Селітра із чого виробляють. Виробництво аміачної селітри

Аміачну селітру отримують нейтралізацією азотної кислоти газоподібним аміаком за реакцією:

NH 3(г) +НNО 3(ж) NH 4 NO 3 +144,9 кДж

Ця практично незворотня реакція протікає з великою швидкістю та з виділенням значної кількості тепла. Зазвичай її ведуть при тиску, близькому до атмосферного; у деяких країнах працюють установки нейтралізація протікає під тиском 0,34 МПа. У виробництві аміачної селітри використовується розведена 47-60% азотна кислота.

Тепло реакції нейтралізації використовується на випаровування води та концентрування розчину.

Промислове виробництво включає наступні стадії: нейтралізації азотної кислоти газоподібним аміаком в апараті ІТН (використання тепла нейтралізації); упарювання розчину селітри, гранулювання плава селітри, охолодження гранул, обробка гранул ПАР, упаковку, зберігання та навантаження селітри, очищення газових викидів та стічних вод. Добавки вводять за нейтралізації азотної кислоти.

На рис.1 наведено схему сучасного великотоннажного агрегату АС-72 потужністю 1360 т/сут.

Рис. 1.

1 – підігрівач кислоти; 2 - підігрівач аміаку; 3 – апарати ІТН; 4 – донейтралізатор; 5 – випарний апарат; 6 – напірний бак; 7, 8 – гранулятори; 9, 23-вентилятори; 10 - промивний скрубер; 11 - барабан; 12,14 – транспортери; 13 – елеватор; 15-апарат киплячого шару; 16 – грануляційна вежа; 17 – збірник; 18, 20 – насоси; 19 – бак для плава; 21-фільтр для плава; 22 - підігрівач повітря

Надходить 58-60%-на азотна кислота підігрівається в підігрівачі 1 до 70-80 про З соковою парою з апарату ІТН 3 і подається на нейтралізацію. Перед апаратами 3 азотну кислоту додають термічну фосфорну і сірчану кислоти в кількості 0,3-0,5% Р 2 Про 5 і 0,05-0,2% сульфату амонію, вважаючи на готовий продукт.

Сірчана та фосфорна кислоти подаються плунжерними насосами, продуктивність яких легко та точно регулюється. В агрегаті встановлено два апарати нейтралізації, що працюють паралельно. Сюди ж подається газоподібний аміак, нагрітий в підігрівачі 2 паровим конденсатом до 120-130 про С. Кількість азотної кислоти, що подаються, і аміаку регулюють таким чином, щоб на виході з апарату ІТН розчин мав невеликий надлишок азотної кислоти, що забезпечує повноту поглинання аміаку.

У нижній частині апарату відбувається нейтралізація кислот при температурі 155-170°З отриманням розчину, що містить 91-92% NH 4 NO 3 . У верхній частині апарату водяні пари (так звана сокова пара) відмиваються від бризок аміачної селітри та пари HN0 3 . Частина тепла сокової пари використовується для підігріву азотної кислоти. Далі сокову пару направляють на очищення промивні скрубери і потім викидають в атмосферу.

Кислий розчин аміачної селітри направляють донейтралізатор 4, куди надходить аміак у кількості, необхідному для донейтралізації розчину. Потім розчин подають у випарний апарат 5 на доупарку, яка ведеться водяною парою під тиском 1,4 МПа та повітрям, нагрітим приблизно до 180°С. Отриманий плав, що містить 99,8-99,7% селітри, при 175 °С проходить фільтр 21 і відцентровим занурювальним насосом 20 подається в напірний бак 5, а потім прямокутну металеву грануляційну вежу 16 довжиною 11 м, шириною 8 м і висотою верху до конуса 52,8м.

У верхній частині вежі розташовані гранулятори 7 та 8; в нижню частину вежі подають повітря, що охолоджує краплі селітри, які перетворюються на гранули. Висота падіння частинок селітри 50-55м. Конструкція грануляторів забезпечує отримання гранул однорідного гранулометричного складу з мінімальним вмістом дрібних гранул, що зменшує віднесення повітрям пилу з вежі. Температура гранул на виході з вежі дорівнює 90-110 ° С, тому їх направляють для охолодження в апарат киплячого шару 15. Апарат киплячого шару - прямокутний апарат, що має три секції і з решіткою з отворами. Під решітку вентиляторами подається повітря, при цьому створюється киплячий шар гранул селітри висотою 100-150 мм, які надходять транспортером з грануляційної вежі. Відбувається інтенсивне охолодження гранул до температури 40 ° С (але не вище 50 ° С), що відповідає умовам існування IV модифікації. Якщо температура повітря, що охолоджує, нижче 15°С, то перед надходженням в апарат киплячого шару повітря підігрівають в теплообміннику до 20°С. У холодний період у роботі можуть бути 1-2 секції.

Повітря з апарату 15 надходить у грануляційну вежу для утворення гранул та їхнього охолодження.

Гранули аміачної селітри з апарату киплячого шару подають транспортером 14 на обробку поверхнево-активною речовиною в барабан 11, що обертається. Тут гранули обприскують розпиленим 40%-ним водним розчином диспергатора НФ. Після цього селітра проходить електромагнітний сепаратор для відділення металевих предметів, що випадково потрапили, і направляється в бункер, а потім на зважування і упаковку в паперові або поліетиленові мішки. Мішки транспортером подають для завантаження у вагони чи склад.

Повітря, що виходить з верхньої частини грануляційної вежі, забруднене частинками аміачної селітри, а сокова пара з нейтралізатора і пароповітряна суміш з випарного апарату містить аміак, що не прореагували, і азотну кислоту і частинки віднесеної аміачної селітри. Для очищення у верхній частині грануляційної вежі встановлені шість паралельно працюючих промивних скруберів тарілчастого типу 10, зрошуваних 20-30% розчином аміачної селітри, яка подається насосом 18 з бака. Частина цього розчину відводиться в нейтралізатор ІТН для промивання сокової пари, а потім підмішується до розчину аміачної селітри і, отже, йде на вироблення продукції.

З циклу безперервно відводиться частина розчину (20-30%), тому цикл збіднюється та заповнюється добавкою води. На виході з кожного скрубера встановлений вентилятор 9 продуктивністю 100000 м 3 /год, який відсмоктує повітря з грануляційної вежі та викидає його в атмосферу.

Аміачна селітра, або нітрат амонію, NH 4 NO 3 - кристалічна речовина білого кольору, що містить 35% азоту в амонійній та нітратній формах, обидві форми азоту легко засвоюються рослинами. Гранульовану аміачну селітру застосовують у великих масштабах перед посівом та для всіх видів підживлення. У менших масштабах її використовують із виробництва вибухових речовин.

Аміачна селітра добре розчиняється у воді і має велику гігроскопічність (здатність поглинати вологу з повітря), що є причиною того, що гранули добрива розпливаються, втрачають свою кристалічну форму, відбувається стеження добрив - сипкий матеріал перетворюється на тверду монолітну масу.

Принципова схема виробництва нітрату амонію

Для отримання аміачної селітри, що практично не простежується, застосовують ряд технологічних прийомів. Ефективним засобом зменшення швидкості поглинання вологи гігроскопічними солями є їхнє гранулювання. Сумарна поверхня однорідних гранул менше поверхні такої ж кількості дрібнокристалічної солі, тому гранульовані добрива повільніше поглинають вологу.

Як аналогічно діючих добавок застосовують також фосфати амонію, хлорид калію, нітрат магнію. В основі процесу виробництва аміачної селітри лежить гетерогенна реакція взаємодії газоподібного аміаку з розчином азотної кислоти:

NH 3 +HNO 3 = NH 4 NO 3; ΔН = -144.9кДж

Хімічна реакція протікає із великою швидкістю; у промисловому реакторі вона лімітується розчиненням газу рідини. Для зменшення дифузного гальмування велике значення має перемішування реагентів.

Технологічний процес виробництва аміачної селітри включає крім стадії нейтралізації азотної кислоти аміаком також стадії упарювання розчину селітри, гранулювання плава, охолодження гранул, обробки гранул поверхнево-активними речовинами, упаковки, зберігання та навантаження селітри, очищення газових викидів та стічних вод. На рис. 8.8 наведено схему сучасного великотоннажного агрегату з виробництва аміачної селітри АС-72 потужністю 1360 т/добу. Вихідна 58-60%-на азотна кислота підігрівається в підігрівачі до 70 - 80 ° С соковою парою з апарату ІТН 3 і подається на нейтралізацію. Перед апаратами 3 до азотної кислоти додають фосфорну і сірчану кислоти в таких кількостях, щоб у готовому продукті містилася 0,3-0,5% Р 2 Про 5 і 0,05-0,2% сульфату амонію. В агрегаті встановлено два апарати ІТН, що працюють паралельно. Крім азотної кислоти, в них подають газоподібний аміак, попередньо нагрітий у підігрівачі 2 паровим конденсатом до 120-130°С. Кількості азотної кислоти та аміаку, що подаються, регулюють таким чином, щоб на виході з апарату ІТН розчин мав невеликий надлишок кислоти (2-5 г/л), що забезпечує повноту поглинання аміаку.

У нижній частині апарату відбувається реакція нейтралізації за температури 155-170°С; при цьому виходить концентрований розчин, що містить 91-92% NH 4 NO 3 . У верхній частині апарату водяні пари (так звана сокова пара) відмиваються від бризок аміачної селітри та пар азотної кислоти. Частина теплоти сокової пари використовується для підігріву азотної кислоти. Потім сокову пару направляють на очищення та викидають в атмосферу.

Рис.8.8.Схема агрегату аміачної селітри АС-72:

1 – підігрівач кислоти; 2 – підігрівач аміаку; 3 -апарати ІТН; 4 – донейтралізатор; 5 - випарний апарат; 6 – напірний бак; 7,8 – гранулятори; 9,23 – вентилятори; 10 - промивний скрубер; 11 – барабан; 12,14 – транспортери; 13 -елеватор; 15 - апарат киплячого шару; 16 -грануляційна вежа; 17 – збірка; 18, 20 – насоси; 19 - бак для плава; 21 -фільтр для плава; 22 – підігрівач повітря.

Кислий розчин аміачної селітри направляють донейтралізатор 4; куди надходить аміак, необхідний для взаємодії з азотною кислотою, що залишилася. Потім розчин подають у випарний апарат 5. Отриманий плав, що містить 99,7-99,8% селітри, при 175°С проходить фільтр 21 і відцентровим занурювальним насосом 20 подається в напірний бак 6, а потім прямокутну металеву грануляційну вежу 16.

