxidat la o presiune de 9 atm, gradul de conversie este cu 2-3% mai mic decât la presiunea atmosferică, iar pierderea catalizatorului de platină este de 2-3 ori mai mare. Astfel, acest procedeu este mai avantajos de realizat sub presiune atmosferică. Dar pentru atelierele moderne și puternice care produc acid azotic, în acest caz, va fi necesar un număr mare de dispozitive de dimensiuni mari și, în consecință, o creștere a costului lucrărilor de construcție și instalare. Aceste considerente fac necesara recurgerea la cresterea presiunii in procesul de conversie a amoniacului. În acest sens, o presiune de aproximativ 2,5 atm este acceptabilă, deoarece volumul aparatului este redus cu un factor de 2,5 în comparație cu volumul în sistemele care funcționează la presiunea atmosferică, cu pierderi moderate de amoniac și catalizator.

3) sisteme care funcționează la presiune ridicată.

Avantajele circuitului (Figura 17):

1. Unitatea este compactă, toate dispozitivele sunt transportabile. Ciclul de alimentare al unității este autonom și, atunci când producția chimică este oprită, rămâne în funcțiune până când este oprită de la panoul de control. Acest lucru vă permite să puneți rapid unitatea în funcțiune în cazul opririlor accidentale ale procesului chimic. Controlul unității în modul de funcționare este automatizat.

2. Costul real și intensitatea energetică a acidului azotic, produs pe unități cu o singură presiune de 0,716 MPa, rămâne cel mai scăzut în comparație cu unitatea AK-72 și unitatea care funcționează conform schemei combinate.

3. În locul unui cazan de căldură reziduală, în spatele aparatului de contact este instalat un schimbător de căldură la temperatură înaltă pentru a încălzi gazele de evacuare în fața turbinei până la 1120 K. În același timp, datorită creșterii puterii turbină cu gaz, puterea de ieșire a crescut cu 274 comparativ cu unitatea AK-72.

4. În schemă, o cameră de ardere pornită constant este instalată în paralel cu aparatul tehnologic, ceea ce face posibilă ca funcționarea unității mașinii să fie independentă de linia de producție, precum și să asigure o tranziție lină de la funcționare. a mașinii în modul inactiv la funcționarea mașinii cu procesul tehnologic pornit.

Dezavantajele schemei:

1. Procesul se desfășoară la temperaturi ridicate în unitate, ceea ce face sarcini foarte mari asupra catalizatorului de paladiu și nu reușește. Conform literaturii de specialitate, pierderile specifice irecuperabile la 1 tonă de acid azotic sunt de 40-45 mg pentru procesul la presiune atmosferică, 100 mg la 0,3-1,6 MPa și 130-180 mg la 0,7-0,9 MPa. Adică, pierderea de platină în instalațiile care funcționează sub presiune crește din cauza temperaturilor de cataliză mai ridicate în comparație cu temperatura din instalațiile care funcționează la presiunea atmosferică.

2. Este necesar un grad foarte ridicat de purificare a aerului înainte de intrarea în turbina cu gaz, deoarece capacitatea de aer a compresorului poate fi redusă cu până la 10% și eficiența cu până la 6%.

Acest proiect de curs examinează în detaliu schema de producere a acidului azotic sub presiune cu un compresor antrenat de o turbină cu gaz (Figura 17).

Capacitatea de producție a acidului azotic conform schemei care funcționează la o presiune de 0,716 MPa este determinată de numărul de unități. Capacitatea unei unități este de 120 mii tone/an (100% HNO3). Numărul de unități din schemă este determinat de nevoia de magazine de procesare a acidului azotic.

În fiecare unitate se efectuează: prepararea amestecului amoniac-aer (curățarea și comprimarea aerului, evaporarea amoniacului lichid, purificarea amoniacului gazos și a amestecului amoniac-aer); conversia amoniacului; utilizarea căldurii de formare a oxizilor de azot; răcirea gazelor azotate; obținerea acidului azotic; încălzire cu gaze reziduale; purificarea de oxizi de azot și recuperarea energiei gazoase în turbina cu gaz și cazanul de căldură reziduală.

