Vad är salpeter gjord av? Produktion av ammoniumnitrat

Ammoniumnitrat erhålls genom att neutralisera salpetersyra med gasformig ammoniak enligt reaktionen:

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

Denna nästan irreversibla reaktion fortskrider i hög hastighet och med frigöring av en betydande mängd värme. Vanligtvis utförs det vid ett tryck nära atmosfärstryck; i vissa länder arbetar neutraliseringsanläggningar med ett tryck på 0,34 MPa. Vid framställning av ammoniumnitrat används utspädd 47-60% salpetersyra.

Värmen från neutralisationsreaktionen används för att indunsta vattnet och koncentrera lösningen.

Industriell produktion inkluderar följande steg: neutralisering av salpetersyra med gasformig ammoniak i ITN-apparaten (användning av neutraliseringsvärme); indunstning av saltpeterlösning, saltpetersmältgranulering, granulkylning, bearbetning av ytaktiva granuler, salpeterförpackning, lagring och lastning, gasutsläpp och avloppsvattenrening. Tillsatser införs under neutraliseringen av salpetersyra.

Figur 1 visar ett diagram över en modern stortonnage AS-72-enhet med en kapacitet på 1360 ton/dag.

Ris. ett.

1 - syravärmare; 2 - ammoniakvärmare; 3 - ITN-enheter; 4 - neutralisator; 5 - förångare; 6 - trycktank; 7, 8 - granulatorer; 9, 23-fans; 10 - tvättskrubber; 11 - trumma; 12.14 - transportörer; 13 - hiss; Apparater med 15 fluidiserad bädd; 16 - granuleringstorn; 17 - samling; 18, 20 - pumpar; 19 - tank för simning; 21-filter för simning; 22 - luftvärmare

Den inkommande 58-60% salpetersyra värms i värmaren 1 till 70-80 o C med juiceånga från apparaten ITN 3 och matas till neutralisering. Före apparat 3 tillsätts termiska fosfor- och svavelsyror till salpetersyra i en mängd av 0,3-0,5% P2O5 och 0,05-0,2% ammoniumsulfat, räknat på den färdiga produkten.

Svavelsyra och fosforsyror tillförs av kolvpumpar, vars prestanda regleras enkelt och exakt. Enheten är utrustad med två neutraliseringsanordningar som arbetar parallellt. Här tillförs även gasformig ammoniak, uppvärmd i värmaren 2 med ångkondensat till 120-130 ° C. Mängden tillförd salpetersyra och ammoniak regleras så att lösningen har ett litet överskott av salpetersyra vid utloppet av ITN-apparaten , vilket säkerställer fullständig absorption av ammoniak.

I den nedre delen av apparaten är neutralisering av syror vid en temperatur av 155-170°C för att erhålla en lösning innehållande 91-92% NH4NO3. I den övre delen av apparaten tvättas vattenånga (den så kallade juiceångan) från stänk av ammoniumnitrat och HN03-ånga. En del av värmen från juiceångan används för att värma salpetersyran. Därefter skickas juiceångan för rengöring i tvättskrubber och släpps sedan ut i atmosfären.

En sur lösning av ammoniumnitrat skickas till neutralisatorn 4, där ammoniak tillförs i den mängd som är nödvändig för att neutralisera lösningen. Därefter matas lösningen in i förångaren 5 på douparen, som är vattenånga vid ett tryck av 1,4 MPa och luft upphettas till ca 180°C. Den resulterande smältan, innehållande 99,8-99,7% salpeter, passerar genom ett filter 21 vid 175°C och matas av en nedsänkbar centrifugalpump 20 in i en trycktank 5 och sedan in i ett rektangulärt metallgranuleringstorn 16 med en längd av 11 m , en bredd av 8 m och en höjd av topp till konen 52,8 m.

I den övre delen av tornet finns granulatorer 7 och 8; luft tillförs till den nedre delen av tornet, kylande droppar av salpeter, som förvandlas till granulat. Fallhöjden för salpeterpartiklar är 50--55m. Utformningen av granulatorerna säkerställer produktionen av granuler med en enhetlig granulometrisk sammansättning med ett minimalt innehåll av små granuler, vilket minskar infångningen av damm från tornet med luft. Temperaturen på granulerna vid tornets utlopp är 90--110°C, så de skickas för kylning till den fluidiserade bäddapparaten 15. Den fluidiserade bäddapparaten är en rektangulär apparat med tre sektioner och utrustad med ett galler med hål . Luft tillförs under gallret av fläktar, vilket skapar ett fluidiserat lager av salpetergranulat 100--150 mm högt, som kommer genom transportören från granuleringstornet. Det sker en intensiv kylning av granulerna till en temperatur av 40°C (men inte högre än 50°C), vilket motsvarar villkoren för existensen av modifikation IV. Om temperaturen på kylluften är under 15°C, värms luften upp i värmeväxlaren till 20°C innan den går in i apparaten med fluidiserad bädd. Under den kalla tidsperioden kan 1-2 sektioner vara i drift.

Luften från anordningen 15 kommer in i granuleringstornet för bildning av granuler och deras kylning.

Ammoniumnitratgranuler från den fluidiserade bäddapparaten matas av transportören 14 för behandling med ett ytaktivt ämne till en roterande trumma 11. Här sprayas granulerna med en sprutad 40% vattenlösning av NF-dispergermedlet. Därefter passerar salpetern genom en elektromagnetisk separator för att separera oavsiktligt instängda metallföremål och skickas till bunkern och sedan för vägning och förpackning i pappers- eller plastpåsar. Påsar transporteras med en transportör för lastning i vagnar eller till ett lager.

Luften som lämnar den övre delen av granuleringstornet är förorenad med ammoniumnitratpartiklar, och saftångan från neutralisatorn och ång-luftblandningen från förångaren innehåller oreagerad ammoniak och salpetersyra och partiklar av medbringat ammoniumnitrat. För rengöring i den övre delen av granuleringstornet installeras sex parallellt arbetande skrubbers 10 av tvättplattor, som bevattnas med en 20-30% lösning av ammoniumnitrat, som tillförs av en pump 18 från tanken. En del av denna lösning avleds till ITN-neutralisatorn för att tvätta juiceångan och blandas sedan med ammoniumnitratlösningen och går därför till produktion av produkter.

En del av lösningen (20-30%) dras kontinuerligt ut från cykeln, så cykeln töms och fylls på med tillsats av vatten. Vid utloppet av varje skrubber installeras en fläkt 9 med en kapacitet på 100 000 m 3 / h, som suger luft från granuleringstornet och släpper ut den i atmosfären.

Ammoniumnitrat, eller ammoniumnitrat, NH 4 NO 3 är ett vitt kristallint ämne som innehåller 35 % kväve i ammonium- och nitratformen, båda kväveformerna absorberas lätt av växter. Granulärt ammoniumnitrat används i stor skala före sådd och för alla typer av toppdressing. I mindre skala används den för tillverkning av sprängämnen.

Ammoniumnitrat löser sig väl i vatten och har en hög hygroskopicitet (förmågan att absorbera fukt från luften), vilket gör att gödselkornen sprids, förlorar sin kristallina form, gödselkakning uppstår - bulkmaterialet förvandlas till en solid monolitisk massa.

Schematiskt diagram över produktionen av ammoniumnitrat

För att erhålla ett praktiskt taget icke-kakande ammoniumnitrat används ett antal tekniska metoder. Ett effektivt sätt att minska hastigheten för absorption av fukt av hygroskopiska salter är deras granulering. Den totala ytan av homogena granulat är mindre än ytan av samma mängd fint kristallint salt, därför absorberar granulära gödselmedel fukt långsammare från

Ammoniumfosfater, kaliumklorid, magnesiumnitrat används också som liknande tillsatser. Produktionsprocessen för ammoniumnitrat är baserad på en heterogen reaktion av interaktionen av gasformig ammoniak med en lösning av salpetersyra:

NH3 + HNO3 \u003d NH4NO3; ΔН = -144,9kJ

Den kemiska reaktionen fortskrider i hög hastighet; i en industriell reaktor begränsas den av upplösningen av gasen i vätskan. Blandning av reaktanterna är av stor betydelse för att minska diffusionsfördröjningen.

Den tekniska processen för framställning av ammoniumnitrat inkluderar, förutom steget att neutralisera salpetersyra med ammoniak, stegen av förångning av salpeterlösningen, granulering av smältan, kylning av granulat, behandling av granuler med ytaktiva ämnen, packning, lagring och lastning salpeter, reningsgasutsläpp och avloppsvatten. På fig. 8.8 visar ett diagram över en modern enhet med stor kapacitet för produktion av ammoniumnitrat AS-72 med en kapacitet på 1360 ton / dag. Den ursprungliga 58-60% salpetersyran värms i värmaren till 70 - 80°C med juiceånga från apparaten ITN 3 och matas till neutralisering. Före apparat 3 tillsätts fosfor- och svavelsyror till salpetersyra i sådana mängder att den färdiga produkten innehåller 0,3-0,5% P2O5 och 0,05-0,2% ammoniumsulfat. Enheten är utrustad med två ITN-enheter som arbetar parallellt. Förutom salpetersyra tillförs gasformig ammoniak till dem, förvärmd i värmaren 2 med ångkondensat till 120-130°C. Mängderna salpetersyra och ammoniak som tillförs regleras på ett sådant sätt att lösningen vid utloppet av ITN-apparaten har ett litet överskott av syra (2–5 g/l), vilket säkerställer fullständig absorption av ammoniak.

I den nedre delen av apparaten äger en neutralisationsreaktion rum vid en temperatur av 155-170°C; detta ger en koncentrerad lösning innehållande 91-92 % NH4NO3. I den övre delen av apparaten tvättas vattenånga (den så kallade juiceångan) från stänk av ammoniumnitrat och salpetersyraånga. En del av värmen från juiceångan används för att värma salpetersyran. Sedan skickas juiceångan för rening och släpps ut i atmosfären.

Fig. 8.8 Schema för AS-72 ammoniumnitratenhet:

1 - syravärmare; 2 - ammoniakvärmare; 3 – ITN-enheter; 4 - efterneutraliserare; 5 - förångare; 6 - trycktank; 7.8 - granulatorer; 9,23 - fans; 10 – tvättskrubber; 11 - trumma; 12.14 - transportörer; 13 - hiss; 15 – apparater med fluidiserad bädd; 16 - granuleringstorn; 17 - samling; 18, 20 - pumpar; 19 - tank för simning; 21 - filter för simning; 22 - luftvärmare.

En sur lösning av ammoniumnitrat skickas till neutralisatorn 4; där ammoniak kommer in, nödvändigt för interaktion med den återstående salpetersyran. Därefter matas lösningen in i förångaren 5. Den resulterande smältan, innehållande 99,7-99,8% nitrat, passerar genom filtret 21 vid 175°C och matas in i trycktanken 6 av en nedsänkbar centrifugalpump 20 och sedan in i den rektangulära metallgranuleringstorn 16.