У верхній частині вежі розташовані гранулятори 7 і 8, в нижню частину яких подають повітря, що охолоджує краплі селітри, що падають зверху. Під час падіння крапель селітри з висоти 50-55 м при обтіканні потоком повітря утворюються гранули добрива. Температура гранул на виході з вежі дорівнює 90-110 ° С; гарячі гранули охолоджують в апараті киплячого шару 15. Це прямокутний апарат, що має три секції і має решітку з отворами. Під ґрати вентиляторами подають повітря; при цьому створюється псевдозріджений шар гранул селітри, що надходять транспортером з грануляційної вежі. Повітря після охолодження потрапляє у грануляційну вежу. Гранули аміачної селітри транспортером 14 подають на обробку поверхнево-активними речовинами в барабан, що обертається. Потім готове добриво транспортером направляють 12 на упаковку.

Повітря, що виходить з грануляційної вежі, забруднене частинками аміачної селітри, а сокова пара з нейтралізатора і пароповітряна суміш з випарного апарату містять аміак, що не прореагував, і азотну кислоту, а також частинки віднесеної аміачної селітри.

Для очищення цих потоків у верхній частині грануляційної вежі розташовані шість паралельно працюючих промивних скруберів тарілчастого типу 10, зрошуваних 20-30%-ним розчином аміачної селітри, яка подається насосом 18 зі збірки 17. Частина цього розчину відводиться в а потім підмішується до розчину селітри, і, отже, використовується для вироблення продукції. Очищене повітря відсмоктується з грануляційної вежі вентилятором 9 і викидається в атмосферу.

Технологічний процес виробництва нітрату амонію складається з наступних основних стадій: нейтралізація азотної кислоти газоподібним аміаком, випарювання розчину нітрату амонію, кристалізація та гранулювання плава.

Газоподібний аміак з підігрівача 1 і азотна кислота з підігрівача 2 при температурі 80-90 0 З надходять в апарат ІТП 3. Для зменшення втрат аміаку разом з парою ведуть реакцію в надлишку кислоти. Розчин нітрату амонію з апарату 3 нейтралізується в донейтралізаторі 4 аміаком і надходить на упарювання у випарний апарат 5. Отриманий плав, що містить 99,7-99,8% селітри при температурі 175 0С проходить фільтр 21 насос у прямокутну грануляційну вежу 16.

5.1. Технологічна схема виробництва аміачної селітри.

1 - підігрівач аміаку, 2 - підігрівач азотної кислоти, 3 - апарат ІТН (з використанням теплоти нейтралізації), 4 - донейтралізатор, 5 - випарний апарат, 6 - напірний бак, 7,8 - гранулятори, 9,23 - вентилятори, 10 - промивний скрубер, 11 - барабан, 12,14 - транспортери, 13 - елеватор, 15 - апарат киплячого шару, 16 - грануляційна вежа, 17 - збірник, 18, 20 - насоси, 19 - бак для плава, 21 - фільтр для плава, 22 - підігрівач повітря.

У верхній частині вежі розташовані гранулятори 7 і 8, в нижню частину яких подають повітря, що охолоджує краплі селітри, що падають зверху. Під час падіння крапель селітри з висоти 50-55 метрів при обтіканні їх потоком повітря утворюються гранули, які охолоджують в апараті киплячого шару 15. Це прямокутний апарат, що має три секції та ґрати з отворами. Під ґрати вентиляторами подають повітря. Створюється псевдозріджений шар гранул селітри, що надходять транспортеру з грануляційної вежі. Повітря після охолодження потрапляє у грануляційну вежу.

Гранули аміачної селітри транспортером 14 подають на обробку поверхнево-активними речовинами в барабан, що обертається 11. Потім готове добриво транспортером 12 направляють на упаковку.

Повітря, що виходить з грануляційної вежі, забруднене нітратом амонію, а сокова пара з нейтралізатора містить аміак, що нерореагував, і азотну кислоту, а також частинки віднесеної аміачної селітри. Для очищення цих потоків у верхній частині грануляційної вежі розташовані шість паралельно працюючих промивних скруберів тарілчастого типу 10, зрошуваних 20-30% розчином селітри, яка подається насосом 18 зі збірки 17. Частина цього розчину відводиться в нейтралізатор ИТН до розчину селітри, і, отже, використовується вироблення продукції. Очищене повітря відсмоктується з грануляційної вежі вентилятором 9 і викидається в атмосферу.

ВСТУП

Азотна промисловість є однією з галузей, що швидко розвиваються.

Азотна кислота є одним з вихідних продуктів для отримання більшості азотовмісних речовин і належить до найважливіших кислот.

За масштабом виробництва азотна кислота посідає друге місце серед різних кислот після сірчаної. Великий масштаб виробництва пояснюється тим, що азотна кислота та її солі набули у народному господарстві вельми істотного значення.

Споживання азотної кислоти не обмежується виробництвом добрив. Вона знаходить широке застосування при отриманні всіх видів вибухових речовин, цілого ряду технічних солей, у промисловості органічного синтезу, при виробництві сірчаної кислоти, ракетної техніки і в багатьох інших галузях народного господарства.

Промислове виробництво азотної кислоти засноване на каталітичному окисненні аміаку киснем повітря з подальшим поглинанням оксидів азоту, що утворюються водою.

Метою даного курсового проекту є розгляд першого ступеня виробництва азотної кислоти - контактне окиснення аміаку, а також розрахунок матеріального та теплового балансів реактора.

У технологічних схемах отримання азотної кислоти процес каталітичного окиснення аміаку має важливе значення, оскільки саме він визначає три основні показники - витрата аміаку, вкладення та втрати платинових металів, а також енергетичні можливості схеми. У зв'язку з цим удосконалення процесу каталітичного окиснення аміаку має велике значення для азотної кислоти і мінеральних добрив загалом.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЗОТНОЇ КИСЛОТИ

1.1 Сорти азотної кислоти

У промисловості застосовують 2 сорти азотної кислоти: розбавлену (слабку) з вмістом 30-60% HNO3 і концентровану, що містить 97-99% HNO3, а також порівняно невелику кількість реактивної та особливо чистої азотної кислоти. Якість азотної кислоти, що випускається, повинна відповідати встановленим стандартам.

За фізико-хімічними показниками концентрована азотна кислота повинна відповідати нормам, зазначеним у таблиці 1.

Таблиця 1 - Вимоги щодо якості концентрованої азотної кислоти (ГОСТ 701-89)

Якість азотної кислоти, що випускається, повинна відповідати встановленим стандартам, зазначені в таблицях 2 і 3.

Таблиця 2 – Вимоги до якості неконцентрованої азотної кислоти (ОСТ 6-03-270-76)

Таблиця 3 - Вимоги до якості азотної кислоти (ГОСТ 4461-67)

Вміст у %, не більше Х.ч.Ч.д.а. 005Сульфати (SO42)-0,00020,00050,002Фосфати (PO43-)0,000020,00020,002Хлориди (Cl-)0,000050,00010,0005Залізо (Fe)0,000000 ,0010,002Миш'як (As)0,0000020,0000030,00001Тяжкі метали (Pb)0,000020,00050,0005

1.2 Застосування азотної кислоти

Азотну кислоту використовують у різних сферах діяльності:

1)при гальванізації та хромуванні деталей;

)для виробництва мінеральних добрив;

)для одержання вибухових речовин (військова промисловість);

)у виробництві ліків (фармацевтика);

)одержання азотнокислого срібла для фотографії;

)для травлення та гравіювання металевих форм;

)як сировина для отримання концентрованої азотної кислоти;

)у гідрометалургії;

)у ювелірній справі - основний спосіб визначення золота у золотому сплаві;

)для отримання ароматичних нітросполук - прекурсорів барвників, фармакологічних препаратів та інших сполук, що використовуються у тонкому органічному синтезі;

)для отримання нітроцелюлози.

1.3 Властивості азотної кислоти

3.1 Фізичні властивості азотної кислоти

Азотна кислота - одна з сильних одноосновних кислот із різким задушливим запахом, чутлива до світла і при яскравому освітленні розкладається на один із оксидів азоту (ще званий бурим газом - NO2) та воду. Тому її бажано зберігати у темних ємностях. У концентрованому стані вона не розчиняє алюміній та залізо, тому можна зберігати у відповідних металевих ємностях. Азотна кислота - це сильний електроліт (як багато кислот) і дуже сильний окислювач. Її часто використовують при реакціях із органічними речовинами.

Азот в азотній кислоті чотирихвалентний, ступінь окиснення +5. Азотна кислота - безбарвна рідина, що димить на повітрі, температура плавлення -41,59 , кипіння +82,6 з частковим розкладанням. Розчинність азотної кислоти у питній воді не обмежена. Водні розчини HNO3 з масовою часткою 0,95-0,98 називають «димною азотною кислотою», з масовою часткою 0,6-0,7 - концентрованою азотною кислотою. З водою утворює азеотропну суміш (масова частка 68,4%, d20 = 1,41 г/см, Tкіп = 120,7 )

При кристалізації з водних розчинів азотна кислота утворює кристалогідрати:

) моногідрат HNO3 · H2O, Tпл = -37,62 ;

2) тригідрат HNO3 · 3H2O, Tпл = -18,47 .

Азотна кислота, як і озон, може утворюватися в атмосфері при спалахах блискавки. Азот, що становить 78 % складу атмосферного повітря, реагує з атмосферним киснем, утворюючи оксид азоту NO. При подальшому окисленні повітря цей оксид перетворюється на діоксид азоту (бурий газ NO2), який реагує з атмосферної вологою (хмарами і туманом), утворюючи азотну кислоту.

Але така мала кількість абсолютно нешкідлива для екології землі та живих організмів. Один об'єм азотної і три об'єми соляної кислоти утворюють сполуку, яка називається «царською горілкою». Вона здатна розчиняти метали (платину та золото), нерозчинні у звичайних кислотах. При внесенні в цю суміш паперу, соломи, бавовни відбудеться енергійне окислення, навіть запалення.

1.3.2 Хімічні властивості азотної кислоти

Азотна кислота виявляє різні хімічні властивості залежно від концентрації та речовини, з якою вона реагує.