În plus, schema include unități de preparare a apei de alimentare pentru alimentarea cazanelor de căldură reziduală, răcire condens sau apă demineralizată pentru irigarea coloanelor de absorbție, reducerea aburului la parametrii necesari, stocarea acidului azotic generat și distribuirea acestuia către consumatori.

Figura 17 - Diagrama producerii acidului azotic sub presiune cu acţionarea compresorului de la o turbină cu gaz: 1 - filtru de aer; 2 - turbocompresor al primei trepte; 3 - frigider intermediar; 4 - turbocompresor din a doua etapă; 5 - turbină cu gaz; 6 - cutie de viteze; 7 - motor-generator; 8 - încălzitor de aer; 9 - mixer amoniac cu aer; 10 - încălzitor de aer; 11 - filtru poros; 12 - convertor; 13 - cazan de căldură reziduală; 14 - un vas pentru oxidarea gazelor azotate; 15 - frigider - condensator; 16 - coloana de absorbtie; 17 - convertor; 18 - cazan de căldură reziduală

Aerul atmosferic este aspirat prin filtrul 1 de către turbocompresorul primei trepte 2 și comprimat la 0,2-0,35 MPa. Datorită compresiei, aerul este încălzit la 175 . După răcire la 30-45 în frigiderul 3, aerul intră în turbocompresorul celei de-a doua trepte 4, unde este comprimat la o presiune finală de 0,73 MPa și încălzit la 125-135 . Încălzire suplimentară cu aer până la 270 apare în încălzitorul 8 din cauza căldurii gazelor azotate fierbinți care părăsesc convertizorul. Aerul cald intră mai departe în mixer 9.

Amoniacul sub presiune de 1,0-1,2 MPa este încălzit la 150°C în încălzitorul 10 cu vapori de apă și intră în mixerul 9, unde se amestecă cu aerul. Amestecul rezultat de amoniac-aer, care conține 10-12% NH3, este filtrat în filtrul porolitic 11 și intră în convertorul 12, unde pe un catalizator de platină-rodiu la o temperatură de 890-900°C. amoniacul este oxidat în oxid nitric. Căldura gazelor care părăsesc convertizorul este utilizată în cazanul de căldură reziduală 13 pentru a produce abur, în timp ce gazele sunt răcite la 260°C. .

Apoi, gazele trec printr-un filtru de captare a platinei, situat în partea superioară a vasului gol 14. În vasul 14, NO este oxidat la NO2 (grad de oxidare 80%), în urma căruia amestecul de gaz este încălzit până la 300-310 și intră în încălzitorul de aer 8, unde este răcit la 175 . Utilizarea în continuare a căldurii gazelor azotate devine neprofitabilă, astfel încât acestea sunt răcite cu apă în frigider 16 până la 50-55 . Concomitent cu răcirea gazului din frigiderul 16 are loc condensarea vaporilor de apă și formarea acidului azotic ca rezultat al interacțiunii apei cu dioxidul de azot. Concentrația acidului rezultat nu depășește 52% HNO3, randamentul este de aproximativ 50% din capacitatea totală a instalației.

Din răcitorul 15, gazele azotate intră în coloana de absorbție 16 cu plăci de sită, unde NO2 este absorbit de apă pentru a forma acid azotic (concentrație de până la 55%). Pe plăcile coloanei de absorbție sunt așezate 16 serpentine (elemente de refrigerare), prin care circulă apa pentru a îndepărta căldura degajată în timpul formării acidului azotic.

Pentru a curăța gazele de eșapament de oxizi de azot, acestea sunt încălzite la 370-420 ° C, li se adaugă o cantitate mică de gaz natural și se trimite la convertor (reactor) 17. Aici, în prezența unui catalizator de paladiu, apar urmatoarele reactii:

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

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

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

Deoarece aceste reacții au loc cu eliberarea de căldură, temperatura gazelor crește la 700-730 . Aceste gaze intră în turbina 5 la o presiune de 0,5-0,6 MPa, care antrenează turbocompresoarele 2 și 4, care comprimă aerul. După aceea, gazele la o temperatură de aproximativ 400 intră în cazanul de căldură reziduală 19, care primește abur de joasă presiune.