I den övre delen av tornet finns granulatorer 7 och 8, vars nedre del tillförs luft, som kyler ner de uppifrån fallande salpeterdropparna. Under salpeters fall från en höjd av 50-55 m bildas gödselgranuler när luft strömmar runt dem. Temperaturen på pelletsen vid tornets utlopp är 90-110°C; de heta granulerna kyls i en fluidiserad bäddapparat 15. Detta är en rektangulär apparat med tre sektioner och utrustad med ett galler med hål. Fläktar tillför luft under gallret; detta skapar en fluidiserad bädd av nitratgranuler som kommer genom transportören från granuleringstornet. Luften efter kylning kommer in i granuleringstornet. Granulat av ammoniumnitrattransportör 14 serveras för behandling med ytaktiva ämnen i en roterande trumma. Sedan skickas det färdiga gödselmedlet till förpackningen av transportören 12.

Luften som lämnar granuleringstornet är förorenad med ammoniumnitratpartiklar, och saftångan från neutralisatorn och ång-luftblandningen från förångaren innehåller oreagerad ammoniak och salpetersyra, samt partiklar av bortfört ammoniumnitrat.

För att rena dessa strömmar i granuleringstornets övre del finns sex parallellt arbetande tvättplattor 10, bevattnade med en 20-30% lösning av ammoniumnitrat, som tillförs av pump 18 från samling 17. En del av denna lösning avleds till ITN-neutralisatorn för att tvätta juiceånga och blandas sedan med en lösning av salpeter och används därför för att tillverka produkter. Den renade luften sugs ut ur granuleringstornet av fläkten 9 och släpps ut i atmosfären.

Den tekniska processen för produktion av ammoniumnitrat består av följande huvudsteg: neutralisering av salpetersyra med gasformig ammoniak, förångning av en ammoniumnitratlösning, kristallisering och granulering av smältan.

Gasformig ammoniak från värmare 1 och salpetersyra från värmare 2 vid en temperatur av 80-90 0 C kommer in i ITP 3-apparaten. För att minska förlusten av ammoniak, tillsammans med ånga, utförs reaktionen i ett överskott av syra. Ammoniumnitratlösningen från anordningen 3 neutraliseras i efterneutralisatorn 4 med ammoniak och går in i förångaren 5 för indunstning i ett rektangulärt granuleringstorn 16.

Fig.5.1. Teknologiskt schema för framställning av ammoniumnitrat.

1 - ammoniakvärmare, 2 - salpetersyravärmare, 3 - ITN-apparat (med neutraliseringsvärme), 4 - ytterligare neutralisator, 5 - förångare, 6 - trycktank, 7,8 - granulatorer, 9,23 - fläktar, 10 - tvättskrubber, 11-trummor, 12,14- transportörer, 13-hiss, 15-fluidiserad bäddapparat, 16-granuleringstorn, 17-kollektor, 18,20-pumpar, 19-float-tank, 21-float-filter, 22 - luftvärmare.

I den övre delen av tornet finns granulatorer 7 och 8, vars nedre del tillförs luft, vilket kyler de uppifrån fallande salpeterdropparna. Under salpeters fall från en höjd av 50-55 meter, när luft strömmar runt dem, bildas granuler som kyls i en fluidiserad bäddapparat 15. Detta är en rektangulär apparat med tre sektioner och ett galler med hål. Fläktar tillför luft under gallret. En fluidiserad bädd av salpetergranulat skapas, som kommer från granuleringstornet genom en transportör. Luften efter kylning kommer in i granuleringstornet.

Granulat av ammoniumnitrattransportör 14 serveras för bearbetning med ytaktiva ämnen i en roterande trumma 11. Därefter skickas den färdiga gödseltransportören 12 till förpackningen.

Luften som lämnar granuleringstornet är förorenad med ammoniumnitrat, och saftångan från neutralisatorn innehåller oreagerad ammoniak och salpetersyra, samt partiklar av bortfört ammoniumnitrat. För att rena dessa strömmar i den övre delen av granuleringstornet finns sex parallellt arbetande skrubbers 10 av tvättplattor, sköljda med en 20-30% lösning av salpeter, som tillförs av pumpen 18 från samlingen 17 till en lösning av salpeter, och används därför för att tillverka produkter. Den renade luften sugs ut ur granuleringstornet av fläkten 9 och släpps ut i atmosfären.

INTRODUKTION

Kväveindustrin är en av de snabbast växande industrierna.

Salpetersyra är en av utgångsprodukterna för framställning av de flesta kvävehaltiga ämnen och är en av de viktigaste syrorna.

När det gäller produktionsskala ligger salpetersyra på andra plats bland olika syror efter svavelsyra. Den stora omfattningen av produktionen förklaras av att salpetersyra och dess salter har blivit mycket viktiga i samhällsekonomin.

Konsumtionen av salpetersyra är inte begränsad till produktion av gödningsmedel. Den finner bred tillämpning i produktionen av alla typer av sprängämnen, ett antal tekniska salter, i den organiska syntesindustrin, i produktionen av svavelsyra, i raketteknik och i många andra grenar av den nationella ekonomin.

Den industriella produktionen av salpetersyra är baserad på katalytisk oxidation av ammoniak med atmosfäriskt syre, följt av absorption av de resulterande kväveoxiderna av vatten.

Syftet med detta kursprojekt är att överväga det första steget i produktionen av salpetersyra - kontaktoxidationen av ammoniak, samt beräkningen av reaktorns material- och värmebalanser.

I tekniska system för produktion av salpetersyra är processen för katalytisk oxidation av ammoniak viktig, eftersom den bestämmer tre huvudindikatorer - ammoniakförbrukning, investeringar och förluster av platinametaller, såväl som systemets energikapacitet. I detta avseende är förbättringen av processen för katalytisk oxidation av ammoniak av stor betydelse för produktionen av salpetersyra och mineralgödselmedel i allmänhet.

1. KARAKTERISTIKA HOS SALPETENSYRA

1.1 Varianter av salpetersyra

Inom industrin används 2 kvaliteter av salpetersyra: utspädd (svag) med en halt av 30-60% HNO3 och koncentrerad, innehållande 97-99% HNO3, samt en relativt liten mängd reaktiv och mycket ren salpetersyra. Kvaliteten på den producerade salpetersyran måste uppfylla de etablerade standarderna.

Enligt fysikalisk-kemiska parametrar måste koncentrerad salpetersyra uppfylla de standarder som anges i tabell 1.

Tabell 1 - Krav på kvaliteten på koncentrerad salpetersyra (GOST 701-89)

Kvaliteten på den producerade salpetersyran måste överensstämma med de etablerade standarderna som anges i tabellerna 2 och 3.

Tabell 2 - Kvalitetskrav för icke-koncentrerad salpetersyra (OST 6-03-270-76)

Tabell 3 - Krav på kvaliteten på salpetersyra (GOST 4461-67)

Content in %, not more 005Sulfates (SO42)-0.00020.00050.002Phosphates (PO43-)0.000020.00020.002Chlorides (Cl-)0.000050.00010.0005Iron (Fe)0.000020.00010.0003Calcium (Ca)0.00050 .0010.002Arsenic (As)0.0000020. 0000030.00001Tungmetaller (Pb)0.000020.00050.0005

1.2 Användning av salpetersyra

Salpetersyra används inom olika verksamhetsområden:

1)vid galvanisering och kromplätering av detaljer;

)för produktion av mineralgödselmedel;

)att skaffa sprängämnen (militär industri);

)vid tillverkning av läkemedel (läkemedel);

)erhållande av silvernitrat för fotografering;

)för etsning och gravering av metallformer;

)som ett råmaterial för att erhålla koncentrerad salpetersyra;

)inom hydrometallurgi;

)i smycken - det viktigaste sättet att bestämma guld i en guldlegering;

)för att erhålla aromatiska nitroföreningar - prekursorer av färgämnen, farmakologiska preparat och andra föreningar som används i fin organisk syntes;

)för att erhålla nitrocellulosa.

1.3 Egenskaper hos salpetersyra

3.1 Fysikaliska egenskaper hos salpetersyra

Salpetersyra är en av de starka enbasiska syrorna med en stickande kvävande lukt, är känslig för ljus och sönderdelas i starkt ljus till en av kväveoxiderna (även kallad brungas - NO2) och vatten. Därför är det önskvärt att förvara det i mörka behållare. I koncentrerat tillstånd löser det inte upp aluminium och järn, så det kan förvaras i lämpliga metallbehållare. Salpetersyra - är en stark elektrolyt (som många syror) och ett mycket starkt oxidationsmedel. Det används ofta i reaktioner med organiska ämnen.

Kväve i salpetersyra är fyrvärt, oxidationstillstånd +5. Salpetersyra är en färglös vätska som ryker i luften, smältpunkt -41,59 , kokpunkt +82,6 med partiell expansion. Lösligheten av salpetersyra i vatten är inte begränsad. Vattenlösningar av HNO3 med en massfraktion av 0,95-0,98 kallas "rykande salpetersyra", med en massfraktion av 0,6-0,7 - koncentrerad salpetersyra. Bildar en azeotrop blandning med vatten (massfraktion 68,4%, d20 = 1,41 g/cm, Tkok = 120,7 )

När den kristalliseras från vattenlösningar bildar salpetersyra kristallina hydrater:

) HNO3H2O-monohydrat, smältpunkt = -37,62 ;

2) HNO3 3H2O-trihydrat, smältpunkt = -18,47 .

Salpetersyra, liksom ozon, kan bildas i atmosfären vid blixtar. Kväve, som utgör 78 % av atmosfärsluften, reagerar med atmosfäriskt syre och bildar kväveoxid NO. Vid ytterligare oxidation i luft omvandlas denna oxid till kvävedioxid (brun gas NO2), som reagerar med luftfuktighet (moln och dimma) och bildar salpetersyra.

Men en så liten mängd är helt ofarlig för jordens och levande organismers ekologi. En volym salpetersyra och tre volymer saltsyra bildar en förening som kallas aqua regia. Det kan lösa metaller (platina och guld) som är olösliga i vanliga syror. När papper, halm, bomull införs i denna blandning kommer kraftig oxidation att ske, till och med antändning.

1.3.2 Kemiska egenskaper hos salpetersyra

Salpetersyra uppvisar olika kemiska egenskaper beroende på koncentrationen och vilket ämne den reagerar med.

Om salpetersyra är koncentrerad:

1) med metaller - järn (Fe), krom (Cr), aluminium (Al), guld (Au), platina (Pt), iridium (Ir), natrium (Na) - interagerar inte på grund av bildandet av ett skyddande film på deras yta , vilket inte tillåter ytterligare oxidation av metallen. Med alla andra metaller<#"justify">HNO3 konc + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1)

2) med icke-metaller<#"justify">HNO3 konc. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2)

Om salpetersyra är utspädd:

1) när den interagerar med alkaliska jordartsmetaller, såväl som med zink (Zn), järn (Fe), oxideras den till ammoniak (NH3) eller till ammoniumnitrat (NH4NO3). Till exempel, när du reagerar med magnesium (Mg):

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

Men lustgas (N2O) kan också bildas, till exempel vid reaktion med magnesium (Mg):

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

Reagerar med andra metaller och bildar kväveoxid (NO), löser till exempel silver (Ag):

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

2) reagerar på liknande sätt med icke-metaller, såsom svavel<#"justify">HNO3 utspädd + S = H2SO4 + 2NO (6)

Oxidation av svavel till bildning av svavelsyra och frisättning av gas - kväveoxid;

3) kemisk reaktion med metalloxider, till exempel kalciumoxid:

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

Salt (kalciumnitrat) och vatten bildas;

) kemisk reaktion med hydroxider (eller baser), till exempel med släckt kalk:

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

Salt (kalciumnitrat) och vatten bildas - en neutraliseringsreaktion;

) kemisk reaktion med salter, till exempel med krita:

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

Ett salt (kalciumnitrat) och en annan syra (i detta fall kolsyra, som sönderdelas till vatten och koldioxid) bildas.