Якщо азотна кислота концентрована:

1) з металами – залізом (Fe), хромом (Cr), алюмінієм (Al), золотом (Au), платиною (Pt), іридієм (Ir), натрієм (Na) – не взаємодіє через утворення на їх поверхні захисної плівки яка не дозволяє далі окислюватися металу. З усіма іншими металами<#"justify">HNO3 кінець + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1)

2) з неметалами<#"justify">HNO3 конц. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2)

Якщо азотна кислота розведена:

1) при взаємодії з лужноземельними металами, а також з цинком (Zn), залізом (Fe), вона окислюється до аміаку (NH3) або до аміачної селітри (NH4NO3). Наприклад, при реакції з магнієм (Mg):

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

Але може також утворюватися закис азоту (N2O), наприклад, при реакції з магнієм (Mg):

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

З рештою металів реагує з утворенням оксиду азоту (NO), наприклад, розчиняє срібло (Ag):

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

2) аналогічно реагує з неметалами, наприклад із сіркою<#"justify">HNO3 розбавив + S = H2SO4 + 2NO (6)

Окислення сірки до утворення сірчаної кислоти та виділення газу – оксиду азоту;

3) хімічна реакція з оксидами металів, наприклад, оксид кальцію:

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

Утворюється сіль (нітрат кальцію) та вода;

) хімічна реакція з гідроксидами (або основами), наприклад, з гашеним вапном:

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

Утворюється сіль (нітрат кальцію) та вода – реакція нейтралізації;

) хімічна реакція із солями, наприклад з крейдою:

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

Утворюється сіль (нітрат кальцію) та інша кислота (в даному випадку – вугільна, яка розпадається на воду та вуглекислий газ).

6) залежно від розчиненого металу, розкладання солі при температурі відбувається наступним чином:

а) будь-який метал (позначений як Me) до магнію (Mg):

MeNO2 + O2 (10)

б) будь-який метал від магнію (Mg) до міді (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2 (11)

в) будь-який метал після міді (Cu):

3 = Me + NO2 + O2 (12)

2. СПОСОБИ ОТРИМАННЯ АЗОТНОЇ КИСЛОТИ

азотний кислота каталізатор аміак

Промислові способи одержання розведеної азотної кислоти включають такі стадії:

) одержання оксиду азоту (II);

2) окиснення його до оксиду азоту (IV);

3) абсорбцію NO2 водою;

4) очищення газів (що містять в основному молекулярний азот) від оксидів азоту.

Концентровану азотну кислоту одержують двома способами:

1) перший спосіб полягає в ректифікації потрійних сумішей, що містять азотну кислоту, воду та водовіднімні речовини (зазвичай сірчану кислоту або нітрат магнію). В результаті одержують пари 100% азотної кислоти (які конденсують) і водні розчини водовіднімає агента, останнє випарюють і повертають у виробництво;

2) другий спосіб заснований на реакції:

N2O4(т) + 2H2O(ж) + O2(г) = 4HNO3(ж) + 78,8кДж (13)

При тиску 5 МПа та використанні чистого О2 утворюється 97-98% кислота, що містить до 30% за масою оксидів азоту. Цільовий продукт одержують розгонкою цього розчину. Азотну кислоту особливої ​​чистоти одержують ректифікацією 97-98,5% азотною кислотою в апаратурі із силікатного або кварцового скла. Вміст домішок у такій кислоті менше 110-6% за масою.

3. Сировинна база у виробництві неконцентрованої азотної кислоти

Основною сировиною для виробництва неконцентрованої азотної кислоти в даний час є аміак, повітря та вода. Допоміжними матеріальними та енергетичними ресурсами є каталізатори окиснення аміаку та очищення вихлопних газів, природний газ, пара та електроенергія.

1. Аміак. У звичайних умовах є безбарвним газом з різким запахом, добре розчинний у воді та інших розчинниках, утворює гемі- і моногідрати. Поворотним етапом у розвитку виробництва синтетичного аміаку стало застосування головного сьогодні у промисловості способу отримання водню конверсією метану, що міститься у природному газі, у попутних нафтових газах і продуктах нафтопереробки. Вміст домішок у рідкому аміаку регламентується ГОСТ 6221-82. Найбільш типовими домішками є: вода, мастила, каталізаторний пил, окалина, карбонат амонію, розчинені гази (водень, азот, метан). При порушенні ГОСТ домішки, що містяться в аміаку, можуть потрапити в аміачно-повітряну суміш і знизити вихід оксиду азоту(II), а водень і метан можуть змінити межі вибуховості аміано-повітряної суміші.

Повітря. Для технічних розрахунків приймають, що сухе повітря містить [%, (про)): N2 = 78,1, О2 = 21,0, Ar2 = 0,9, Н2О = 0,1-2,8. У повітрі можуть бути також сліди SO2, NH3, CO2. У районі промислових майданчиків повітря забруднене пилом різного походження, а також різноманітними компонентами неорганізованих газових викидів (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2 та ін.). Кількість пилу повітря становить 0,5-1,0 мг/м3.

3. Вода. Використовується у виробництві азотної кислоти для зрошення абсорбційної колони, для вироблення пари при утилізації тепла в котлах-утилізаторах, для охолодження реакційних апаратів. Для абсорбції оксидів азоту використовують найчастіше паровий конденсат та хімічно очищену воду. У деяких схемах можна застосовувати конденсат сокової пари аміачної селітри. У будь-якому випадку вода, що використовується для зрошення колон, не повинна містити вільного аміаку і твердих суспензій, вміст хлорид-іону має бути не більше 2 мг/л, олії не більше 1 мг/л, NH4NO3 - не більше 0,5 г/л . Хімічно очищена вода для котлів-утилізаторів має відповідати вимогам ГОСТ 20995-75. Технічна вода, призначена для відведення тепла в теплообмінниках та охолодження обладнання (оборотна вода), повинна відповідати наступним вимогам: жорсткість карбонатна не більше 3,6 мекв/кг, вміст завислих речовин не більше 50 мг/кг, значення pH 6,5-8 ,5.

4. Кисень. Застосовується переважно у виробництві концентрованої азотної кислоти методом прямого синтезу. В окремих випадках використовують для збагачення аміачно-повітряної суміші при отриманні неконцентрованої азотної кислоти.

4. КОНТАКТНЕ ОКІСЛЕННЯ АММІАКУ

4.1 Фізико-хімічні основи процесу

Сучасні методи виробництва азотної кислоти засновані на контактному окисленні аміаку. При окисленні аміаку на різних каталізаторах і залежно від умов протікають наступні реакції:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O + 907,3 кДж (14)

4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6Н2O + 1104,9 кДж (15)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O + 1269,1 кДж (16)

Крім реакцій (14-16) можливі інші, що протікають у приповерхневих шарах каталізатора. Наприклад, розкладання NO, взаємодія N2O, NO2 та NH3:

NO N2+O2 (17)

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

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

Природно, що реакція (14) буде «корисною». Термодинамічні розрахунки показують, що реакції (14-16) практично протікають остаточно.

Константи рівноваги зворотних реакцій (14-16) при 900°С мають такі значення

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

де k1 – NO + Н2O; k2 – NH3 + O2.

При 900 каталітичне перетворення аміаку в кінцеві продукти досягає 100%, тобто процес практично необоротний.

Однак рівняння (14-16) не відображають дійсного механізму процесу, тому що в цьому випадку реакції (14) повинні були б одночасно зіткнутися дев'ять молекул; у реакції (16) - сім молекул. Це майже неймовірно.

Запропоновано кілька механізмів окиснення аміаку на каталізаторах. Відмінності уявлення про механізми полягають у наступному:

1) утворення NO та N2 через проміжне з'єднання на каталізаторі;

2) освіта NO відбувається на каталізаторі, а освіта N2 на каталізаторі та в обсязі газу.

На підставі сказаного (про константу рівноваги та механізми окислення) можна констатувати, що обраний каталізатор повинен мати високу активність (велика швидкість реакції і малий час контакту: при його збільшенні зростає ймовірність утворення N2) і селективністю по відношенню до реакції (14).

Серед кількох механізмів, запропонованих нашими та зарубіжними вченими, найбільшого поширення набув механізм, запропонований Л.К. Андросовим, Г.К. Боресковим, Д.А. Епштейн.

Поетапно механізм можна представити так:

1 етап – окислення поверхні платини. Утворюється пероксидний комплекс каталізатор-кисень (рис. 1).

Малюнок 1 - Структура пероксидного комплексу каталізатор-кисень

етап - дифузія та адсорбція аміаку на покритій киснем поверхні платини. Утворюється комплекс каталізатор-кисень-аміак (рисунок 2).

Малюнок 2 - Структура комплексу каталізатор-кисень-аміак

Етап - перерозподіл електронних зв'язків, розрив старих зв'язків та зміцнення нових зв'язків.

етап - десорбція продуктів та дифузія в потік газу (стійкі з'єднання NO та Н2O видаляються з поверхні).

Центри, що звільнилися, знову адсорбують кисень, оскільки швидкість дифузії кисню вища, ніж у аміаку тощо.

Перетворення аміаку на азот, на думку І.І. Бергера та Г.К. Борескова може відбуватися в обсязі в результаті реакцій аміаку, як з киснем, так і з оксидом азоту.

Розрізняють кінетичну, перехідну та дифузійну області протікання процесу. Кінетична область властива низьким температурам: вона обмежується температурою запалення каталізатора, при якій відзначається швидке мимовільне розігрів його поверхні, тобто до температури запалення швидкість лімітується швидкістю хімічної реакції на контакті. При Т > Тзаж вже дифузія контролює процес – хімічна реакція швидка. Процес перетворюється на дифузійну область. Саме ця область (600-1000 ) характерна для стаціонарного автотермічного процесу у промислових умовах. Звідси випливає неодмінне збільшення об'ємної швидкості газу та зменшення часу контакту.

Реакція окиснення аміаку на активних каталізаторах починається раніше: на паладіє (Pd) при 100 , на платині (Pt) при 145 , на залозі (Fe) при 230 , На оксидах металів температура початку реакції коливається в широких межах. Разом з тим достатньої швидкості та ступеня перетворення вона досягає за Т > 600 .

4.2 Каталізатори окиснення аміаку

Майже на всіх азотнокислотних заводах як каталізатор для окислення аміаку застосовують платину або її сплави.

Платина є дорогим каталізатором, зате вона протягом тривалого часу зберігає високу активність, має достатню стійкість і механічну міцність і легко регенерується. Нарешті, за сучасної сітчастої формі каталізатора застосування платини дає можливість використовувати найпростіший тип контактних апаратів. Вона легко розпалюється, і витрата на одиницю продукції незначний.

У виробництві азотної кислоти не застосовують носіїв для платини та її сплавів, так як за наявності носіїв відносно швидко знижується активність каталізатора і утруднюється регенерація його. На сучасних заводах платину для каталізаторів застосовують як сіток. Сітчаста форма створює велику поверхню каталізатора в контактному апараті за відносно малої витрати платини. Зазвичай застосовують сітки, у яких діаметр дроту дорівнює 0,045-0,09 мм із розмірами з боку осередку 0,22 мм. Площа сіток, не зайнята дротом, становить приблизно 50-60% її площі. При застосуванні ниток іншого діаметра кількість плетив змінюють з таким розрахунком, щоб вільна площа, не зайнята дротом, залишалася у зазначених межах.