Turbocompresoarele din prima și a doua etapă 2 și 4, precum și turbina cu gaz 5 sunt o singură unitate. Turbina primei trepte 2 și turbina cu gaz 5 sunt situate pe un arbore comun și sunt conectate printr-o cutie de viteze 6 la turbina din a doua treaptă 4 și un motor electric 7. Această unitate vă permite să utilizați cea mai mare parte a energiei cheltuite pe comprimarea aerului, reducând astfel în mod semnificativ consumul de energie.

7. CALCULUL BILANȚURILOR MATERIALE ȘI TERMICE ALE REACTORULUI

7.1 Calculul bilanțului de materiale al reactorului

1) Calculați volumul necesar de aer:

2) Volumele furnizate cu aer, nm3:

a) vapori de apă

b) aer uscat

3) Calculați volumele de oxigen, azot și argon, care vin odată cu aerul, pe baza procentului lor în aer

) Aflați volumele formate prin reacția (14), nm ³ /h:

a) oxid nitric

b) vapori de apă

5) Să se determine volumele formate prin reacția (15), nm ³ /h:

a) azot

b) vapori de apă

c) oxigenul consumat în timpul acestei reacţii

6) Calculăm volumele din gaz după oxidarea amoniacului, nm ³ /h:

a) oxigen

b) azot

c) argon

d) vapori de apă

7) Bilanțul efectiv de materiale poate fi calculat dacă volumele debitelor la intrarea în aparatul de contact și la ieșirea acestuia sunt recalculate în mase, în timp ce bilanțul de materiale trebuie respectat.

Venire:

Consum:

Să completăm tabelul pentru bilanțul de materiale (Tabelul 6).

Tabelul 6

Venituri Flux Componenta Cantitate Componenta Cantitate 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

Discrepanță de echilibru

7.2 Calculul bilanţului termic al reactorului

Să găsim temperatura tx la care este necesară încălzirea amestecului amoniac-aer pentru a asigura caracterul autotermic al procesului de oxidare a amoniacului.

1) Calculați volumul total al amestecului amoniac-aer

) Determinați concentrația componentelor amestecului amoniac-aer, % (vol.):

a) amoniac

b) aer uscat

c) vapori de apă

3) Calculați capacitatea termică medie a amestecului amoniac-aer

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),

unde 35,8; 28.7 și 32.6 - capacități termice ale amoniacului, aerului uscat și vaporilor de apă, kJ/(kmol K).

) Să se determine căldura introdusă de amestecul amoniac-aer

) Calculăm căldura degajată în timpul reacției (14) și (16)

sau 17030 kW, unde 905800 și 126660 sunt căldurile eliberate în timpul formării oxidului de azot și azotului conform reacțiilor (14) și (16).

) Aflați volumul total de gaz azot care intră în cazanul de căldură reziduală

7) Determinați concentrația componentelor gazului azot, % (vol.):

a) oxid nitric

b) oxigen

c) argon

d) azot

e) vapori de apă

8) Calculați capacitatea termică medie a gazului azotat:

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)

unde 31,68; 32,3; 20,78; 30.8 și 37.4 - capacități termice ale componentelor gazului azot la o temperatură de 900 , kJ/(kmol K).

9) Pentru încălzirea cu abur de la 198 până la 250 în supraîncălzitor este necesar să eliminați căldura:

1880 kW, unde 800 10 ³ și 1082 10 ³ J/kg - entalpii specifice aburului supraîncălzit la temperaturi de 198 și 250 și presiuni de 1,5 MPa și 3,98 MPa.

10) Temperatura gazelor azotate la ieșirea aparatului de contact este determinată din ecuația de echilibru termic pentru această secțiune:

6768 106 = 64631 1,66 10³(900 - t2)

11) Calculăm căldura transportată de gazele azotate. Luați în considerare cazul în care aparatul de contact și cazanul de căldură reziduală sunt montate ca un singur aparat:

12) Determinați pierderea de căldură către mediu

Echivalând intrarea de căldură cu debitul, compunem ecuația de echilibru termic și o rezolvăm în raport cu tx:

Completați tabelul pentru echilibrul termic (Tabelul 7).

Tabelul 7

Intrare, kWConsum, kW Căldură introdusă de amestecul de amoniac-aer6369,2Căldură pentru încălzirea vaporilor de apă în supraîncălzitor1880Căldură transportată de gaze azotate20584,3Căldură degajată în timpul reacției (14) și (16)17030,6Pierderi în mediu935,9Total.80232394.