6) beroende på den lösta metallen sker nedbrytningen av salt vid temperatur enligt följande:

a) vilken metall som helst (betecknad som Me) upp till magnesium (Mg):

MeNO2 + O2 (10)

b) alla metaller från magnesium (Mg) till koppar (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2 (11)

c) vilken metall som helst efter koppar (Cu):

3 = Me + NO2 + O2(12)

2. METODER FÖR ATT ERHÅLLA SALPETENSYRA

salpetersyrakatalysator ammoniak

Industriella metoder för att producera utspädd salpetersyra inkluderar följande steg:

erhållande av kväveoxid (II);

2) dess oxidation till kväveoxid (IV);

3) absorption av NO2 av vatten;

4) rening av avgaser (huvudsakligen innehållande molekylärt kväve) från kväveoxider.

Koncentrerad salpetersyra erhålls på två sätt:

1) den första metoden består i rektifiering av ternära blandningar innehållande salpetersyra, vatten och vattenavlägsnande ämnen (vanligtvis svavelsyra eller magnesiumnitrat). Som ett resultat erhålls ångor av 100% salpetersyra (som kondenserar) och vattenlösningar av avvattningsmedlet, det senare indunstas och återgår till produktion;

2) den andra metoden är baserad på reaktionen:

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

Vid ett tryck på 5 MPa och med ren O2 bildas 97-98 % syra, innehållande upp till 30 viktprocent kväveoxider. Målprodukten erhålls genom destillation av denna lösning. Salpetersyra med hög renhet erhålls genom destillation med 97-98,5 % salpetersyra i silikat- eller kvartsglasutrustning. Innehållet av föroreningar i en sådan syra är mindre än 110-6 viktprocent.

3. RÅMATERIALBAS I PRODUKTIONEN AV ICKE-KONCENTRERAD SALPETENSYRA

De huvudsakliga råvarorna för framställning av icke-koncentrerad salpetersyra är för närvarande ammoniak, luft och vatten. Hjälpmaterial och energiresurser är katalysatorer för ammoniakoxidation och avgasrening, naturgas, ånga och elektricitet.

1. Ammoniak. Under normala förhållanden är det en färglös gas med en stickande lukt, lättlöslig i vatten och andra lösningsmedel, bildar hemi- och monohydrater. En vändpunkt i utvecklingen av produktionen av syntetisk ammoniak var användningen av den idag dominerande metoden inom industrin för att framställa väte genom att omvandla metan som finns i naturgas till tillhörande petroleumgaser och raffinerade petroleumprodukter. Innehållet av föroreningar i flytande ammoniak regleras av GOST 6221-82. De mest typiska föroreningarna är: vatten, smörjoljor, katalysatordamm, glödskal, ammoniumkarbonat, lösta gaser (väte, kväve, metan). Om GOST bryts kan föroreningar som finns i ammoniak komma in i ammoniak-luftblandningen och minska produktionen av kväveoxid (II), och väte och metan kan ändra de explosiva gränserna för ammoniak-luftblandningen.

Luft. För tekniska beräkningar antas att torr luft innehåller [%, (vol.)]: N2 = 78,1, O2 = 21,0, Ar2 = 0,9, H2O = 0,1-2,8. Det kan också finnas spår av SO2, NH3, CO2 i luften. På området för industriområden är luften förorenad med damm av olika ursprung, såväl som olika komponenter i flyktiga gasutsläpp (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2, etc.). Mängden damm i luften är 0,5-1,0 mg/m3.

3. Vatten. Det används vid framställning av salpetersyra för bevattning av absorptionskolonnen, för att generera ånga under värmeåtervinning i spillvärmepannor, för kylning av reaktionsapparater. För absorption av kväveoxider används oftast ångakondensat och kemiskt renat vatten. I vissa system är det tillåtet att använda ammoniumnitratjuiceångkondensat. I vilket fall som helst bör vattnet som används för att bevattna kolonnerna inte innehålla fri ammoniak och fasta suspensioner, innehållet av kloridjoner bör inte överstiga 2 mg/l, oljor bör inte överstiga 1 mg/l, NH4NO3 bör inte överstiga 0,5 g/l . Kemiskt renat vatten för spillvärmepannor måste uppfylla kraven i GOST 20995-75. Processvatten avsett för värmeavledning i värmeväxlare och utrustningskylning (cirkulerande vatten) måste uppfylla följande krav: karbonathårdhet högst 3,6 mekv/kg, innehåll av suspenderade partiklar högst 50 mg/kg, pH-värde 6,5-8 ,5 .

4. Syre. Det används främst vid produktion av koncentrerad salpetersyra genom direkt syntes. I vissa fall används det för att berika ammoniak-luftblandningen när man erhåller icke-koncentrerad salpetersyra.

4. KONTAKTA OXIDATION AV AMMONIK

4.1 Fysikaliska och kemiska grunder för processen

Moderna metoder för produktion av salpetersyra är baserade på kontaktoxidation av ammoniak. Under oxidationen av ammoniak på olika katalysatorer och beroende på förhållandena inträffar följande reaktioner:

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

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

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

Förutom reaktioner (14-16) är andra också möjliga, som förekommer i katalysatorns ytnära skikt. Till exempel nedbrytningen av NO, interaktionen av N2O, NO2 och NH3:

NEJ N2+O2 (17)

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

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

Naturligtvis kommer reaktion (14) att vara "användbar". Termodynamiska beräkningar visar att reaktioner (14-16) praktiskt taget fortsätter till fullbordan.

Jämviktskonstanterna för omvända reaktioner (14-16) vid 900°C har följande värden

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

där k1 - NO + H2O; k2 - NH3 + O2.

Vid 900 den katalytiska omvandlingen av ammoniak till slutprodukter når 100 %, dvs processen är praktiskt taget irreversibel.

Emellertid återspeglar inte ekvationerna (14-16) processens faktiska mekanism, eftersom nio molekyler i detta fall skulle behöva kollidera samtidigt i reaktion (14); i reaktion (16) - sju molekyler. Det är nästan otroligt.

Flera mekanismer för ammoniakoxidation på katalysatorer har föreslagits. Skillnader i idéer om mekanismerna är följande:

1) bildandet av NO och N2 genom en mellanprodukt på katalysatorn;

2) bildandet av NO sker på katalysatorn och bildandet av N2 på katalysatorn och i gasvolymen.

Baserat på ovanstående (om jämviktskonstanten och oxidationsmekanismer) kan det konstateras att den valda katalysatorn måste ha hög aktivitet (hög reaktionshastighet och kort kontakttid: när den ökar ökar sannolikheten för N2-bildning) och selektivitet med avseende på till reaktion (14).

Bland flera mekanismer som föreslagits av våra och utländska forskare kan den mekanism som L.K. Androsov, G.K. Boreskov, D.A. Epstein.

Mekanismen kan presenteras steg för steg enligt följande:

Steg 1 - oxidation av platinaytan. Ett peroxidkatalysator-syrekomplex bildas (Figur 1).

Figur 1 - Struktur av peroxidkatalysator-syrekomplexet

stadium - diffusion och adsorption av ammoniak på ytan av platina täckt med syre. Ett katalysator-syre-ammoniakkomplex bildas (Figur 2).

Figur 2 - Struktur av katalysator-syre-ammoniakkomplexet

scenen är omfördelningen av elektroniska bindningar, brytandet av gamla band och stärkandet av nya band.

steg - desorption av produkter och diffusion in i gasflödet (stabila NO- och H2O-föreningar avlägsnas från ytan).

De frigjorda centran adsorberar syre igen, eftersom diffusionshastigheten för syre är högre än för ammoniak, etc. Enligt forskare deltar syre som kommer in i katalysatorgittret (icke-platinakontakt) inte i ammoniakoxidationsreaktionen (bevisat med metoden). av märkta atomer).

Omvandlingen av ammoniak till kväve, enligt I.I. Berger och G.K. Boreskov, kan uppstå i volym som ett resultat av reaktioner av ammoniak, både med syre och med kväveoxid.

Det finns kinetiska, övergångs- och diffusionsområden i processen. Det kinetiska området är karakteristiskt för låga temperaturer: det begränsas av katalysatorns antändningstemperatur, vid vilken snabb spontan uppvärmning av dess yta noteras, d.v.s. upp till antändningstemperaturen begränsas hastigheten av hastigheten för den kemiska reaktionen hos kontakten. Redan vid T > Tzazh styr diffusion processen - den kemiska reaktionen är snabb. Processen passerar in i diffusionsområdet. Det är detta område (600-1000 ) är typiskt för en stationär autotermisk process under industriella förhållanden. Detta innebär en oumbärlig ökning av gasens volymetriska hastighet och en minskning av kontakttiden.

Oxidationsreaktionen av ammoniak på aktiva katalysatorer startar tidigare: på palladium (Pd) vid 100 , på platina (Pt) vid 145 , på järn (Fe) vid 230 På metalloxider varierar temperaturen vid reaktionens början kraftigt. Samtidigt når den en tillräcklig hastighet och grad av transformation vid T > 600 .

4.2 Ammoniakoxidationskatalysatorer

Nästan alla salpetersyraanläggningar använder platina eller dess legeringar som en katalysator för oxidation av ammoniak.

Platina är en dyr katalysator, men den behåller hög aktivitet under lång tid, har tillräcklig stabilitet och mekanisk styrka och är lätt att regenerera. Slutligen, med den moderna nätverksformen av katalysatorn, gör användningen av platina det möjligt att använda den enklaste typen av kontaktapparat. Den antänds lätt och dess förbrukning per produktionsenhet är försumbar.

Vid framställning av salpetersyra används inte bärare för platina och dess legeringar, eftersom i närvaro av bärare minskar aktiviteten hos katalysatorn relativt snabbt och dess regenerering blir svårare. Vid moderna anläggningar används platina för katalysatorer i form av galler. Nätformen skapar en stor katalysatoryta i kontaktapparaten vid en relativt låg förbrukning av platina. Vanligtvis används galler där tråddiametern är 0,045-0,09 mm med dimensioner på cellsidan på 0,22 mm. Arean av nät som inte upptas av tråd är cirka 50-60% av dess totala yta. När du använder trådar med en annan diameter ändras antalet vävningar så att det fria området som inte upptas av tråden förblir inom de angivna gränserna.