У контактних апаратах, які працюють під атмосферним тиском. встановлюють від 2 до 4 сіток, переважно 3, а апаратах, які працюють під тиском до 8 атм, - від 13 до 16 сіток. При встановленні однієї сітки частина молекул аміаку не стикається з каталізатором, що знижує вихід окису азоту. У найкращих умовах на одній сітці ступінь контактування може досягати 86-90%, на двох сітках 95-97%, а на трьох – 98%. При роботі під атмосферним тиском не застосовують більше 4 сіток, так як при великій кількості сіток, хоча продуктивність контактного апарату і зростає, але сильно збільшується опір газовому потоку. Сітки повинні щільно прилягати одна до одної, тому що, в іншому випадку, у вільному просторі між сітками протікає ряд гомогенных реакцій, що знижують вихід окису азоту.

У процесі роботи платинові сітки сильно розпушуються. Гладкі та блискучі нитки їх робляться губчастими та матовими, еластичні сітки робляться крихкими. Утворення губчастої, розпушеної поверхні збільшує товщину ниток. Все це створює сильно розвинену поверхню сіток, що підвищує каталітичну активність платини. Тільки отруєння каталізатора домішками, що надходять з газами, може надалі викликати зниження активності.

Розпушення поверхні платинових сіток з часом призводить до сильного руйнування сіток, що спричиняє великі втрати платини.

Платина, призначена виготовлення каталізатора, має містити заліза, яке вже за 0,2 % значно знижує вихід окису азоту.

Чиста платина за високих температур швидко руйнується, і її дрібні частинки несуть з потоком газу. Інші метали платинової групи у чистому вигляді як каталізаторів не застосовують. Паладій швидко руйнується. Ірідій та родій мало активні. Осмій легко окислюється.

Були вивчені та застосовані сплави платини, що мають більшу міцність і не меншу активність, ніж чиста платина. На практиці застосовують сплави платини з іридієм або родієм і іноді з паладієм. Сітки зі сплаву платини з 1% іридію при високих температурах мають більшу активність, ніж платинові. Значно велика активність і особливо механічна міцність властиві сплавам платини з родієм.

Найкращий вихід окису азоту виходить під час роботи на сплавах платини, у яких міститься 10 % родію. Проте, враховуючи вищу вартість родію порівняно з платиною, вміст їх у сплавах зазвичай знижують до 7-5%.

При окисленні аміаку під тиском на платино-родієвих сітках виходить значно більший вихід окису азоту, ніж чисто платинових.

Платинові каталізатори чутливі до деяких домішок, які у вихідному газі. Так, наявність у газі 0,00002% фосфіну (РН3) знижує рівень конверсії до 80%. Менш сильними отрутами є сірководень, пари ацетилену, мастил, оксиди заліза та інші речовини. Регенерують сітки, обробляючи їх 10-15% розчином соляної кислоти при 60-70°С протягом 2 год. Потім сітки ретельно промивають дистильованою водою, сушать і прожарюють у полум'ї водню. У процесі роботи змінюється фізична структура сіток та зменшується механічна міцність сплаву, що збільшує втрати металу та скорочує термін служби каталізатора.

4.3. Склад газової суміші. Оптимальний вміст аміаку в аміачно-повітряній суміші

Для окиснення аміаку застосовують переважно повітря. Витрата кисню на окислення аміаку по реакції (24) з утворенням NO можна розрахувати так:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O (24)

По реакції (24) на 1 моль NH3 припадає 1,25 молячи O2 = тоді - зміст NH3 можна виразити так:

де - кількість NH3 у суміші з повітрям; 100 – загальна кількість суміші (%).

Проте це теоретично. Для практичних цілей використовують певний надлишок кисню, тоді концентрація аміаку буде меншою за 14,4 % (про.).

Оптимальною концентрацією аміаку в аміачно-повітряній суміші є найбільший вміст, при якому ще можливий високий вихід NO при співвідношенні O2:NH3< 2.

Різке зменшення рівня конверсії спостерігається при зниженні співвідношення O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, то ступінь конверсії значно підвищується.

Отже, важливий момент:

1) з одного боку, збільшення вмісту NH3 в аміачно-повітряній суміші, тобто зменшення відношення O2:NH3, призводить до зниження рівня конверсії аміаку;

2) з іншого боку, зі збільшенням вмісту NH3 в аміачно-повітряній суміші, збільшується температура системи, тому що виділяється більше тепла за реакціями (14-16), і рівень конверсії зростає, що видно з таблиці 4.

Таблиця 4 - Залежність ступеня конверсії аміаку від його вмісту в аміачно-повітряній суміші (P = 0,65 МПа)

Зміст NH3 у суміші, % (про.) Співвідношення O2:NH3Температур конверсії, Ступінь конверсії NH3, %9,531,9874391,8810,421,7878693,1610,501,7678993,3011,101,6782894,2111,531,5983495,30

З таблиці 4 слід, що підвищення температури з 740 до 830°З при співвідношенні O2:NH3 в межах 1,6-2 сприятливо впливає на процес. При співвідношенні O2:NН3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Надлишок О2 необхідний для того, щоб поверхня платини завжди була покрита киснем для здійснення процесу окислення за аналізованим раніше механізмом і виключення утворення N2 і N2O (при нестачі кисню). Він має бути більше 30%, тобто співвідношення O2: NH3> 1,62.

Склад газу також залежатиме і від протікання другої стадії отримання азотної кислоти (окислення NO)

2NO + 1,5O2 + Н2O = 2HNO3 (25)

Для її проведення також потрібний надлишок кисню:

1) для систем, що працюють під тиском – 2,5 %;

2) для систем, що працюють при атмосферному тиску – 5 %.

Сумарна реакція, що визначає потребу кисню для отримання азотної кислоти, записується так

NH3 + 2O2 = HNO3 + Н2O (26)

Є ще одна обставина, через яку небажано збільшувати концентрацію аміаку вище 9,5 % (про.). У цьому випадку має місце зниження концентрації оксидів азоту в поглинальних вежах, за рахунок введення додаткового кисню (тобто йде розведення NO). Таким чином, 9,5% (об.) - Оптимальний вміст аміаку для всіх стадій отримання розведеної азотної кислоти.

Можна замість повітря застосовувати для окиснення кисень. Тоді, відповідно до сумарної реакції (26), необхідно підвищити концентрацію аміаку до 33,3 % (об.). Однак тут набуває чинності техніка безпеки, оскільки суміш з такою концентрацією аміаку стає вибухонебезпечною (таблиця 5).

Таблиця 5 - Нижній (НПВ) та верхній (ВПВ) межі вибуховості суміші аміак-кисень-азот

При підвищенні вологості газу межі вибуховості звужуються, тобто можна застосувати парокисневу конверсію аміаку.

Суміші аміаку з киснем спалахують із вибухом (Твоспл = 700-800 ). У цих температурних межах самозаймання відбувається за будь-якого вмісту аміаку в аміачно-кисневій суміші.

Аміачно-повітряні суміші, що практично застосовуються (концентрація аміаку 9,5-11,5 % (об.)) не вибухонебезпечні (таблиця 5). Існують залежності меж вибуховості аміачно-повітряної суміші від вмісту аміаку та кисню при різних тисках.

Проте слід зазначити, що швидкість поширення вибуху невелика й у аміачно-повітряної суміші становить 0,3-0,5 м/с. Т. е. для усунення можливості поширення вибуху потрібно створити швидкість газу більше цього значення (0,5 м/с). Це якраз і досягається використанням у процесі активних платиноїдних каталізаторів, де час контакту становить 10-4 с і, отже, лінійна швидкість понад 1,5 м/с.

4.4 Окислення аміаку під тиском

Метою підвищення тиску є:

1) необхідність збільшення швидкості процесу;

2) компактність установок.

Термодинамічно доведено, що навіть за високих тисків вихід NO близький до 100 %. Продуктивність конвертора збільшується зі зростанням тиску та збільшенням кількості сіток платиноїдного каталізатора. Зі зростанням тиску збільшується і температура процесу вище 900 . Однак при збільшенні тиску для досягнення високого ступеня конверсії NH3 необхідно збільшити час перебування газу в конверторі

що у свою чергу призводить до збільшення кількості сіток.

Головний недолік – підвищені втрати каталізатора платини (Pt) за високих температур. Ці недоліки (втрата платини, зниження ступеня конверсії) можна виключити, вдавшись до комбінованої схеми виробництва, тобто здійснюючи процес окислення NH3 при атмосферному або близькому до нього тиску, а окислення NO та абсорбцію при підвищеному тиску. Такий підхід часто реалізується у технологічних схемах багатьох країн. Водночас витрати енергії на копремування газу підвищують собівартість азотної кислоти.

4.5 Оптимальні умови окиснення аміаку

Температура. Реакція аміаку на платині починається за 145 , але протікає з малим виходом NO та утворенням переважно елементарного азоту. Підвищення температури призводить до збільшення виходу окису азоту та зростання швидкості реакції. В інтервалі 700-1000 вихід NO може бути доведений до 95-98%. Час контактування при підвищенні температури від 650 до 900 скорочується приблизно вп'ятеро (від 5 10-4 до 1,1 10-4 сек). Необхідний температурний режим процесу може підтримуватись за рахунок тепла реакцій окиснення. Для сухої аміачно-повітряної суміші, що містить 10% NH3, за ступенем конверсії 96% теоретичне підвищення температури газу становить приблизно 705 або близько 70 на кожен відсоток аміаку у вихідній суміші. Застосовуючи аміачно-повітряну суміш, що містить 9,5% аміаку, можна за рахунок теплового ефекту реакції досягти температури близько 600 , для підвищення температури конверсії необхідний попередній підігрів повітря або аміачно-повітряної суміші. Слід враховувати, що підігрівати аміачно-повітряну суміш можна лише до температури не вище 150-200 при температурі газу, що гріє, не більше 400 . В іншому випадку можлива дисоціація аміаку або його гомогенне окиснення з утворенням елементарного азоту.

Верхня межа підвищення температури контактного окиснення аміаку визначається втратами платинового каталізатора. Якщо до 920 втрати платини певною мірою компенсуються зростанням активності каталізатора, то вище цієї температури зростання втрат каталізатора значно випереджає збільшення швидкості реакції.

Згідно з заводськими даними, оптимальна температура конверсії аміаку під атмосферним тиском становить близько 800 ; на установках, що працюють під тиском 9 атм, вона дорівнює 870-900 .