Discrepanță de sold:

8. SIGURANȚA ȘI MEDIUL INDUSTRIAL

Pentru a asigura un mod de funcționare sigur în producția de acid azotic neconcentrat sub presiune ridicată, este necesar să se respecte cu strictețe reglementările tehnologice, instrucțiunile de protecție a muncii pentru locurile de muncă, instrucțiunile pentru protecția muncii și siguranța industrială ale departamentului, instrucțiunile pentru anumite tipuri de muncă.

Personalul de service are voie să lucreze în hainele de lucru și încălțămintea de siguranță prevăzute de norme, fiind obligat să aibă cu el echipament individual de protecție funcțional. Echipamentul de protecție (mască de gaz individuală) trebuie verificat în fiecare schimb înainte de începerea lucrului.

Persoanele care deservesc mecanismele trebuie să cunoască regulile Gosgortekhnadzor referitoare la echipamentul care este întreținut. Persoane care deservesc echipamentele de supraveghere a cazanului - reguli de supraveghere a cazanului.

Preveniți încălcările regimului tehnologic normal în toate etapele procesului.

Efectuați lucrări numai la echipamente deservite, dotate cu toate dispozitivele de siguranță necesare și funcționale corespunzător, dispozitive de instrumentare și control, alarme și interblocări.

Când predați echipamentele și comunicațiile pentru reparații, în care este posibilă acumularea de amoniac, purjați echipamentele și comunicațiile cu azot până când nu există combustibili în azotul de purjare.

Înainte de a umple aparatele și comunicațiile cu amoniac după repararea lor, purjați cu azot până când conținutul de oxigen din azotul de purjare nu depășește 3,0% (vol.).

Nu permiteți repararea comunicațiilor, fitingurilor, echipamentelor sub presiune. Reparațiile trebuie efectuate după depresurizarea și închiderea zonei reparate cu dopuri. Echipamentele, comunicațiile care urmează să fie reparate trebuie să fie suflate sau spălate.

Pentru a evita șocurile hidraulice, aburul trebuie furnizat lent la conductele de abur rece, asigurând o încălzire suficientă cu evacuarea condensului pe toată lungimea conductei. Ieșirea aburului uscat din canalizare indică o încălzire suficientă a conductei.

Nu porniți echipamente electrice cu împământare defectuoasă.

Nu permiteți repararea echipamentelor cu acționare electrică, fără a îndepărta tensiunea de la motoarele electrice.

Reparațiile și reglarea instrumentelor de control și măsură și a echipamentelor electrice se efectuează numai de către serviciile departamentului operator șef de instrumente și electricieni.

Este interzisa folosirea focului deschis in spatiile de productie si depozitare: fumatul este permis in locurile amenajate in acest scop.

Toate părțile rotative ale echipamentului (jumătățile de cuplare), rotoarele ventilatoarelor rotative de pe arborii motoarelor electrice trebuie să fie bine fixate și îngrădite și vopsite în roșu.

Conexiunile cu flanșe ale liniilor de acid trebuie protejate cu capace de protecție.

Strângerea șuruburilor conexiunilor cu flanșe ale conductelor, precum și lucrările la echipamente sub presiune nu sunt permise.

Aparatele care funcționează sub presiune trebuie să îndeplinească cerințele stabilite în specificațiile tehnice și regulile pentru proiectarea și funcționarea în siguranță a vaselor și comunicațiilor care funcționează sub presiune.

Lucrările în nave închise trebuie efectuate în prezența unui permis de muncă pentru efectuarea de lucrări periculoase cu gaze.

Ventilația trebuie să fie în stare bună și să funcționeze permanent.

Întreținerea mecanismelor de ridicare, a recipientelor sub presiune se realizează numai de către persoane special instruite și care dețin un certificat special.

Apropierile de dulapuri de urgență, detectoare de incendiu, telefoane, echipamente de incendiu nu au voie să fie aglomerate cu obiecte străine, acestea trebuie păstrate curate și în stare bună.

Deschiderile deschise din tavane, platforme, alei ar trebui să aibă garduri înalte de 1 m. În partea de jos a gardului trebuie să existe o laterală sau o bandă de protecție de 15 cm înălțime.