I kontaktanordningar som arbetar under atmosfärstryck. installera från 2 till 4 galler, mestadels 3, och i enheter som arbetar under tryck upp till 8 atm - från 13 till 16 galler. När ett galler är installerat kommer en del av ammoniakmolekylerna inte i kontakt med katalysatorn, vilket minskar utbytet av kväveoxid. Under de bästa förhållandena kan kontaktgraden nå 86-90% på en maska, 95-97% på två maskor och 98% på tre maskor. Vid arbete under atmosfärstryck används inte mer än 4 galler, eftersom med ett stort antal galler, även om prestanda hos kontaktapparaten ökar, ökar motståndet mot gasflöde kraftigt. Galler måste passa tätt mot varandra, eftersom annars, i det fria utrymmet mellan gallren, uppstår en serie homogena reaktioner, vilket minskar produktionen av kväveoxid.

Under arbetets gång lossas platinagaller kraftigt. Deras släta och glänsande trådar blir svampiga och matta, elastiska nät blir spröda. Bildandet av en svampig, lossad yta ökar tjockleken på trådarna. Allt detta skapar en högutvecklad nätverksyta, vilket ökar den katalytiska aktiviteten hos platina. Endast förgiftning av katalysatorn med föroreningar som kommer med gaser kan därefter orsaka en minskning av dess aktivitet.

Lossandet av ytan på platinavävar med tiden leder till en kraftig förstörelse av gasväven, vilket orsakar stora förluster av platina.

Platina avsedd för tillverkning av en katalysator bör inte innehålla järn, vilket redan vid 0,2% avsevärt minskar utbytet av kväveoxid.

Ren platina förstörs snabbt vid höga temperaturer och dess minsta partiklar förs bort med gasflödet. Andra metaller från platinagruppen i sin rena form används inte som katalysatorer. Palladium bryts ner snabbt. Iridium och rodium är inte särskilt aktiva. Osmium oxideras lätt.

Platinalegeringar har studerats och applicerats, som har större styrka och inte mindre aktivitet än ren platina. I praktiken används legeringar av platina med iridium eller med rodium och ibland med palladium. Galler gjorda av en legering av platina med 1 % iridium vid höga temperaturer är mer aktiva än platina. Betydligt högre aktivitet och i synnerhet mekanisk styrka är karakteristiska för platina-rodiumlegeringar.

Det bästa utbytet av kväveoxid erhålls när man arbetar på platinalegeringar, som innehåller 10% rodium. Men med tanke på den högre kostnaden för rodium jämfört med platina, reduceras dess innehåll i legeringar vanligtvis till 7-5%.

När ammoniak oxideras under tryck på platina-rodiumgaller erhålls ett betydligt högre utbyte av kväveoxid än på rena platinagaller.

Platinakatalysatorer är känsliga för vissa föroreningar som finns i matargasen. Således minskar närvaron av 0,00002% fosfin (РН3) i gasen omvandlingsgraden till 80%. Mindre kraftfulla gifter är svavelväte, acetylenångor, smörjoljor, järnoxider och andra ämnen. Galler regenereras genom att behandla dem med en 10-15% saltsyralösning vid 60-70° C i 2 h. Därefter tvättas gallren noggrant med destillerat vatten, torkas och kalcineras i en väteflamma. Under driften förändras gallrens fysiska struktur och legeringens mekaniska hållfasthet minskar, vilket ökar metallförlusten och minskar katalysatorns livslängd.

4.3 Gasblandningens sammansättning. Optimal ammoniakhalt i ammoniak-luftblandningen

Luft används främst för att oxidera ammoniak. Syreförbrukningen för oxidation av ammoniak enligt reaktion (24) med bildning av NO kan beräknas enligt följande:

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

Enligt reaktion (24) står 1 mol NH3 för 1,25 mol O2 = , då - innehållet av NH3 kan uttryckas enligt följande:

var - mängd NH3 blandad med luft; 100 - den totala mängden av blandningen (%).

Detta är dock teoretiskt. För praktiska ändamål används ett visst överskott av syre, då blir ammoniakkoncentrationen mindre än 14,4% (vol.).

Den optimala koncentrationen av ammoniak i ammoniak-luftblandningen är dess högsta halt, vid vilken en hög NO-produktion fortfarande är möjlig vid förhållandet O2:NH3< 2.

En kraftig minskning av omvandlingsgraden observeras med en minskning av förhållandet O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2 ökar konverteringsgraden avsevärt.

Så den viktiga punkten är:

1) å ena sidan leder en ökning av NH3-halten i ammoniak-luftblandningen, dvs. en minskning av förhållandet O2:NH3, till en minskning av graden av ammoniakomvandling;

2) å andra sidan, med en ökning av halten av NH3 i ammoniak-luftblandningen, ökar temperaturen i systemet, eftersom mer värme frigörs enligt reaktioner (14-16), och omvandlingsgraden ökar, som framgår av tabell 4.

Tabell 4 - Beroende av graden av omvandling av ammoniak på dess innehåll i ammoniak-luftblandningen (P = 0,65 MPa)

NH3-halt i blandningen, % (vol.) O2:NH3-förhållande Omvandlingstemperaturer, NH3 omvandlingsfrekvens, %9.531.9874391.8810.421.7878693.1610.501.7678993.3011.101.6782894.2111.531.5983495.30

Av tabell 4 följer att en ökning av temperaturen från 740 till 830°C vid ett förhållande av O2:NH3 inom området 1,6-2 gynnsamt påverkar processen. Vid ett förhållande av O2:NH3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Ett överskott av O2 är nödvändigt för att säkerställa att ytan av platina alltid är täckt med syre för att utföra oxidationsprocessen enligt den mekanism som övervägdes tidigare och för att utesluta bildning av N2 och N2O (med brist på syre). Det måste vara mer än 30 %, dvs förhållandet O2:NH3 > 1,62.

Gasens sammansättning kommer också att bero på flödet av det andra steget för att erhålla salpetersyra (oxidation av NO)

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

Det kräver också ett överskott av syre:

1) för system som arbetar under tryck - 2,5%;

2) för system som arbetar vid atmosfärstryck - 5%.

Den övergripande reaktionen som bestämmer syrebehovet för produktionen av salpetersyra skrivs enligt följande

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (26)

Det finns ytterligare en omständighet, på grund av vilken det är oönskat att öka koncentrationen av ammoniak över 9,5% (vol.). I detta fall sker en minskning av koncentrationen av kväveoxider i absorptionstornen på grund av införandet av ytterligare syre (dvs NO späds ut). Således är 9,5% (vol.) den optimala ammoniakhalten för alla stadier för att erhålla utspädd salpetersyra.

Du kan använda syre istället för luft för oxidation. Sedan, i enlighet med den totala reaktionen (26), är det nödvändigt att öka koncentrationen av ammoniak till 33,3% (vol.). Här spelar dock säkerhetsåtgärder in, eftersom en blandning med en sådan koncentration av ammoniak blir explosiv (tabell 5).

Tabell 5 - Nedre (LEL) och övre (URL) explosionsgränser för ammoniak-syre-kväveblandningar

Med en ökning av gasfuktigheten smalnar explosionsgränserna, d.v.s. det är möjligt att använda ånga-syreomvandling av ammoniak.

Blandningar av ammoniak med syre antänds med en explosion (Tflax = 700-800 ). Inom dessa temperaturgränser sker självantändning vid valfri ammoniakhalt i ammoniak-syreblandningen.

Praktiskt använda ammoniak-luftblandningar (ammoniakkoncentration 9,5-11,5 % (vol.)) är inte explosiva (tabell 5). Ammoniak-luftblandningens explosionsgränser är beroende av innehållet av ammoniak och syre vid olika tryck.

Det bör dock noteras att explosionens utbredningshastighet är låg och för ammoniak-luftblandningen är 0,3-0,5 m/s. Det vill säga för att eliminera möjligheten till explosionsutbredning är det nödvändigt att skapa en gashastighet som är större än detta värde (0,5 m/s). Detta är precis vad som uppnås genom att använda aktiva platinoida katalysatorer i processen, där kontakttiden är 10-4 sekunder och följaktligen den linjära hastigheten är mer än 1,5 m/s.

4.4 Oxidation av ammoniak under tryck

Syftet med trycksättning är:

1) behovet av att öka processens hastighet;

2) kompakta installationer.

Det har termodynamiskt bevisats att även vid höga tryck är NO-utbytet nära 100 %. Omvandlarens prestanda ökar med ökande tryck och ökning av antalet galler i platinoidkatalysatorn. Med ökande tryck ökar även processtemperaturen över 900 grader . Men med ökande tryck, för att uppnå en hög grad av NH3-omvandling, är det nödvändigt att öka uppehållstiden för gasen i omvandlaren

vilket i sin tur leder till att antalet rutnät ökar.

Den största nackdelen är den ökade förlusten av platina (Pt)-katalysator vid höga temperaturer. Dessa brister (förlust av platina, minskning av omvandlingsgraden) kan elimineras genom att tillgripa ett kombinerat produktionsschema, d.v.s. genomföra processen med NH3-oxidation vid atmosfärstryck eller nära det, och NO-oxidation och absorption vid förhöjt tryck . Detta tillvägagångssätt implementeras ofta i de tekniska systemen i många länder. Samtidigt ökar energikostnaderna för gaskonditionering kostnaden för salpetersyra.

4.5 Optimala förhållanden för ammoniakoxidation

Temperatur. Reaktionen av ammoniak på platina börjar vid 145 men fortsätter med ett lågt NO-utbyte och bildning av övervägande elementärt kväve. En ökning av temperaturen leder till en ökning av utbytet av kväveoxid och en ökning av reaktionshastigheten. I intervallet 700-1000 NO-utbytet kan ökas till 95-98%. Kontakttid vid temperaturökning från 650 till 900 minskas med cirka fem gånger (från 5 10-4 till 1,1 10-4 sekunder). Den erforderliga temperaturregimen för processen kan upprätthållas av värmen från oxidationsreaktionerna. För en torr ammoniak-luftblandning innehållande 10 % NH3, vid en omvandlingshastighet på 96 %, är den teoretiska gastemperaturökningen cirka 705 eller ca 70 för varje procentandel ammoniak i den ursprungliga blandningen. Med användning av en ammoniak-luftblandning innehållande 9,5 % ammoniak är det möjligt, på grund av reaktionens termiska effekt, att nå en temperatur på ca 600 för att ytterligare öka omvandlingstemperaturen krävs förvärmning av luften eller ammoniak-luftblandningen. Man bör komma ihåg att ammoniak-luftblandningen endast kan värmas till en temperatur som inte överstiger 150-200 vid en värmegastemperatur på högst 400 . Annars är dissociationen av ammoniak eller dess homogena oxidation med bildning av elementärt kväve möjlig.

Den övre gränsen för ökningen av temperaturen för kontaktoxidationen av ammoniak bestäms av förlusten av platinakatalysatorn. Om upp till 920 Eftersom förlusten av platina till viss del kompenseras av en ökning av aktiviteten hos katalysatorn, över denna temperatur, överstiger ökningen av katalysatorförlusterna avsevärt ökningen av reaktionshastigheten.

Enligt fabriksdata är den optimala omvandlingstemperaturen för ammoniak under atmosfärstryck cirka 800 ; på installationer som arbetar under ett tryck på 9 atm är det lika med 870-900 .

Tryck. Användningen av ökat tryck vid produktion av utspädd salpetersyra är huvudsakligen förknippad med önskan att öka oxidationshastigheten för kväveoxid och bearbetningen av den resulterande kvävedioxiden till salpetersyra.