Тиск. Застосування підвищеного тиску при отриманні розведеної азотної кислоти в основному пов'язане з прагненням збільшити швидкість окислення окису азоту і переробки двоокису азоту, що утворюється, в азотну кислоту.

Термодинамічні розрахунки показують, що при підвищеному тиску рівноважний вихід NO близький до 100 %. Однак висока ступінь контактування в цьому випадку досягається лише при великій кількості каталізаторних сіток та вищій температурі.

Останнім часом у промислових умовах на багатошарових каталізаторах при ретельному очищенні газів та температурі 900 вдалося довести рівень конверсії аміаку до 96%. При виборі оптимального тиску слід пам'ятати, що підвищення тиску призводить до зростання втрат платини. Це пояснюється збільшенням температури каталізу, застосуванням багатошарових сіток та посиленням їх механічного руйнування під дією великої швидкості газу.

3. Зміст аміаку у суміші. Для окислення аміаку зазвичай застосовують повітря, тому вміст аміаку суміші визначається вмістом кисню повітря. При стехіометричному відношенні О2:NH3 = 1,25 (зміст аміаку в суміші з повітрям становить 14,4%) вихід окису азоту не значний. Для збільшення виходу NO потрібен деякий надлишок кисню, отже, вміст аміаку в суміші має бути меншим за 14,4 %. У заводській практиці вміст аміаку у суміші підтримують у межах 9,5-11,5 %, що відповідає відношенню O2:NH3 = 21,7.

Сумарна реакція (26), що визначає потребу в кисні при переробці аміаку в азотну кислоту, дає відношення O2:NH3 = 2, що відповідає вмісту аміаку у вихідній суміші, що дорівнює 9,5 %. Це говорить про те, що збільшення концентрації аміаку в суміші вище 9,5% в кінцевому підсумку не призведе до зростання концентрації NO, тому що в цьому випадку адсорбційну систему доведеться вводити додаткове повітря. Якщо як вихідні реагенти застосовувати аміачно-кисневу суміш, то відповідно до рівняння сумарної реакції можна було б збільшити концентрацію в ній аміаку до 33,3 %. Однак застосування високих концентрацій аміаку утруднено тим, що подібні суміші вибухові.

Вплив домішок. Платинові метали чутливі до домішок, що містяться в аміачно-повітряній суміші. У присутності 0,0002% фосфористого водню у газовій суміші ступінь конверсії аміаку знижується до 80%. Менш сильними контактними отрутами є сірководень, ацетилен, хлор, пари мастил пил, що містить оксиди заліза, окис кальцію, пісок та ін.

Попереднє очищення газів збільшує тривалість роботи каталізатора. Однак згодом каталізатор поступово отруюється і вихід NO знижується. Для видалення отрут та забруднень сітки періодично регенерують за допомогою обробки їх 10-15% розчином соляної кислоти.

5. Час контактування. Оптимальний час контактування визначається швидкістю окиснення аміаку. Найчастіше швидкість окислення визначають як кількість окисленого аміаку (кг) на одиницю поверхні (м2) на добу (напруженість каталізатора). Тривалість дотику газу з каталізатором або час контактування визначають за рівнянням:

Vсв/W

де t - час перебування газу каталізаторної зоні, сік; Vсв - вільний об'єм каталізатора, м3; W - об'ємна швидкість за умов контактування м3 сек-1.

Максимальний ступінь перетворення аміаку в окис азоту досягається при певному часі контакту газу з каталізатором. Оптимальним часом контактування слід вважати не те, при якому досягається максимальний вихід NO, а трохи менше, тому що економічно вигідно працювати за більшої продуктивності навіть за рахунок зниження виходу продукту. У практичних умовах час контакту аміаку з каталізатором коливається в межах 1 10-4 до 2 10-4 сік.

Змішування аміаку з повітрям. Повна однорідність аміачно-повітряної суміші, що у зону контактування, одна із основних умов отримання високого виходу окису азоту. Хороше змішування газів має велике значення не тільки для забезпечення високого ступеня контактування, але й захищає від вибуху. Конструкція та обсяг змішувача повинні повною мірою забезпечувати хороше перемішування газу та виключати проскок аміаку окремими струменями на каталізатор.

5. КОНТАКТНІ АПАРАТИ

Найбільш складною і зазнало значних удосконалень є конструкція самого контактного апарату.

Малюнок 3 – Контактний апарат Оствальда: 1 – колектор аміачно-повітряної суміші; 2 – платинова спіраль; 3 – оглядове вікно; 4 - колектор нітрозних газів

Першим промисловим контактним апаратом був апарат Оствальда (рисунок 3), що складається з двох концентричних труб: зовнішньої чавунної діаметром 100 мм, емальованої зсередини, і внутрішньої з нікелю діаметром 65 мм. Аміачно-повітряна суміш надходила в апарат знизу зовнішньої труби і потрапляла на каталізатор, розташований у верхній частині внутрішньої труби. Нітрозні гази по внутрішній трубі прямували вниз в колектор, віддаючи тепло суміші, що надходить.

Каталізатор складався зі стрічок платинової фольги товщиною 0,01 мм та шириною 20 мм, згорнутих разом у спіраль. Одна зі стрічок гладка, друга гофрована з вигинами 1 мм. Ступінь конверсії аміаку досягала 90-95%, у суміші з повітрям містилося NH3 8% (об.), продуктивність апарату становила 100 кг азотної кислоти на добу.

Подібна форма каталізатора не дозволяла підвищувати продуктивність апарату за рахунок збільшення його розмірів. В апараті Оствальда не забезпечувалася рівномірність подачі газової суміші, так як перед надходженням на каталізатор потік газу змінив свій напрямок на 180° і потім надходив на нього. Крім того, конструкція апарату не дозволяла швидко виводити оксиди азоту (II) із зони високих температур.

У наступних конструкціях контактного апарату використали каталізатор у формі сітки з ниток діаметром 0,06 мм.

Малюнок 4 – Контактний апарат Андрєєва: 1 – платинові сітки; 2 - оглядове вікно

Перше у Росії виробництво азотної кислоти було оснащено контактними апаратами Андрєєва, які виробляли 386 кг азотної кислоти на добу і вважалися найбільш досконалими у світі. Апарат циліндричної форми діаметром 300 мм та висотою 450 мм був виготовлений з чавуну. Суміш газів надходила знизу (рисунок 4). Сітка платинового каталізатора була поперек апарату, посередині його.

Застосування чавуну для виготовлення цього апарату мало ряд недоліків: перебіг побічних реакцій, забруднення платини окалиною. Ступінь конверсії у ньому не перевищувала 87%.

Рисунок 5 – Контактний апарат Фішера: 1 – насадка; 2 – платинова сітка; 3 - ізоляція

Апарат Фішера виготовляли з алюмінію, його діаметр дорівнював 1000 мм, висота 2000 мм (рисунок 5). Знизу апарат заповнювали фарфоровими кільцями Рашига, верхню частину футерували вогнетривкою цеглою. Конструкція апарату не забезпечувала рівномірної подачі аміачно-повітряної суміші на каталізатор, вихід оксидів становив 89-92% за температури контактування 700-720°С. Продуктивність апарату по аміаку 600-700 кг/добу. Частинки вогнетривкої цегли, потрапляючи на каталізатор, знижували його активність.

Малюнок 6 – Апарат Бамаг: 1 – насадка; 2 – платинова сітка; 3 - оглядове вікно

Апарат, запропонований фірмою Бамаг (малюнок 6), складався з двох усічених конусів, з'єднаних широкими основами, між якими містилися каталізаторні сітки. Діаметр апарату в широкій частині дорівнював 1,1 м або 2,0 м.

Аміячно-повітряну суміш подавали в апарат знизу. Спочатку апарат виготовляли з алюмінію, потім його верхню, гарячу частину виконували з нержавіючої сталі. Для кращого перемішування суміші нижню частину апарату засипали кільця Рашига.

Основним недоліком цих апаратів було направлення газової суміші на каталізатор знизу, що призводило до вібрації сіток і збільшення втрати платини.

Дослідження конструкції контактного апарату показали, що напрямок газової суміші зверху вниз стабілізує роботу каталізаторних сіток, зменшує втрати дорогого дефіцитного платинового каталізатора, сприяє підвищенню ступеня конверсії на 1,0-1,5 % і дозволяє застосовувати двоступінчастий каталізатор, в якому як другий ступінь застосовується оксидний каталізатор неплатиновий.

При подачі газової суміші в апарат зверху в нижній частині його можна розташовувати шар ізолюючого матеріалу, а також змійовики парового котла і пароперегрівача без небезпеки забруднення каталізатора пилом вогнетривів і окалиною заліза. Це дозволяє знизити втрати тепла реакції у навколишнє середовище.

Дослідження розподілу температур по поверхні каталізатора показало, що краї каталізатора, що примикає до стінок, мають нижчу температуру, відповідно знижується і ступінь контактування, зменшуючи загальний вихід оксиду азоту (II). У зв'язку з цим велике значення має геометрія підвідної частини контактного апарату, вона повинна являти собою конус, що плавно розходиться, з кутом при вершині не більше 30°.

Рисунок 7 – Апарат Парсонса: 1 – циліндрична платинова сітка; 2 кварцове дно; 3 – оглядове вікно; 4 - ізоляція

У був створений апарат Парсонса з вертикальним розташуванням каталізаторної сітки, згорнутої у вигляді чотиришарового циліндра висотою 33 см і діаметром 29 см (рисунок 7). Платиновий циліндр поміщали в металевий кожух, футерований вогнетривкою цеглою, що забезпечувало хороший теплообмін з розжареним каталізатором. Продуктивність такого апарату становила до 1 т аміаку на добу, рівень конверсії 95-96 %.

Перевага даного апарату – велика поверхня каталізатора порівняно з обсягом апарату. Недоліком є ​​нерівномірне надходження аміачно-повітряної суміші на каталізатор. Через нижню частину сітківки каталізатора проходить більше суміші, ніж через верхню частину.

Випробовувався ряд апаратів різної форми: у вигляді двох напівсфер, конуса та півсфери при напрямку потоку газів знизу нагору. Особливих переваг ці апарати не мали навіть при проведенні процесу до 0,51 МПа, ступінь конверсії не перевищувала 90%.

Рисунок 8 – Апарат фірми Дюпон: 1 – платинові сітки; 2 – колосники; 3 – водяна сорочка

При проведенні процесу при підвищеному тиску набув поширення апарат фірми Дюпон (рисунок 8), що складається з конусів: верхнього - з нікелю і нижнього - з жаростійкої сталі. Нижній корпус був забезпечений водяною сорочкою для охолодження. Каталізатор, що укладається на колосники, виконаний у вигляді пакета прямокутних сіток.