Toate instrumentele și sistemele de automatizare și blocare trebuie să fie în stare bună.

Pentru a preveni depunerea sărurilor de nitriți-nitrați pe suprafețele interioare ale aparatelor și conductelor, palelor rotorului, pereților compresoarelor cu gaz azotat și a altor părți și aparate, preveniți aprinderea prelungită a aparatelor de contact (mai mult de 20 de minute), scăzând temperatura catalizatorului tifon, ruperea acestora, ducând la alunecări de amoniac, încetarea irigarii suprafețelor, ceea ce duce la depunerea de săruri nitriți-nitrat.

Ștergeți în timp util, curățați echipamentul de scurgeri de produse de proces, completați ulei în carterurile pompei.

Locurile de lucru pentru reparații și alte lucrări și trecerile către acestea la o înălțime de 1,3 m sau mai mult trebuie să fie împrejmuite.

Dacă este imposibil sau nepotrivit să instalați garduri pentru lucru la o înălțime de 1,3 m și mai sus, precum și atunci când lucrați de pe o scară la o înălțime mai mare de 1,3 m, este necesar să folosiți centurile de siguranță, în timp ce se află la locul de munca trebuie sa existe muncitori auxiliari care sa fie pregatiti sa-l ajute pe muncitor.la sus. Locul de fixare a carabinierei este determinat de șeful de lucru.

Centurile de siguranță sunt testate înainte de punere în funcțiune, precum și în timpul funcționării la fiecare 6 luni. Centura de siguranță trebuie să fie etichetată cu numărul de înregistrare și data următorului test.

Când lucrați cu acid azotic (prelevare de probe, inspecția comunicațiilor, începerea producției de pompe de acid, etc.), este necesar să utilizați protecție individuală pentru căile respiratorii și pentru ochi (mască de gaz filtrantă cu o cutie marca M, ochelari de protecție cu semimască de cauciuc sau o masca de protecție). scut din plexiglas, sau o cască cu mască de gaz), mănuși de cauciuc rezistente la acizi, îmbrăcăminte specială rezistentă la acizi.

Dacă sunt detectate eventuale disfuncționalități în funcționarea echipamentului, defecte la suporturi, pereți etc. informați în timp util șeful departamentului, mecanicul magazinului. Dacă este necesar, opriți echipamentul și pregătiți-l pentru livrare pentru reparație.

La fiecare oprire a unității pentru reparație, deschideți trapa inferioară a oxidantului și, în prezența sărurilor de amoniu pe grila de distribuție, de-a lungul pereților și fundului, aburiți-l cu abur viu, scurgeți condensul.

Lucrul cu abur, condensul de abur trebuie efectuat în salopete, încălțăminte, mănuși.

Pentru a preveni intoxicațiile și bolile profesionale în departament, trebuie respectate următoarele cerințe sanitare și igienice:

a) temperatura aerului trebuie să fie:

23- perioada de tranziție și de iarnă;

18-27- perioada de vara.

b) umiditatea relativa a aerului:

vara - nu mai mult de 75%;

iarna - nu mai mult de 65%.

c) zgomot - nu mai mult de 65 dBA în cabinele izolate fonic, în alte locuri nu mai mult de 80 dBA;

d) vibrații - nu mai mult de 75 dB în cabinele izolate fonic, în sălile motoare și contact nu mai mult de 92 dB;

e) iluminarea locurilor de munca:

cabine izolate fonic - minim 200 lux;

la locurile coloanelor de absorbție - cel puțin 50 de lux;

în încăperile motoarelor și de contact - cel puțin 75 lux.

f) concentrația maximă admisă de substanțe nocive în aerul zonei de lucru a incintei:

amoniac - nu mai mult de 20 mg/m3;

oxizi de azot - nu mai mult de 5 mg/m3.

Pe lângă măștile de gaz individuale, departamentul are o aprovizionare de urgență cu măști de gaz filtrante și izolante.

Măștile de gaz de urgență sunt depozitate în dulapuri de urgență.

CONCLUZIE

În cursul cursului, a fost proiectat un reactor pentru oxidarea catalitică a amoniacului pentru a produce oxizi de azot în producerea acidului azotic neconcentrat.