Termodynamiska beräkningar visar att även vid förhöjt tryck är NO-utbytet i jämvikt nära 100 %. En hög grad av kontakt i detta fall uppnås emellertid endast med ett stort antal katalysatornät och en högre temperatur.

Nyligen, under industriella förhållanden på flerskiktskatalysatorer med grundlig gasrening och en temperatur på 900 lyckades få omvandlingsgraden av ammoniak till 96%. När man väljer det optimala trycket bör man komma ihåg att en ökning av trycket leder till en ökning av platinaförlusterna. Detta förklaras av en ökning av katalystemperaturen, användningen av flerskiktsnätverk och en ökning av deras mekaniska förstörelse under inverkan av en hög gashastighet.

3. Innehållet av ammoniak i blandningen. Luft används vanligtvis för att oxidera ammoniak, så ammoniakhalten i blandningen bestäms av syrehalten i luften. Vid ett stökiometriskt förhållande O2:NH3 = 1,25 (ammoniakhalten i en blandning med luft är 14,4%) är utbytet av kväveoxid inte signifikant. För att öka NO-utbytet krävs ett visst överskott av syre, därför bör ammoniakhalten i blandningen vara mindre än 14,4 %. I fabrikspraxis hålls ammoniakhalten i blandningen inom intervallet 9,5-11,5%, vilket motsvarar förhållandet O2:NH3 = 21,7.

Den totala reaktionen (26), som bestämmer behovet av syre under bearbetningen av ammoniak till salpetersyra, ger förhållandet O2:NH3 = 2, vilket motsvarar ammoniakhalten i den initiala blandningen på 9,5 %. Detta tyder på att en ökning av ammoniakkoncentrationen i blandningen över 9,5 % i slutändan inte kommer att leda till en ökning av NO-koncentrationen, eftersom ytterligare luft i detta fall måste införas i adsorptionssystemet. Om en ammoniak-syreblandning används som initiala reagens, skulle det, i enlighet med ekvationen för den totala reaktionen, vara möjligt att öka koncentrationen av ammoniak i den till 33,3%. Det är dock svårt att använda höga koncentrationer av ammoniak eftersom sådana blandningar är explosiva.

Påverkan av föroreningar. Platinalegeringar är känsliga för föroreningar som finns i ammoniak-luftblandningen. I närvaro av 0,0002% vätefosfid i gasblandningen reduceras graden av ammoniakomvandling till 80%. Mindre starka kontaktgifter är svavelväte, acetylen, klor, smörjoljeångor, damm innehållande järnoxider, kalciumoxid, sand etc.

Preliminär rening av gaser ökar katalysatorns varaktighet. Men med tiden förgiftas katalysatorn gradvis och NO-utbytet minskar. För att ta bort gifter och föroreningar regenereras gallren periodiskt genom att behandla dem med en 10-15% saltsyralösning.

5. Kontakttid. Den optimala kontakttiden bestäms av graden av ammoniakoxidation. Oftast definieras oxidationshastigheten som mängden oxiderad ammoniak (kg) per ytenhet (m2) per dag (katalysatorintensitet). Varaktigheten av gasens kontakt med katalysatorn, eller kontakttiden, bestäms av ekvationen:

Vsv/W

där t är uppehållstiden för gasen i katalysatorzonen, sek; Vw är den fria volymen av katalysatorn, m3; W - volymetrisk hastighet i kontaktförhållanden m3 sek-1.

Den maximala graden av omvandling av ammoniak till kväveoxid uppnås vid en väldefinierad tidpunkt för kontakt mellan gasen och katalysatorn. Den optimala kontakttiden bör inte betraktas som den vid vilken maximalt NO-utbyte uppnås, utan något kortare, eftersom det är ekonomiskt fördelaktigt att arbeta med en högre produktivitet även på bekostnad av en minskning av produktutbytet. Under praktiska förhållanden sträcker sig kontakttiden för ammoniak med katalysatorn från 1 10-4 till 2 10-4 sek.

Blanda ammoniak med luft. Den fullständiga homogeniteten hos ammoniak-luftblandningen som kommer in i kontaktzonen är ett av huvudvillkoren för att erhålla ett högt utbyte av kväveoxid. God inblandning av gaser är av stor vikt inte bara för att säkerställa en hög kontaktgrad, utan även för att skydda mot explosionsrisk. Blandarens utformning och volym måste helt säkerställa god blandning av gasen och utesluta att ammoniak glider i separata strålar på katalysatorn.

5. KONTAKTENHETER

De mest komplexa och genomgått betydande förbättringarna är utformningen av själva kontaktapparaten.

Figur 3 - Ostwald-kontaktapparat: 1 - ammoniak-luftblandningsuppsamlare; 2 - platinaspiral; 3 - visningsfönster; 4 - nitrös gasuppsamlare

Den första industriella kontaktapparaten var Ostwald-apparaten (Figur 3), bestående av två koncentriska rör: ett yttre gjutjärnsrör med en diameter på 100 mm, emaljerat på insidan, och ett inre av nickel med en diameter på 65 mm. mm. Ammoniak-luftblandningen kom in i apparaten underifrån genom det yttre röret och föll på katalysatorn placerad i den övre delen av innerröret. De nitrösa gaserna leddes ner genom innerröret till kollektorn och avgav värme till den inkommande blandningen.

Katalysatorn bestod av remsor av platinafolie 0,01 mm tjocka och 20 mm breda ihoplindade till en spiral. En av banden är slät, den andra är korrugerad med 1 mm böjar. Graden av ammoniakomvandling nådde 90-95%, blandningen med luft innehöll NH3 8% (vol.), apparatens produktivitet var 100 kg salpetersyra per dag.

Denna form av katalysatorn tillät inte ökning av apparatens produktivitet genom att öka dess storlek. I Ostwald-apparaten säkerställdes inte den likformiga tillförseln av gasblandningen, eftersom gasflödet innan det gick in i katalysatorn ändrade sin riktning med 180° och kom först då in i det. Dessutom tillät inte apparatens utformning ett snabbt avlägsnande av kväve(II)oxider från högtemperaturzonen.

I efterföljande konstruktioner av kontaktapparaten användes en katalysator i form av ett rutnät av filament med en diameter av 0,06 mm.

Figur 4 - Andreevs kontaktapparat: 1 - platinagaller; 2 - visningsfönster

Den första salpetersyraproduktionen i Ryssland var utrustad med Andreevs kontaktapparat, som producerade 386 kg salpetersyra per dag och ansågs vara den mest avancerade i världen. Den cylindriska apparaten med en diameter på 300 mm och en höjd av 450 mm var gjord av gjutjärn. Blandningen av gaser kom underifrån (Figur 4). Platinakatalysatorns rutnät var placerat tvärs över apparaten, i mitten av den.

Användningen av gjutjärn för tillverkning av denna apparat hade ett antal nackdelar: förekomsten av sidoreaktioner, kontaminering av platina med skala. Omvandlingsgraden i den översteg inte 87%.

Figur 5 - Fishers kontaktapparat: 1 - munstycke; 2 - platina rutnät; 3 - isolering

Fisher-apparaten var gjord av aluminium, dess diameter var 1000 mm, höjd 2000 mm (Figur 5). Underifrån fylldes apparaten med Raschig-ringar av porslin, och den övre delen var fodrad med eldfasta tegelstenar. Utformningen av apparaten gav inte en enhetlig tillförsel av ammoniak-luftblandningen till katalysatorn, utbytet av oxider var 89–92 % vid en kontakttemperatur på 700–720°C. Produktiviteten hos enheten på ammoniak är 600-700 kg/dag. Partiklar av eldfast tegel, som faller på katalysatorn, minskade dess aktivitet.

Figur 6 - Apparatur Bamag: 1 - munstycke; 2 - platina rutnät; 3 - visningsfönster

Apparaten som föreslogs av Bamag (Figur 6) bestod av två stympade koner förbundna med breda baser, mellan vilka katalysatorgaller placerades. Apparatens diameter i den bredaste delen var 1,1 m eller 2,0 m.

Ammoniak-luftblandningen matades in i apparaten underifrån. Ursprungligen var apparaten gjord av aluminium, sedan var dess övre, heta del gjord av rostfritt stål. För bättre blandning av blandningen hälldes Raschig-ringar i den nedre delen av apparaten.

Den största nackdelen med dessa anordningar var riktningen av gasblandningen på katalysatorn underifrån, vilket ledde till vibration av gallren och till en ökning av förlusten av platina.

Studier av konstruktionen av kontaktapparaten har visat att riktningen av gasblandningen från topp till botten stabiliserar driften av katalysatornät, minskar förlusten av en dyr knapp platinakatalysator, ökar omvandlingsgraden med 1,0-1,5 % och tillåter användningen av en tvåstegskatalysator, i vilken det andra steget används oxiderad icke-platinakatalysator.

När en gasblandning tillförs apparaten ovanifrån, i dess nedre del, kan ett lager av isoleringsmaterial placeras, liksom spolar av en ångpanna och en överhettare utan risk för kontaminering av katalysatorn med eldfast damm och järn skala. Detta minskar förlusten av reaktionsvärme till omgivningen.

En studie av temperaturfördelningen över katalysatorytan visade att kanterna på katalysatorn intill väggarna har en lägre temperatur, och graden av kontakt minskar i enlighet därmed, vilket minskar det totala utbytet av kväveoxid (II). I detta avseende är geometrin hos inloppsdelen av kontaktapparaten av stor betydelse, den bör vara en jämnt divergerande kon med en vinkel överst på inte mer än 30°.

Figur 7 - Parsons-apparat: 1 - cylindriskt platinanät; 2 kvartsbotten; 3 - visningsfönster; 4 - isolering

I USA skapades en Parsons-apparat med ett vertikalt arrangemang av ett katalysatornät upprullat i form av en fyrskiktscylinder 33 cm hög och 29 cm i diameter (Figur 7). Platinacylindern placerades i ett metallhölje fodrat med eldfast tegel, vilket säkerställde bra värmeväxling med den heta katalysatorn. Produktiviteten hos en sådan apparat var upp till 1 ton ammoniak per dag, omvandlingsgraden var 95-96%.

Fördelen med denna anordning är en stor katalysatoryta jämfört med anordningens volym. Dess nackdel är den ojämna tillförseln av ammoniak-luftblandningen till katalysatorn. Mer blandning strömmar genom botten av siktkatalysatorn än genom toppen.

Ett antal enheter av olika former testades: i form av två halvklot, en kon och en halvklot med riktningen för gasflödet från botten till toppen. Dessa anordningar hade inga speciella fördelar även när processen genomfördes upp till 0,51 MPa, omvandlingsgraden översteg inte 90%.

Figur 8 - Dupont-apparat: 1 - platinagaller; 2 - galler; 3 - vattenjacka

När man utförde processen vid förhöjt tryck blev DuPont-apparaten (Figur 8) utbredd, bestående av koner: den övre är gjord av nickel och den nedre är gjord av värmebeständigt stål. Den nedre delen var försedd med en vattenmantel för kylning. Katalysatorn som placeras på gallret är gjord i form av ett paket med rektangulära galler.