Зараз у всьому світі проектують та будують агрегати виробництва розведеної азотної кислоти великої одиничної потужності – до 400-600 т/рік. Контактні апарати з плоскими шарами сіток або шаром зернистого матеріалу, що розташовується поперек ходу газу, для таких агрегатів повинні мати великий діаметр до 5-7 м. Однак із збільшенням діаметра апарату погіршується рівномірність розподілу аміачно-повітряної суміші за перерізом апарату, збільшується металоємність на одиницю , зростають труднощі ущільнення фланцевих з'єднань Апарати великих діаметрів (понад 4 м) не можна перевозити залізницями, виготовлення їх на заводському майданчику пов'язане з серйозними труднощами.

У зв'язку з цим найбільш перспективним є конвертор з радіальним перебігом газової суміші через каталізатор, виконаний у вигляді циліндра або конуса. При такому розташуванні каталізатора можна, не змінюючи діаметр апарату, збільшувати його висоту і, відповідно, продуктивність.

Конструкції апаратів з циліндричним розташуванням каталізатора відомі давно (апарати Парсонса), але зі збільшенням їхньої продуктивності від 4,5 кг/год до 14,3 т/год аміаку виникали проблеми розподілу потоків газової суміші, теплообміну, кріплення каталізатора та ін.

Малюнок 9 – Удосконалений апарат Парсонса: 1 – корпус; 2 – кришки; 3 - колектор хладоагенту; 4 - опорний пристрій; 5 – штуцер для виведення нітрозних газів; 6 – каталізаторні сітки; 7 - канали для хладоагенту; 8 - канали для газів

Одним із нових апаратів є вдосконалений апарат Парсонса (рис. 9). Він складається з корпусу з кришками, штуцерів для введення аміачно-повітряної суміші та виведення нітрозних газів. Каталізатором є платинові сітки, розташовані вертикально по циліндричній поверхні та закріплювані під кришками. Сітки натягнуті на керамічне опорний пристрій, в якому є горизонтальні канали для подачі аміачно-повітряної суміші до контактних сіток та вертикальні канали для подачі хладоагента. Недоліком такого опорного пристрою є розподіл газу, що надходить на каталізатор у вигляді окремих струменів, в результаті чого площа каталізатора працює не повністю.

Рисуноу 10 – Контактний апарат з радіальним ходом газу: 1 – корпус; 2 – кришка; 3 – система опорних елементів; 4 – каталізатор; 5 - грати; 6 - глухе днище

Запропоновано апарат з радіальним ходом газу (малюнок 10), який складається з корпусу 1 та кришки зі штуцером для введення аміачно-повітряної суміші. У нижній частині корпусу розташований штуцер для введення нітрозних газів. Каталізаторні сітки у вигляді циліндра та конуса розташовані вертикально. Однак цей апарат також не забезпечує рівномірного надходження газів на каталізатор.

Малюнок 11 - Контактний апарат із гранульованим каталізатором: 1 циліндричний корпус; 2 – кришка з центральним отвором; 3, 4 - коаксильні циліндричні перфоровані розподільні ґрати; 5 - кільцеве днище; 6 - вихідний штуцер

Запропоновано апарат з радіальним ходом газу та гранульованим каталізатором. Як каталізатори застосовуються платинові метали, нанесені на носій, або таблетки неплатинового каталізатора (рисунок 11).

Апарат на малюнку 11 складається з циліндричного корпусу 1, у верхню частину якого вводиться аміачно-повітряна суміш, а в нижній виводяться нітрозні гази. Всередині розташовані дві коаксіальні циліндричні перфоровані розподільні решітки 3 і 4, між якими розміщений шар гранульованого каталізатора 7. Зовнішній циліндр закритий зверху кришкою 2 з центральним отвором, а знизу - глухим кільцевим днищем 5. Внутрішній циліндр штуцером 6.

Аміачно-повітряна суміш при вході в апарат поділяється на два потоки. Основна частина проходить в кільцевий проміжок між стінками корпусу і зовнішнім розподільним циліндром і надходить радіально на каталізатор. Друга, менша частина, проходить через отвір у кришці та надходить на каталізатор по осі. Рівномірне розподілення газової суміші в каталізаторі не забезпечується.

Недоліком цих конструкцій є перегрів аміачно-повітряної суміші понад 200 поблизу глухого днища внаслідок зниження швидкості газу до нуля. Перегрів газу викликає перегрів каталізаторних сіток і підвищений знос.

Малюнок 12 – Апарат з каталізатором у формі конуса: 1 – сорочка для підігріву газу; 2 – каталізатор; 3 - опорний трубний пристрій; 4 – водяна сорочка

Апарат (рисунок 12) містить каталізатор у вигляді декількох шарів платинової сітки, зварений зі шматків трикутної форми в конус з кутом при вершині близько 60°. Пакет сіток спирається на конструкцію, що складається з 6-12 труб утворюючим конусом, по яких проходить теплоносій. Така форма каталізатора має велику питому поверхню (стосовно обсягу апарату) порівняно з плоским каталізатором, розташованим упоперек ходу газу. Однак у порівнянні з циліндричним каталізатором його питома поверхня менша.

Рисунок 13 – Контактний апарат для окислення аміаку під високим тиском: 1 – корпус; 2 – внутрішній конус; 3 - розподільний пристрій; 4 – запальник; 5 - каталізаторні сітки; 6 - пароперегрівач; 7 – пакети парового котла; 8 - економайзер

На малюнку 13 зображено контактний апарат для окиснення аміаку під тиском 0,71 МПа. Апарат є двома конусами, вставленими один в одного. Аміачно-повітряна суміш надходить знизу в простір між внутрішнім і зовнішнім конусом, піднімається вгору і звідти по внутрішньому конусу опускається вниз. На шляху до платинового каталізатора, виконаного у вигляді сіток, суміш добре перемішується в розподільному пристрої з кілець Рашига.

Для вимірювання температур газової суміші, що надходить, і процесу конверсії апарат забезпечений термопарами: чотири - до каталізатора і чотири після нього. Для відбору проб газу є паровідбірні трубки: чотири каталізатора і чотири після нього. Розпалювання каталізатора проводиться азотоводородной сумішшю, що подається за допомогою поворотного пальника (запальника).

Рисунок 14 – Контактний апарат фірми Гранд Паруасс: 1 – корпус; 2 грати; 3 – платиновий каталізатор; 4 – панцирна сітка; 5 - шар кілець; 6 перфорована пластина; 7 - пароперегрівач; 8 - котел-утилізатор

Серед апаратів, що працюють при середньому тиску 0,40-0,50 МПа, цікавить апарат фірми Гранд Паруасс, виготовленої з нержавіючої сталі (рисунок 14). Він складається з корпусу, закритого зверху еліптичною кришкою, із вхідним штуцером для введення газової суміші. Під кришкою розташований дірчастий конус, потім відбивна перегородка. Над платиновими сітками розміщена розподільна решітка, де лежить шар із шести сіток, виконують роль гасителя пульсацій швидкості потоку. Недоліком апарату є наявність застійних зон в області високих температур каталізатора, де може розкладатися аміак, що надходить.

6. ВИБІР І ОПИС ТЕХНОЛОГІЧНОЇ СХЕМИ ВИРОБНИЦТВА НЕКОНЦЕНТРОВАНОЇ АЗОТНОЇ КИСЛОТИ

Залежно та умовами проведення виробничого процесу розрізняють такі типи азотнокислотних систем:

1) системи, які працюють при атмосферному тиску;

2) системи, що працюють при підвищеному тиску (4-8 атм);

3) комбіновані системи, в яких окиснення аміаку проводиться при нижчому тиску, а абсорбція оксидів - при вищому тиску.

Розглянемо ці технологічні схеми.

1) системи, які працюють при атмосферному тиску;

Рисунок 15 - Схема установки для отримання розведеної азотної кислоти при атмосферному тиску: 1 - водяний скрубер; 2 – суконний фільтр; 3 – аміачно-повітряний вентилятор; 4 – картонний фільтр; 5 – конвертор; 6 - паровий котел-утилізатор; 7 – швидкісний холодильник; 8 – холодильник-конденсатор; 9 – вентилятор для нітрозних газів; 10 – абсорбційні вежі; 11 - окисна вежа; 12 - вежа для поглинання оксидів азоту лугами; 13 – холодильник кислоти; 14, 15 - насоси

Дані системи (малюнок 15) в даний час вже не експлуатуються, внаслідок громіздкості апаратури (велика кількість веж кислої та лужної абсорбції), малої продуктивності, а також накопичення деякої кількості хлору, який у системах кислої та лужної абсорбції надає сильну корозійну дію на апаратуру, яку постійно доводиться замінювати, але це у себе веде великі економічні витрати.

2) комбіновані системи;

Рисунок 16 – Одержання азотної кислоти комбінованим методом: 1 – швидкісний холодильник; 2 – холодильник; 3 – двигун турбокомпресора; 4 – редуктор; 5 – турбокомпресор нітрозних газів; 6 - турбіна для зрошення газів, що відходять; 7 - окисник; 8 – теплообмінник; 9 – холодильник-конденсатор; 10 - абсорбційна колона; 11 – кислотний клапан; 12 – збірник конденсату; 13, 14 – збірники азотної кислоти

Основними перевагами даної схеми є:

1. Дані системи (рисунок 16) працюють без споживання енергії з боку, так як теплоти окислення аміаку та окислення окису азоту достатньо для отримання енергії на стиск повітря та нітрозних газів до необхідних тисків;

2. Компактність устаткування.

3. Продуктивність таких агрегатів становить 1360 т/добу.

Недоліки схеми:

Основним недоліком даної схеми і те, що з окисленні аміаку під тиском 9 атм ступінь конверсії на 2-3 % менше, ніж за атмосферному тиску, а втрати платинового каталізатора в 2-3 разу більше. Таким чином, цей процес вигідніше проводити під атмосферним тиском. Але для сучасних потужних цехів, що виробляють азотну кислоту, в цьому випадку знадобиться велика кількість великогабаритних апаратів і, отже, збільшення витрат на будівельно-монтажні роботи. Ці міркування змушують вдаватися до підвищення тиску у процесі конверсії аміаку. У цьому відношенні тиск порядку 2,5 атм прийнятно, так як обсяг апаратури скорочується в 2,5 рази в порівнянні з об'ємом в системах, що працюють при атмосферному тиску, при помірних втрат аміаку та каталізатора.

3) системи, що працюють під підвищеним тиском.