S-au luat în considerare bazele fizice și chimice ale procesului. Sunt date caracteristicile materiei prime inițiale și ale produsului finit.

Volumul necesar de aer pentru oxidare a fost calculat la 5900 m ³ / h de amoniac, s-a ridicat la 54304 m ³ /h Volumele de oxigen, azot și argon furnizate cu aer au fost calculate pe baza procentului lor în aer. Au fost calculate și volumele de oxigen, azot, argon și vapori de apă din gaz după oxidarea amoniacului.

S-a calculat bilanţul termic, în urma căruia s-au calculat toate fluxurile de căldură. S-a calculat temperatura la care este necesară încălzirea amestecului amoniac-aer pentru a asigura procesul autotermic de oxidare a amoniacului; a fost 288 . Temperatura gazului azot după calcularea supraîncălzitorului a fost de 836,7 . Se determină pierderile de căldură către mediu.

S-a făcut o trecere în revistă a literaturii de specialitate privind cea mai eficientă schemă de producere a acidului azotic neconcentrat. S-a ales un sistem care funcționează la presiune mare, deoarece această unitate este compactă, toate dispozitivele sunt transportabile, ciclul energetic al unității este autonom. În schema avută în vedere, energia electrică nu este consumată pentru nevoi tehnologice. Energia electrică este consumată în cantitate mică doar pentru a antrena pompele necesare pompării acidului, furnizând apă de alimentare la cazane. Lucrările conform acestei scheme se desfășoară fără emisii de gaze nocive în atmosferă.

REFERINȚE

1. Atroșcenko V.I., Kargin S.I. Tehnologia acidului azotic: Proc. Alocație pentru universități. - Ed. a 3-a, revizuită. si suplimentare - M.: Chimie, 1970. - 496 p.

Egorov A.P. Shereshevsky A.I., Shmanenko I.V. Tehnologia chimică generală a substanțelor anorganice: Manual pentru școlile tehnice. - Ed. a 4-a revizuire - Moscova, Leningrad: Chimie, 1965 - 688s.

Karavaev M.M., Zasorin A.P., Kleschev N.F. Oxidarea catalitică a amoniacului / Ed. Karavaeva M.M. - M.: Chimie, 1983. - 232 p.

Catalizatori în industria azotului./Ed. Atroșcenko V.I. - Harkov: școala Vișcha, 1977. - 144 p.

Tehnologia chimică generală. Sub redactia prof. Amelina A.G. Moscova: Chimie, 1977. - 400 s.

Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Exemple și sarcini în cursul proceselor și aparatelor de tehnologie chimică. L .: Chimie, 1976 - 552s.

Perlov E.I., Bagdasaryan V.S. Optimizarea producției de acid azotic. M.: Chimie, 1983. - 208 p.

Calcule pentru tehnologia substantelor anorganice: Proc. Manual pentru universități / Pozin M.E., Kopylev B.A., Belchenko G.V. si etc.; Ed. Pozina M.E. a 2-a ed. revizuit si suplimentare - L.: Chimie. Leningrad. catedra, 1977 - 496 p.

Rumyantsev O.V. Echipamente pentru ateliere de sinteză de înaltă presiune din industria azotului; Proc. pentru universităţi.- M.: Chimie, 1970 - 376 p.

10. Sokolov R.S. Tehnologia chimică: manual. indemnizație pentru studenți. superior manual instituţii: În 2 T. - M .: Humanit ed. centru VLADOS, 2000. - V.1: Producția chimică în activitatea antropică. Întrebări de bază ale tehnologiei chimice. Producția de substanțe anorganice. - 368 p.

Manualul lui Azotchik./Ed. Melnikova E.Ya. - V.2: Producerea acidului azotic. Producția de îngrășăminte cu azot. Materiale și echipamente speciale de bază. Alimentare cu energie. Ingineria sigurantei. - M.: Chimie - 1969. - 448s.

Tehnologia chimică a substanțelor anorganice: În 2 cărți. Cartea 1. Manual / T.G. Ahmetov, R.G. Porfiryeva, L.G. Gysin. - M.: Mai sus. scoala, 2002. 688s.: ill.

Korobochkin V.V. Tehnologia acidului azotic. - Editura Universității Politehnice din Tomsk. 2012.