Nu över hela världen designar och bygger de enheter för produktion av utspädd salpetersyra med en stor enhetskapacitet - upp till 400-600 ton/år. Kontaktanordningar med plana lager av galler eller ett lager av granulärt material placerat tvärs över gasflödet för sådana enheter bör ha en stor diameter på upp till 5-7 m. Men med en ökning av apparatens diameter blir enhetligheten hos Fördelningen av ammoniak-luftblandningen över anordningens tvärsnitt försämras, och metallförbrukningen per produktivitetsenhet ökar, svårigheterna med att täta flänsförband ökar. Apparater med stora diametrar (över 4 m) kan inte transporteras på järnväg, deras tillverkning på fabriksplatsen är förknippad med allvarliga svårigheter.

I detta avseende är det mest lovande en omvandlare med ett radiellt flöde av gasblandningen genom katalysatorn, gjord i form av en cylinder eller kon. Med ett sådant arrangemang av katalysatorn är det möjligt, utan att ändra anordningens diameter, att öka dess höjd och följaktligen dess produktivitet.

Utformningar av anordningar med ett cylindriskt arrangemang av katalysatorn har varit kända under lång tid (Parsons-anordningar), men med en ökning av deras produktivitet från 4,5 kg/h till 14,3 t/h ammoniak, uppstod problem i distributionen av gasblandningen flöden, värmeöverföring, katalysatorinfästning, etc.

Figur 9 - Parsons förbättrade apparat: 1 - kropp; 2 - omslag; 3 - kylvätskeuppsamlare; 4 - stödanordning; 5 - beslag för utmatning av nitrösa gaser; 6 - katalysatorgaller; 7 - kanaler för kylmedel; 8 - kanaler för gaser

En av de nya enheterna är den förbättrade Parsons-apparaten (Figur 9). Den består av en kropp med lock, beslag för tillförsel av ammoniak-luftblandningen och utmatning av nitrösa gaser. Katalysatorn är platinagaller anordnade vertikalt längs den cylindriska ytan och fästa under locken. Gallren sträcks på en keramisk stödanordning, som har horisontella kanaler för tillförsel av ammoniak-luftblandningen till kontaktgallren och vertikala kanaler för tillförsel av kylvätska. Nackdelen med en sådan stödanordning är fördelningen av gasen som kommer in i katalysatorn i form av separata strålar, vilket leder till att katalysatorns område inte fungerar helt.

Figur 10 - Kontaktapparat med radiellt gasflöde: 1 - kropp; 2 - lock; 3 - system med stödelement; 4 - katalysator; 5 - gitter; 6 - blind botten

En anordning med radiellt gasflöde föreslås (Figur 10), som består av en kropp 1 och ett lock med ett beslag för införande av en ammoniak-luftblandning. I den nedre delen av huset finns en koppling för införande av nitrösa gaser. Katalysatornät i form av en cylinder och en kon är anordnade vertikalt. Denna anordning tillhandahåller emellertid inte heller en enhetlig tillförsel av gaser till katalysatorn.

Figur 11 - Kontaktanordning med granulär katalysator: 1 cylindrisk kropp; 2 - täck med ett centralt hål; 3, 4 - koaxiala cylindriska perforerade distributionsgaller; 5 - ringformig botten; 6 - utloppsarmatur

En apparat med ett radiellt gasflöde och en granulär katalysator föreslås. Som katalysatorer används platinametaller avsatta på en bärare eller tabletter av en icke-platinakatalysator (Figur 11).

Apparaten i figur 11 består av en cylindrisk kropp 1, i vars övre del en ammoniak-luftblandning införs, och i den nedre delen avlägsnas nitrösa gaser. Inuti finns två koaxiella cylindriska perforerade distributionsgaller 3 och 4, mellan vilka ett lager av granulär katalysator 7 placeras.

Ammoniak-luftblandningen vid ingången till apparaten är uppdelad i två strömmar. Huvuddelen passerar in i det ringformiga gapet mellan husets väggar och den yttre fördelningscylindern och kommer in radiellt på katalysatorn. Den andra, mindre delen passerar genom hålet i locket och går in i katalysatorn längs axeln. Enhetlig fördelning av gasblandningen i katalysatorn säkerställs inte.

Nackdelen med dessa konstruktioner är överhettning av ammoniak-luftblandningen över 200 nära en blind botten på grund av en minskning av gashastigheten till noll. Överhettning av gasen orsakar överhettning av katalysatorvävarna och deras ökade slitage.

Figur 12 - Apparat med en katalysator i form av en kon: 1 - en tröja för uppvärmning av gas; 2 - katalysator; 3 - stödrörsanordning; 4 - vattenjacka

Apparaten (Figur 12) innehåller en katalysator i form av flera lager av ett platinanät, svetsade från bitar av triangulär form till en kon med en spetsvinkel på cirka 60°. Gallerpaketet är baserat på en struktur bestående av 6-12 rör längs konens generatris, genom vilka kylvätskan passerar. Denna form av katalysator har en stor specifik yta (i förhållande till apparatens volym) jämfört med en platt katalysator placerad tvärs över gasflödet. Men jämfört med en cylindrisk katalysator är dess specifika yta mindre.

Figur 13 - Kontaktapparat för oxidation av ammoniak under högt tryck: 1 - hölje; 2 - inre kon; 3 - ställverk; 4 - tändare; 5 - katalysatorgaller; 6 - överhettare; 7 - ångpannepaket; 8 - economizer

Figur 13 visar en kontaktapparat för oxidation av ammoniak under ett tryck av 0,71 MPa. Apparaten består av två koner insatta i varandra. Ammoniak-luftblandningen kommer in underifrån i utrymmet mellan den inre och yttre konen, stiger och därifrån sjunker ner i den inre könen. På vägen till platinakatalysatorn, gjord i form av galler, blandas blandningen väl i distributionsanordningen för Raschig-ringarna.

För att mäta temperaturen på den inkommande gasblandningen och omvandlingsprocessen är apparaten utrustad med termoelement: fyra före katalysatorn och fyra efter den. För gasprovtagning finns det ångprovtagningsrör: fyra före katalysatorn och fyra efter den. Katalysatorn antänds med en blandning av salpeter och väte som tillförs med hjälp av en roterande brännare (tändare).

Figur 14 - Grand Paroiss kontaktapparat: 1 - hölje; 2 galler; 3 - platinakatalysator; 4 - pansarnät; 5 - lager av ringar; 6 perforerad platta; 7 - överhettare; 8 - spillvärmepanna

Bland enheterna som arbetar med ett medeltryck på 0,40-0,50 MPa är apparaten från företaget Grande Paroiss, gjord av rostfritt stål, av intresse (Figur 14). Den består av en kropp, stängd ovanpå med ett elliptiskt lock, med en inloppskoppling för att införa en gasblandning. Under locket finns en perforerad kon, sedan en baffel. Ett distributionsgaller är placerat ovanför platinagallren, på vilket ligger ett lager av sex galler som fungerar som en dämpare för flödeshastighetspulseringar. Nackdelen med anordningen är närvaron av stillastående zoner i området med höga temperaturer hos katalysatorn, där den inkommande ammoniaken kan sönderdelas.

6. URVAL OCH BESKRIVNING AV DET TEKNOLOGISKA SYSTEMET FÖR PRODUKTION AV ICKE KONCENTRERAD SALPETENSYRA

Beroende på förhållandena i produktionsprocessen särskiljs följande typer av salpetersyrasystem:

1) system som arbetar vid atmosfärstryck;

2) system som arbetar vid förhöjt tryck (4-8 atm);

3) kombinerade system där oxidationen av ammoniak utförs vid ett lägre tryck och absorptionen av oxider - vid ett högre tryck.

Tänk på dessa tekniska system.

1) system som arbetar vid atmosfärstryck;

Figur 15 - Schema för installationen för produktion av utspädd salpetersyra vid atmosfärstryck: 1 - vattenskrubber; 2 - tygfilter; 3 - ammoniak-luftfläkt; 4 - kartongfilter; 5 - omvandlare; 6 - ångpanna; 7 - höghastighetskylskåp; 8 - kylskåp-kondensor; 9 - fläkt för nitrösa gaser; 10 - absorptionstorn; 11 - oxidationstorn; 12 - torn för absorption av kväveoxider av alkalier; 13 - surt kylskåp; 14, 15 - pumpar

Dessa system (Figur 15) är inte längre i drift på grund av utrustningens skrymmande (ett stort antal sura och alkaliska absorptionstorn), låg produktivitet och ackumulering av en viss mängd klor, vilket i sura och alkaliska absorptionssystem har en starkt frätande effekt på utrustningen som ständigt måste bytas ut, vilket leder till stora ekonomiska kostnader.

2) kombinerade system;

Figur 16 - Erhållande av salpetersyra genom en kombinerad metod: 1 - höghastighetskylskåp; 2 - kylskåp; 3 - turboladdarmotor; 4 - reducering; 5 - turbokompressor av nitrösa gaser; 6 - turbin för bevattning av avgaser; 7 - oxidationsmedel; 8 - värmeväxlare; 9 - kylskåp-kondensor; 10 - absorptionskolonn; 11 - syraventil; 12 - kondensatuppsamlare; 13, 14 - salpetersyrasamlare

De viktigaste fördelarna med detta schema är:

1. Dessa system (Figur 16) fungerar utan extern energiförbrukning, eftersom värmen från ammoniakoxidation och kväveoxidoxidation är tillräcklig för att erhålla energi för att komprimera luft och nitrösa gaser till de erforderliga trycken;

2. Utrustningens kompakthet.

3. Produktiviteten för sådana enheter är 1360 ton/dag.

Nackdelarna med schemat:

Den största nackdelen med detta schema är att när ammoniak oxideras vid ett tryck på 9 atm, är omvandlingsgraden 2–3 % mindre än vid atmosfärstryck, och förlusten av platinakatalysatorn är 2–3 gånger större. Sålunda är denna process mer fördelaktig att utföra under atmosfärstryck. Men för moderna kraftfulla verkstäder som producerar salpetersyra, i det här fallet, kommer ett stort antal stora enheter att krävas och följaktligen en ökning av kostnaderna för konstruktion och installationsarbete. Dessa överväganden gör det nödvändigt att tillgripa att öka trycket i ammoniakomvandlingsprocessen. I detta avseende är ett tryck på cirka 2,5 atm acceptabelt, eftersom apparatens volym reduceras med en faktor på 2,5 jämfört med volymen i system som arbetar vid atmosfärstryck, med måttliga förluster av ammoniak och katalysator.

3) system som arbetar under högt tryck.

Fördelar med kretsen (Figur 17):

1. Enheten är kompakt, alla enheter är transporterbara. Enhetens strömcykel är autonom och, när kemikalieproduktionen stängs av, förblir den i drift tills den stängs av från kontrollpanelen. Detta gör att du snabbt kan sätta enheten i drift i händelse av oavsiktliga avstängningar av den kemiska processen. Styrningen av enheten i driftläget är automatiserad.

2. Den faktiska kostnaden och energiintensiteten för salpetersyra, producerad på enheter med ett enda tryck på 0,716 MPa, förblir den lägsta i jämförelse med AK-72-enheten och enheten som arbetar enligt det kombinerade schemat.