Переваги схеми (рис. 17):

1. Агрегат компактний, усі апарати транспортабельні. Енергетичний цикл агрегату автономен і при відключенні хімічного виробництва залишається в роботі до відключення його щита управління. Це дозволяє при випадкових відключеннях хімічного процесу швидко вводити агрегат у роботу. Управління агрегатом у робочому режимі автоматизоване.

2. Фактична собівартість та енергоємність азотної кислоти, вироблена на агрегатах єдиного тиску 0,716 МПа, залишається найнижчими в порівнянні з агрегатом АК-72 та агрегатом, що працює за комбінованою схемою.

3. Замість утилізатора котла за контактним апаратом встановлюється високотемпературний теплообмінник для підігріву вихлопних газів перед турбіною до 1120 К. При цьому за рахунок збільшення потужності газової турбіни видача електроенергії зросла на 274 проти агрегатом АК-72.

4. У схемі паралельно технологічним апаратам встановлена ​​постійно включена камера згоряння, що дозволяє зробити незалежним роботу машинного агрегату від технологічної лінії, а також забезпечити плавний перехід від роботи машини на холостому режимі до роботи машини при включеному процесі технології.

Недоліки схеми:

1. В агрегаті протікає процес при підвищених температурах, що робить дуже великі навантаження на каталізатор паладієвий і він виходить з ладу. За літературними даними питомі безповоротні втрати на 1т азотної кислоти становлять процесу при атмосферному тиску 40-45 мг, при 0,3-1,6 МПа - 100 мг, при 0,7-0,9 МПа - 130-180мг. Тобто збільшуються втрати платини на установках, що працюють під тиском за рахунок більш високих температур каталізу в порівнянні з температурою на установках, що працюють при атмосферному тиску.

2. Потрібно дуже високий рівень очищення повітря перед входом у ГТУ, оскільки продуктивність компресора повітрям може знизитися до 10 % і ККД до 6 %.

У цьому курсовому проекті детально розглядається схема виробництва азотної кислоти під тиском з приводом компресора від газової турбіни (рис. 17).

Потужність виробництва азотної кислоти за схемою, що працює під тиском 0,716 МПа, визначається кількістю агрегатів. Потужність одного агрегату становить 120 тис.т/г (100%-ний HNO3). Число агрегатів у схемі визначається потребою в азотній кислоті цехів переробки.

У кожному агрегаті здійснюються: підготовка аміачно-повітряної суміші (очищення та стиснення повітря, випаровування рідкого аміаку, очищення газоподібного аміаку та аміачно-повітряної суміші); конверсія аміаку; утилізація тепла утворення оксидів азоту; охолодження нітрозних газів; одержання азотної кислоти; підігрів газів, що відходять; очищення їх від оксидів азоту та рекуперація енергії газу в газовій турбіні та котлі-утилізаторі.

Крім того, схема включає вузли приготування поживної води для живлення котлів-утилізаторів, охолодження конденсату або знесоленої води для зрошення абсорбційних колон, редукування пари до необхідних параметрів, зберігання виробленої азотної кислоти та видачі її споживачам.

Рисунок 17 – Схема виробництва азотної кислоти під тиском з приводом компресора від газової турбіни: 1 – фільтр повітря; 2 - турбокомпресор першого ступеня; 3 – проміжний холодильник; 4 - турбокомпресор другого ступеня; 5 – газова турбіна; 6 – редуктор; 7 – мотор-генератор; 8 – підігрівач повітря; 9 - змішувач аміаку з повітрям; 10 - підігрівач повітря; 11 – поролітовий фільтр; 12 – конвертор; 13 - котел-утилізатор; 14 - судина для окиснення нітрозних газів; 15 – холодильник – конденсатор; 16 - абсорбційна колона; 17 – конвертор; 18 - котел-утилізатор

Атмосферне повітря засмоктується через фільтр 1 турбокомпресором першого ступеня 2 і стискається до 0,2-0,35 МПа. Внаслідок стиснення повітря нагрівається до 175 . Після охолодження до 30-45 у холодильнику 3 повітря надходить у турбокомпресор другого ступеня 4, де він стискається до кінцевого тиску 0,73 МПа та нагрівається до 125-135 . Подальший підігрів повітря до 270 відбувається в підігрівачі 8 за рахунок тепла гарячих нітрозних газів, що виходять із конвертора. Гаряче повітря надходить далі в змішувач 9.

Аміак під тиском 1,0-1,2 МПа нагрівається до 150 у підігрівачі 10 водяною парою і надходить у змішувач 9, де змішується з повітрям. Отримана аміачно-повітряна суміш, що містить 10-12 % NН3, фільтрується в поролітовому фільтрі 11 і надходить у конвертор 12, де на платино-родієвому каталізаторі при температурі 890-900 аміак окислюється до окису азоту. Тепло газів, що виходять з конвертора, використовується в котлі-утилізаторі 13 для отримання пари, при цьому гази охолоджуються до 260 .

Далі гази проходять фільтр для уловлювання платини, розташований у верхній частині порожньої судини 14. У посудині 14 відбувається окислення NО до NО2 (ступінь окислення 80%), внаслідок цього газова суміш розігрівається до 300-310 і надходить у підігрівач повітря 8, де охолоджується до 175 . Подальше використання тепла нітрозних газів стає невигідним, тому вони охолоджуються водою у холодильнику 16 до 50-55 . Одночасно з охолодженням газу в холодильнику 16 відбувається конденсація парів води та утворення азотної кислоти в результаті взаємодії води з двоокисом азоту. Концентрація кислоти, що утворюється, не перевищує 52 % НNО3, вихід становить близько 50 % всієї продуктивності установки.

З холодильника 15 нітрозні гази надходять до абсорбційної колони 16 з сітчастими тарілками, де NО2 поглинається водою з утворенням азотної кислоти (концентрація до 55%). На тарілках абсорбційної колони 16 укладені змійовики (холодильні елементи), за якими циркулює вода для відведення тепла, що виділяється у процесі утворення азотної кислоти.

Для очищення газів, що відходять від оксидів азоту, їх підігрівають до 370-420°С, додають до них невелику кількість природного газу і направляють у конвертор (реактор) 17. Тут у присутності паладієвого каталізатора протікають наступні реакції:

СН4+О2 2СО + 4Н2 + Q (27)

2NО2 + 4Н2 = N2 + 4Н2О + Q (28)

2NО + 2Н2 = N2 + 2Н2О + Q (29)

Оскільки ці реакції йдуть із виділенням тепла, то температура газів підвищується до 700-730 . Ці гази надходять під тиском 0,5-0,6 МПа в турбіну 5, яка надає руху турбокомпресори 2 і 4, що стискають повітря. Після цього гази за нормальної температури близько 400 надходять у котел-утилізатор 19, в якому отримують пару низького тиску.

Турбокомпресори першого і другого ступенів 2 і 4, а також газова турбіна 5 є єдиним агрегатом. Турбіна першого ступеня 2 і газова турбіна 5 знаходяться на загальному валу і з'єднані редуктором 6 з турбіною другого ступеня 4 та електромотором 7. Такий агрегат дозволяє використовувати основну частину енергії, витрачену на стиснення повітря, і таким чином значно знизити витрати електроенергії.

7. РОЗРАХУНОК МАТЕРІАЛЬНОГО ТА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСІВ РЕАКТОРА

7.1 Розрахунок матеріального балансу реактора

1) Обчислюємо необхідний обсяг повітря:

2) Обсяги тих, хто надходить з повітрям, нм3:

а) водяної пари

б) сухого повітря

3) Обчислимо об'єми кисню азоту і аргону, що надходять з повітрям, виходячи з їх процентного вмісту в повітрі

) Знаходимо обсяги які утворюються по реакції (14), нм ³ /год:

а) окису азоту

б) пари води

5) Визначаємо об'єми, що утворюються по реакції (15), нм ³ /год:

а) азоту

б) пари води

в) витрачається при перебігу цієї реакції кисню

6) Обчислюємо обсяги, що знаходяться в газі після окислення аміаку, нм ³ /год:

а) кисню

б) азоту

в) аргону

г) пари води

7) Власне матеріальний баланс можна розрахувати, якщо обсяги потоків на вході в контактний апарат та на виході з нього перерахувати на маси, при цьому повинен дотримуватися матеріальний баланс.

Прихід:

Витрата:

Заповнимо таблицю для матеріального балансу (таблиця 6).

Таблиця 6

ПрихідВитратаКомпонентКількістьКомпонентКількістькг/чм ³ /чкг/чм ³ / chNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757,5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar928520H2O1827,022273,625H2O8938,62711123,625Vsego73572,07760203,68Vsego73570,96161678,38

Нев'язка балансу

7.2 Розрахунок теплового балансу реактора

Знайдемо температуру tx, до якої необхідно нагрівати аміачно-повітряну суміш для забезпечення автотермічності процесу окиснення аміаку.

1) Обчислюємо загальний обсяг аміачно-повітряної суміші

) Визначаємо концентрацію компонентів аміачно-повітряної суміші, % (про.):

а) аміаку

б) сухого повітря

в) пари води

3) Розраховуємо середню теплоємність аміачно-повітряної суміші

Сср = 0,01 · (35,8 · Пам + 28,7 · Псв + 32,6 · ПН2О) (59)

Сср = 0,01 · (35,8 · 9,8 + 28,7 · 86,4 + 32,6 · 3,8) = 29,544 кДж / (кмоль · К),

де 35,8; 28,7 та 32,6 - теплоємності аміаку, сухого повітря та пари води, кДж/(кмоль·К).

) Визначаємо теплоту, що вноситься аміачно-повітряною сумішшю

) Обчислюємо теплоти, що виділяються при протіканні реакції (14) та (16)

або 17030 кВт, де 905800 і 126660 - теплоти, що виділяються при утворенні окису азоту та азоту за реакціями (14) та (16).

) Знаходимо загальний обсяг нітрозного газу, що надходить у котел утилізатор

7) Визначаємо концентрацію компонентів нітрозного газу, % (про.):

а) окису азоту

б) кисню

в) аргону

г) азоту

д) пари води

8) Обчислюємо середню теплоємність нітрозного газу:

Снср = 0,01 (31,68 · ПNO + 32,3 · ПЗ2 + 20,78 · Пар 30,8 · ПN2 + 37,4 · Пвод 3 (68)

Снср = 0,01 (31,68 · 8,9 +32,3 · 6,1 +20,78 · 0,84 +30,8 · 66,1 +37,4 · 18,0) = 32,17 кДж/(кмоль·К)

де 31,68; 32,3; 20,78; 30,8 та 37,4 - теплоємності компонентів нітрозного газу при температурі 900 , кДж/(кмоль К).