3. I stället för en spillvärmepanna installeras en högtemperaturvärmeväxlare bakom kontaktapparaten för att värma avgaserna framför turbinen upp till 1120 K. Samtidigt, på grund av ökningen av kraften hos gasturbin ökade effektuttaget med 274 jämfört med AK-72-enheten.

4. I schemat installeras en ständigt påslagen förbränningskammare parallellt med den tekniska apparaten, vilket gör det möjligt att göra driften av maskinenheten oberoende av produktionslinjen, samt att säkerställa en smidig övergång från driften av maskinen i viloläge till driften av maskinen med teknikprocessen påslagen.

Nackdelarna med schemat:

1. Processen fortsätter vid förhöjda temperaturer i enheten, vilket belastar palladiumkatalysatorn mycket och den misslyckas. Enligt litteraturen är de specifika oåterkalleliga förlusterna per 1 ton salpetersyra 40-45 mg för processen vid atmosfärstryck, 100 mg vid 0,3-1,6 MPa och 130-180 mg vid 0,7-0,9 MPa. Det vill säga, förlusten av platina i anläggningar som arbetar under tryck ökar på grund av högre katalystemperaturer jämfört med temperaturen i anläggningar som arbetar vid atmosfärstryck.

2. En mycket hög grad av luftrening krävs innan den går in i gasturbinen, eftersom kompressorns luftkapacitet kan minskas med upp till 10 % och effektiviteten med upp till 6 %.

I detta kursprojekt behandlas ett schema för produktion av salpetersyra under tryck med en kompressor som drivs av en gasturbin i detalj (Figur 17).

Produktionskapaciteten för salpetersyra enligt schemat som arbetar vid ett tryck på 0,716 MPa bestäms av antalet enheter. Kapaciteten för en enhet är 120 tusen ton/år (100 % HNO3). Antalet enheter i schemat bestäms av behovet av salpetersyrabearbetningsbutiker.

I varje enhet utförs följande: beredning av ammoniak-luftblandningen (rengöring och komprimering av luft, förångning av flytande ammoniak, rening av gasformig ammoniak och ammoniak-luftblandning); ammoniakomvandling; utnyttjande av värme för bildning av kväveoxider; kylning av nitrösa gaser; erhållande av salpetersyra; gasuppvärmning; rening från kväveoxider och återvinning av gasenergi i gasturbinen och spillvärmepannan.

Dessutom inkluderar schemat enheter för att förbereda matarvatten för att mata spillvärmepannor, kylkondensat eller avmineraliserat vatten för bevattning av absorptionskolonner, reducering av ånga till de nödvändiga parametrarna, lagring av den genererade salpetersyran och distribution till konsumenterna.

Figur 17 - Diagram över produktionen av salpetersyra under tryck med en kompressordrift från en gasturbin: 1 - luftfilter; 2 - turboladdare av det första steget; 3 - mellanliggande kylskåp; 4 - turboladdare i det andra steget; 5 - gasturbin; 6 - växellåda; 7 - motorgenerator; 8 - luftvärmare; 9 - ammoniakblandare med luft; 10 - luftvärmare; 11 - poröst filter; 12 - omvandlare; 13 - spillvärmepanna; 14 - ett kärl för oxidation av nitrösa gaser; 15 - kylskåp - kondensor; 16 - absorptionskolonn; 17 - omvandlare; 18 - spillvärmepanna

Atmosfärisk luft sugs in genom filtret 1 av turboladdaren i det första steget 2 och komprimeras till 0,2-0,35 MPa. På grund av kompression värms luften upp till 175 grader . Efter kylning till 30-45 i kylen 3 kommer luften in i turboladdaren i det andra steget 4, där den komprimeras till ett sluttryck på 0,73 MPa och värms upp till 125-135 . Ytterligare luftvärme upp till 270 uppstår i värmaren 8 på grund av värmen från heta nitrösa gaser som lämnar omvandlaren. Varmluft kommer längre in i blandaren 9.

Ammoniak under tryck på 1,0-1,2 MPa värms till 150°C i värmaren 10 med vattenånga och kommer in i blandaren 9, där den blandas med luft. Den resulterande ammoniak-luftblandningen, innehållande 10-12% NH3, filtreras i porolitfiltret 11 och går in i omvandlaren 12, där på en platina-rodium-katalysator vid en temperatur av 890-900°C ammoniak oxideras till kväveoxid. Värmen från gaserna som lämnar omvandlaren används i spillvärmepannan 13 för att producera ånga, medan gaserna kyls till 260 .

Därefter passerar gaserna genom ett filter för att fånga upp platina, placerat i den övre delen av det tomma kärlet 14. I kärlet 14 oxideras NO till NO2 (oxidationsgrad 80%), vilket resulterar i att gasblandningen värms till 300-310 och går in i luftvärmaren 8, där den kyls till 175°C . Ytterligare användning av värmen från nitrösa gaser blir olönsam, så de kyls med vatten i kylskåpet 16 till 50-55 . Samtidigt med kylningen av gasen i kylskåpet 16 sker kondensationen av vattenånga och bildningen av salpetersyra som ett resultat av växelverkan mellan vatten och kvävedioxid. Koncentrationen av den resulterande syran överstiger inte 52% HNO3, utbytet är cirka 50% av anläggningens totala kapacitet.

Från kylaren 15 kommer nitrösa gaser in i absorptionskolonnen 16 med siktplattor, där NO2 absorberas av vatten för att bilda salpetersyra (koncentration upp till 55%). På absorptionskolonnens plattor läggs 16 spolar (kylelement), genom vilka vatten cirkulerar för att avlägsna värme som frigörs under bildningen av salpetersyra.

För att rena avgaserna från kväveoxider värms de upp till 370-420 ° C, en liten mängd naturgas läggs till dem och skickas till omvandlaren (reaktorn) 17. Här, i närvaro av en palladiumkatalysator, följande reaktioner inträffar:

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

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

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

Eftersom dessa reaktioner fortskrider med frigöring av värme, stiger temperaturen på gaserna till 700-730 . Dessa gaser kommer in i turbinen 5 vid ett tryck av 0,5-0,6 MPa, vilket driver turboladdaren 2 och 4, som komprimerar luften. Efter det, gaser vid en temperatur på cirka 400 gå in i spillvärmepannan 19, som tar emot lågtrycksånga.

Turboladdare i de första och andra stegen 2 och 4, samt gasturbin 5 är en enda enhet. Turbinen i det första steget 2 och gasturbinen 5 är placerade på en gemensam axel och är förbundna med en växellåda 6 till andra stegets turbin 4 och en elmotor 7. Denna enhet låter dig använda huvuddelen av energin som spenderas på komprimera luften och därmed avsevärt minska strömförbrukningen.

7. BERÄKNING AV REAKTORENS MATERIAL- OCH TERMISKA BALANS

7.1 Beräkning av reaktorns materialbalans

1) Beräkna den nödvändiga volymen luft:

2) Volymer som tillförs luft, nm3:

a) vattenånga

b) torr luft

3) Beräkna volymerna syre, kväve och argon som kommer med luften, baserat på deras procentandel i luften

) Hitta de volymer som bildas av reaktionen (14), nm ³ /h:

a) kväveoxid

b) vattenånga

5) Bestäm volymerna som bildas genom reaktion (15), nm ³ /h:

a) kväve

b) vattenånga

c) syre som förbrukas under denna reaktion

6) Vi beräknar volymerna i gasen efter oxidation av ammoniak, nm ³ /h:

a) syre

b) kväve

c) argon

d) vattenånga

7) Den faktiska materialbalansen kan beräknas om flödesvolymerna vid inloppet till kontaktapparaten och vid utloppet av den räknas om till massor, samtidigt som materialbalansen måste iakttas.

Kommande:

Konsumtion:

Låt oss fylla i tabellen för materialbalansen (tabell 6).

Tabell 6

Inkomst Flöde Komponent Kvantitet Komponent Kvantitet kg/hm ³ /hkg/hm ³ /чNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757,5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar928520H2O1827,022273,625H2O8938,62711123,625Всего73572,07760203,68Всего73570,96161678,38

Balansavvikelse

7.2 Beräkning av reaktorns värmebalans

Låt oss hitta temperaturen tx till vilken det är nödvändigt att värma ammoniak-luftblandningen för att säkerställa den autotermiska karaktären hos ammoniakoxidationsprocessen.

1) Beräkna den totala volymen av ammoniak-luftblandningen

) Bestäm koncentrationen av komponenterna i ammoniak-luftblandningen, % (vol.):

a) ammoniak

b) torr luft

c) vattenånga

3) Beräkna medelvärmekapaciteten för ammoniak-luftblandningen

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),

där 35,8; 28,7 och 32,6 - värmekapacitet för ammoniak, torr luft och vattenånga, kJ/(kmol K).

) Bestäm värmen som tillförs av ammoniak-luftblandningen

) Vi beräknar värmen som frigörs under reaktionen (14) och (16)

eller 17030 kW, där 905800 och 126660 är värmen som frigörs under bildningen av kväveoxid och kväve enligt reaktionerna (14) och (16).

) Hitta den totala volymen nitrös gas som kommer in i spillvärmepannan

7) Bestäm koncentrationen av komponenterna i nitrös gas, % (vol.):

a) kväveoxid

b) syre

c) argon

d) kväve

e) vattenånga

8) Beräkna den genomsnittliga värmekapaciteten för nitrös gas:

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)

där 31,68; 32,3; 20,78; 30.8 och 37.4 - värmekapacitet hos nitrösa gaskomponenter vid en temperatur av 900 kJ/(kmol K).

9) För ånguppvärmning från 198 upp till 250 i överhettaren är det nödvändigt att ta bort värmen:

1880 kW, där 800 10 ³ och 1082 10 ³ J/kg - specifika entalpier av överhettad ånga vid temperaturer på 198 och 250 och tryck på 1,5 MPa och 3,98 MPa.

10) Temperaturen för nitrösa gaser vid utloppet av kontaktapparaten bestäms från värmebalansekvationen för detta avsnitt:

6768 106 = 64631 1,66 10³(900 - t2)

11) Vi beräknar värmen som förs bort av nitrösa gaser. Tänk på fallet när kontaktapparaten och spillvärmepannan är monterade som en enda apparat:

12) Bestäm värmeförlusten till miljön

Genom att likställa värmetillförseln med flödeshastigheten, komponerar vi värmebalansekvationen och löser den med avseende på tx:

Fyll i tabellen för värmebalans (Tabell 7).

Tabell 7

Inmatning, kW Förbrukning, kWVärme som införs av ammoniak-luftblandningen6369.2Värme för uppvärmning av vattenånga i överhettaren1880Värme som förs bort av nitrösa gaser20584.3Värme som frigörs under reaktionen (14) och (16)17030.6Förluster till miljön92329Totalt92329Totalt.

Balansavvikelse:

8. SÄKERHET OCH INDUSTRIMILJÖ

För att säkerställa ett säkert driftsätt vid produktion av icke-koncentrerad salpetersyra under högt tryck, är det nödvändigt att strikt följa de tekniska föreskrifterna, arbetsskyddsinstruktioner för arbetsplatser, instruktioner för arbetarskydd och industriell säkerhet på avdelningen, instruktioner för vissa typer av arbete.

Servicepersonal får arbeta i de arbetskläder och skyddsskor som normerna föreskriver, de är skyldiga att ha med sig brukbar personlig skyddsutrustning. Skyddsutrustning (enskild gasmask) måste kontrolleras varje skift innan arbetet påbörjas.

Personer som servar mekanismerna måste känna till Gosgortekhnadzors regler för den utrustning som servas. Personer som betjänar pannövervakningsutrustning - regler för pannövervakning.

Förhindra kränkningar av den normala tekniska regimen i alla skeden av processen.

Utför endast arbete på servicebar utrustning, utrustad med alla nödvändiga och väl fungerande säkerhetsanordningar, instrumentering och kontrollanordningar, larm och förreglingar.

Vid överlämnande av utrustning och kommunikationer för reparation, där ammoniakackumulering är möjlig, spola utrustningen och kommunikationerna med kväve tills det inte finns några brännbara ämnen i reningskvävet.

Innan du fyller apparaterna och kommunikationerna med ammoniak efter deras reparation, spola med kväve tills syrehalten i reningskvävet inte är mer än 3,0 % (vol.).

Tillåt inte reparation av kommunikationer, beslag, utrustning under tryck. Reparationer bör utföras efter tryckavlastning och avstängning av det reparerade området med pluggar. Utrustning, kommunikationer som ska repareras måste blåses eller tvättas.

För att undvika hydrauliska stötar bör ånga tillföras till kalla ångledningar långsamt, vilket säkerställer tillräcklig uppvärmning med kondensatutsläpp längs hela rörledningens längd. Utloppet av torr ånga från dräneringen indikerar tillräcklig uppvärmning av rörledningen.

Slå inte på elektrisk utrustning med felaktig jordning.

Tillåt inte reparation av utrustning med en elektrisk drivning, utan att ta bort spänningen från elmotorerna.

Reparation och justering av kontroll- och mätinstrument och elektrisk utrustning bör endast utföras av avdelningen för huvudinstrumentoperatören och elektriker.

Det är förbjudet att använda öppen eld i produktions- och lagringsanläggningar: rökning är tillåten på de platser som är avsedda för dessa ändamål.

Alla roterande delar av utrustningen (kopplingshalvor), pumphjul för roterande fläktar, på axlarna på elmotorer måste vara säkert fästa och inhägnade och målade röda.

Flänsanslutningar av sura ledningar måste skyddas av skyddskåpor.

Det är inte tillåtet att dra åt bultar av flänsanslutningar av rörledningar, liksom arbete på utrustning under tryck.

Apparater som arbetar under tryck måste uppfylla de krav som anges i de tekniska specifikationerna och reglerna för konstruktion och säker drift av kärl och kommunikationer som arbetar under tryck.

Arbeten i slutna fartyg bör utföras i närvaro av arbetstillstånd för att utföra gasfarligt arbete.

Ventilationen ska vara i gott skick och vara ständigt i drift.

Underhåll av lyftmekanismer, tryckkärl utförs endast av personer som är speciellt utbildade och har ett speciellt certifikat.

Inflygningar till nödskåp, branddetektorer, telefoner, brandutrustning får inte belamras med främmande föremål, de ska hållas rena och i gott skick.

Öppna öppningar i tak, plattformar, gångvägar bör ha staket 1 m högt Längst ner på staketet ska det finnas en sida eller en skyddslist 15 cm hög.

Alla instrumenterings- och automations- och blockeringssystem måste vara i gott skick.

För att förhindra avsättning av nitrit-nitratsalter på de inre ytorna av apparater och rörledningar, rotorblad, väggar av nitrösa gaskompressorer och andra delar och apparater, förhindra förlängd antändning av kontaktapparater (mer än 20 minuter), vilket sänker temperaturen på katalysatorn gasväv, bryta dem, vilket leder till glidningar av ammoniak , avslutande av bevattning av ytor, vilket leder till avsättning av nitrit-nitratsalter.

Utför avtorkning i tid, rengör utrustning från spill av processprodukter, fyll på olja i pumpens vevhus.

Arbetsplatser för reparation och andra arbeten samt passager till dessa på 1,3 m höjd eller mer ska vara inhägnade.

Om det är omöjligt eller olämpligt att installera staket för arbete på en höjd av 1,3 m och över, såväl som när man arbetar från en stege på en höjd av mer än 1,3 m, är det nödvändigt att använda säkerhetsbälten på platsen för arbete måste det finnas hjälparbetare som är redo att bistå arbetaren. Platsen för fastsättning av karbinhaken bestäms av arbetsledaren.

Säkerhetsbälten testas före idrifttagning, samt under drift var 6:e ​​månad. Säkerhetsbältet måste vara märkt med registreringsnummer och datum för nästa test.

När du arbetar med salpetersyra (provtagning, inspektion av kommunikation, start av produktion av syrapumpar etc.), är det nödvändigt att använda individuellt andnings- och ögonskydd (filtrerande gasmask med en M-märkeslåda, glasögon med en halvmask av gummi eller ett skyddande skydd sköld av plexiglas, eller en gasmaskhjälm), syrafasta gummihandskar, speciella syrasäkra kläder.

Om något fel i driften av utrustningen upptäcks, upptäcks defekter i stöd, väggar etc. i tid informera avdelningschefen, butiksmekanikern. Om det behövs, stoppa utrustningen och förbered den för leverans för reparation.

Vid varje stopp av enheten för reparation, öppna den nedre luckan på oxidationsmedlet och, i närvaro av ammoniumsalter på distributionsnätet, längs väggarna och botten, ånga den med levande ånga, dränera kondensatet.

Arbete med ånga, ångkondensat bör utföras i overaller, skor, handskar.

För att förhindra yrkesförgiftning och sjukdomar på avdelningen måste följande sanitära och hygieniska krav följas:

a) lufttemperaturen bör vara:

23- övergångsperiod och vinterperiod;

18-27- sommarperiod.

b) relativ luftfuktighet:

på sommaren - inte mer än 75%;

på vintern - inte mer än 65%.

c) buller - högst 65 dBA i ljudisolerade hytter, på andra platser högst 80 dBA;

d) vibrationer - högst 75 dB i ljudisolerade hytter, i motor- och kontaktrum högst 92 dB;

e) belysning av arbetsplatser:

ljudisolerade bås - minst 200 lux;

vid platserna för absorptionskolonner - minst 50 lux;

i motor- och kontaktrum - minst 75 lux.

f) den högsta tillåtna koncentrationen av skadliga ämnen i luften i lokalens arbetsområde:

ammoniak - inte mer än 20 mg/m3;

kväveoxider - högst 5 mg/m3.

Utöver enskilda gasmasker har avdelningen en akutförsörjning av filtrerande och isolerande gasmasker.

Nödgasmasker förvaras i nödskåp.

SLUTSATS

Under kursarbetet konstruerades en reaktor för katalytisk oxidation av ammoniak för att producera kväveoxider vid framställning av icke-koncentrerad salpetersyra.

De fysiska och kemiska grunderna för processen övervägdes. Egenskaperna för den ursprungliga råvaran och den färdiga produkten anges.

Den erforderliga luftvolymen för oxidation beräknades till 5900 m ³ / h ammoniak uppgick det till 54304 m ³ /h Volymerna syre, kväve och argon som tillfördes luft beräknades utifrån deras andel i luften. Volymerna syre, kväve, argon och vattenånga i gasen efter oxidation av ammoniak beräknades också.

Värmebalansen beräknades, vilket resulterade i att alla värmeflöden beräknades. Den temperatur till vilken det är nödvändigt att värma ammoniak-luftblandningen för att säkerställa den autotermiska karaktären hos ammoniakoxidationsprocessen beräknades, den var 288 . Temperaturen på den nitrösa gasen efter att överhettaren beräknats, den var 836,7 . Värmeförlusterna till miljön bestäms.

En genomgång av litteraturen gjordes om det mest effektiva schemat för framställning av icke-koncentrerad salpetersyra. Ett system som arbetar under högt tryck valdes, eftersom denna enhet är kompakt, alla enheter är transporterbara, enhetens energicykel är autonom. I det övervägda systemet förbrukas inte el för tekniska behov. Elektricitet förbrukas i en liten mängd endast för att driva de pumpar som är nödvändiga för att pumpa syra och leverera matarvatten till pannorna. Arbete enligt detta schema utförs utan utsläpp av skadliga gaser till atmosfären.

REFERENSER

1. Atroshchenko V.I., Kargin S.I. Teknik för salpetersyra: Proc. Bidrag till universitet. - 3:e uppl., reviderad. och ytterligare - M.: Kemi, 1970. - 496 sid.

Egorov A.P. Shereshevsky A.I., Shmanenko I.V. Allmän kemisk teknik för oorganiska ämnen: Lärobok för tekniska skolor. - Ed. 4:e revisionen - Moskva, Leningrad: Kemi, 1965 - 688-talet.

Karavaev M.M., Zasorin A.P., Kleschev N.F. Katalytisk oxidation av ammoniak / Ed. Karavaeva M.M. - M.: Kemi, 1983. - 232 sid.

Katalysatorer i kväveindustrin./Ed. Atrosjtjenko V.I. - Kharkov: Vishcha-skolan, 1977. - 144 sid.

Allmän kemisk teknik. Under redaktion av prof. Amelina A.G. Moskva: Kemi, 1977. - 400 s.

Pavlov K.F., Romankov P.G., Noskov A.A. Exempel och uppgifter i kemisk tekniks processer och apparater. L .: Kemi, 1976 - 552s.

Perlov E.I., Bagdasaryan V.S. Optimering av salpetersyraproduktion. M.: Kemi, 1983. - 208 sid.

Beräkningar för teknologin för oorganiska ämnen: Proc. Manual för universitet / Pozin M.E., Kopylev B.A., Belchenko G.V. och så vidare.; Ed. Pozina M.E. 2:a uppl. revideras och ytterligare - L.: Kemi. Leningrad. avdelningen, 1977 - 496 sid.

Rumyantsev O.V. Utrustning för högtryckssyntesverkstäder inom kväveindustrin; Proc. för universitet - M.: Kemi, 1970 - 376 sid.

10. Sokolov R.S. Kemisk teknik: lärobok. ersättning för studenter. högre lärobok institutioner: I 2 T. - M .: Humanit ed. center VLADOS, 2000. - V.1: Kemisk produktion i antropogen aktivitet. Grundläggande frågor om kemisk teknik. Produktion av oorganiska ämnen. - 368 sid.

Azotchik's Handbook./Ed. Melnikova E.Ya. - V.2: Produktion av salpetersyra. Produktion av kvävegödselmedel. Material och grundläggande specialutrustning. Energiförsörjning. Säkerhetsteknik. - M.: Kemi - 1969. - 448s.

Kemisk teknologi av oorganiska ämnen: I 2 böcker. Bok 1. Lärobok / T.G. Akhmetov, R.G. Porfiryeva, L.G. Gysin. - M.: Högre. skola, 2002. 688s.: ill.

Korobochkin V.V. Salpetersyrateknik. - Tomsk Polytechnic Universitys förlag. 2012.