9) Для нагрівання водяної пари від 198 до 250 у пароперегрівачі необхідно відібрати теплоти:

1880 кВт, де 800 · 10 ³ та 1082·10 ³ Дж/кг - питомі ентальпії перегрітої пари при температурах 198 та 250 та тисках 1,5 МПа та 3,98 МПа.

10) Температуру нітрозних газів на виході з контактного апарату визначаємо з рівняння теплового балансу цієї ділянки:

6768 · 106 = 64631 · 1,66 · 10³ (900 - t2)

11) Розраховуємо теплоту, яку несуть нітрозні гази. Розглянемо випадок, коли контактний апарат та котел-утилізатор змонтовані у вигляді єдиного апарату:

12) Визначаємо тепловтрати у навколишнє середовище

Прирівнюючи прихід теплоти витрати, складаємо рівняння теплового балансу та вирішуємо його щодо tx:

Заповнимо таблицю для теплового балансу (таблиця 7).

Таблиця 7

Прихід, кВтВитрата, кВтТеплота, що вноситься аміачно-повітряною сумішшю6369,2Теплота на нагрівання водяної пари в пароперегрівачі1880Теплота, що носить нітрозні гази20584,3Теплота, що виділяється при протіканні реакції (14)3

Нев'язка балансу:

8. ОХОРОНА ПРАЦІ І ПРОМИСЛОВА ЕКОЛОГІЯ

Для забезпечення безпечного режиму роботи у виробництві неконцентрованої азотної кислоти під підвищеним тиском необхідно суворе виконання технологічного регламенту, інструкцій з охорони праці в робочих місцях, інструкції з охорони праці та промислової безпеки відділення, інструкцій з окремих видів робіт.

Обслуговуючий персонал допускається на роботу в належному за нормами спецодягу та спецвзуття, повинен мати при собі справні засоби індивідуального захисту. Засоби захисту (індивідуальний протигаз) обов'язково перевіряють щозмінно перед початком роботи.

Особи, що обслуговують механізми, повинні знати правила Держгіртехнагляду, що належать до обладнання, що обслуговується. Особи, що обслуговують котлонаглядне обладнання, - правила котлонагляду.

Не допускати порушення нормального технологічного режиму всіх стадіях процесу.

Роботи вести тільки на справному обладнанні, оснащеному всіма необхідними та справно діючими запобіжними пристроями, контрольно-вимірювальними та регулюючими приладами, сигналізаціями та блокуваннями.

При здачі в ремонт обладнання та комунікацій, в яких можливе скупчення аміаку, проводити продування обладнання та комунікацій азотом до відсутності в продувному азоті горючих.

Перед заповненням апаратів та комунікацій аміаком після їх ремонту проводити продування азотом до вмісту кисню в продувному азоті не більше 3,0 % (про.).

Не допускати ремонту комунікацій, арматури, обладнання, що перебувають під тиском. Ремонт повинен проводитися після скидання тиску і відключення ділянки, що ремонтується, заглушками. Обладнання, комунікації, що підлягають ремонту, мають бути продуті чи промиті.

Щоб уникнути гідравлічних ударів, подачу пари в холодні паропроводи проводити повільно, забезпечивши достатній їх підігрів зі скиданням конденсату по всій довжині трубопроводу. Вихід сухої пари з дренажу свідчить про достатньо прогрівання трубопроводу.

Не допускати увімкнення електроустаткування при несправному заземленні.

Не допускати ремонту обладнання з електроприводом, без зняття напруги з електродвигунів.

Ремонт та налагодження контрольних та вимірювальних приладів та електрообладнання проводити тільки силами служб відділу головного приладника та електриками.

Користуватися відкритим вогнем у виробничих та складських приміщеннях забороняється: куріння дозволяється у відведених для цього місцях.

Всі частини обладнання (напівмуфти), що обертаються, крильчатки вентиляторів, що обертаються, на валах електродвигунів повинні мати надійне кріплення і огороджені, і пофарбовані в червоний колір.

Фланцеві сполуки кислотних ліній мають бути захищені захисними кожухами.

Підтягування болтів фланцевих з'єднань трубопроводів, а також виконання робіт на устаткуванні, що знаходиться під тиском, не допускається.

Апарати, що працюють під тиском, повинні задовольняти вимоги, викладені в технічних умовах і правилах пристрою та безпечної експлуатації судин та комунікацій, що працюють під тиском.

Роботи у закритих судинах проводити за наявності наряду-допуску на проведення газонебезпечних робіт.

Вентиляція має бути у справному стані та перебувати постійно в роботі.

Обслуговування вантажопідіймальних механізмів, судин, що працюють під тиском, проводиться тільки особами, які спеціально навчені і мають спеціальне посвідчення.

Підходи до аварійних шаф, пожежних сповіщувачів, телефонів, пожежного інвентарю не допускається захаращувати сторонніми предметами, утримувати їх необхідно в чистоті та справному стані.

Відкриті прорізи в перекриттях, майданчиках, перехідні містки повинні мати огорожі висотою 1 м. У нижній частині огорожі повинен розташовуватися борт або захисна смуга висотою 15 см.

Усі контрольно-вимірювальні прилади та системи автоматики та блокування повинні перебувати у справному стані.

Для запобігання відкладенню нітрит-нітратних солей на внутрішніх поверхнях апаратів і трубопроводів, лопатях роторів, стінах компресорів нітрозного газу та інших деталях та апаратах не допускати тривалого розпалювання контактних апаратів (більше 20 хвилин), зниження температури каталізаторних сіток, розриву їх , припинення зрошення поверхонь, що призводить до відкладення нітрит-нітратних солей

Своєчасно проводити обтирання, очищення обладнання від проток технологічних продуктів, доливання масла в картери насосів.

Робочі місця для проведення ремонтних та інших робіт та проходи до них на висоті 1,3 м та більше повинні бути огороджені.

При неможливості або недоцільності пристрою огорож роботи на висоті 1,3 м і вище, а також при роботі з приставними сходами на висоті більше 1,3 м необхідно застосовувати запобіжні пояси, при цьому біля місця виконання робіт повинні бути допоміжні робітники, готові надати допомогу працюючому. на висоті. Місце закріплення карабіна визначає керівник робіт.

Запобіжні пояси проходять випробування перед видачею в експлуатацію, а також у процесі експлуатації кожні 6 місяців. На запобіжному поясі має бути бирка із зазначенням реєстраційного номера та дати наступного випробування.

При роботі з азотною кислотою (відбір проб, огляд комунікацій, пуск насосів продукційної кислоти тощо) необхідно застосовувати індивідуальні засоби захисту органів дихання та зору (фільтруючий протигаз із коробкою марки «М», захисні окуляри з гумовою напівмаскою або захисний щиток з оргскла, або шолом від протигазу), гумові кислотозахисні рукавички, спеціальний кислотозахисний одяг.

При виявленні будь-яких несправностей у роботі устаткування, дефектів опор, стін тощо. своєчасно повідомляти начальника відділення, механіка цеху. При необхідності зупинити обладнання та підготувати його до здачі у ремонт.

При кожній зупинці агрегату в ремонт проводити розтин нижнього люка окислювача і за наявності солей амонію на розподільних гратах, по стінках і днищу виробляти пропарку його гострим паром, конденсат сдренувати.

Роботи з парою, паровим конденсатом проводити у спецодязі, спецвзутті, рукавицях.

Для попередження професійних отруєнь та захворювань у відділенні повинні дотримуватися наступних санітарно-гігієнічних вимог:

а) температура повітря має бути:

23- перехідний та зимовий період;

18-27- Літній період.

б) відносна вологість повітря:

влітку - трохи більше 75 %;

взимку - трохи більше 65 %.

в) шум – не більше 65 дБА у шумоізоляційних кабінах, в інших місцях не більше 80 дБА;

г) вібрація - не більше 75 дБ у шумоізоляційних кабінах, у машинному та контактному відділеннях не більше 92 дБ;

д) освітленість робочих місць:

шумоізоляційні кабіни – не менше 200 лк;

на майданчиках абсорбційних колон – не менше 50 лк;

в машинному та контактному відділеннях - не менше 75 лк.

е) гранично допустима концентрація шкідливих речовин у повітрі робочої зони приміщень:

аміак – не більше 20 мг/м3;

оксидів азоту - трохи більше 5 мг/м3.

Крім індивідуальних протигазів у відділенні знаходиться аварійний запас фільтруючих та ізолюючих протигазів.

Аварійні протигази зберігаються в аварійних шафах.

ВИСНОВОК

У ході курсової роботи розрахували реактор каталітичного окислення аміаку для отримання оксидів азоту у виробництві неконцентрованої азотної кислоти.

Було розглянуто фізико-хімічні основи процесу. Наведено характеристику вихідної сировини та готового продукту.

Був розрахований необхідний обсяг повітря для окиснення 5900 м ³ /год аміаку, він становив 54304 м ³ /год. Були обчислені об'єми кисню, азоту і аргону, що надходять з повітрям, виходячи з відсоткового вмісту їх у повітрі. Також були обчислені що знаходяться в газі після окислення аміаку обсяги кисню, азоту, аргону, пари води.

Було здійснено розрахунок теплового балансу, внаслідок чого було розраховано всі теплові потоки. Обчислено температуру, до якої необхідно нагрівати аміачно-повітряну суміш для забезпечення автотермічності процесу окислення аміаку, вона склала 288 . Розрахована температура нітрозного газу після пароперегрівача, вона становить 836,7 . Визначено тепловтрати у навколишнє середовище.

Було зроблено огляд літератури за найефективнішою схемою виробництва неконцентрованої азотної кислоти. Була обрана система, що працює під високим тиском, тому що даний агрегат компактний, всі апарати транспортабельні, енергетичний цикл агрегату автономен. У розглянутій схемі електроенергія не витрачається на технологічні потреби. Електроенергія споживається у незначній кількості лише приводу насосів, необхідні перекачування кислоти, подачі живильної води в котли. Робота за цією схемою триває без викидів у повітря шкідливих газів.

БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК

1. Атрощенко В.І., Каргін С.І. Технологія азотної кислоти: Навч. Посібник для вузів. - 3-тє вид., перероб. та дод. - М: Хімія, 1970. - 496 с.

Єгоров А.П. Шерешевський О.І., Шманенко І.В. Загальна хімічна технологія: Навчальний посібник для технікумів. - Вид. 4-е перероб. - Москва, Ленінград: Хімія, 1965 - 688с.

Караваєв М.М., Засорін А.П., Клещов Н.Ф. Каталітичне окиснення аміаку / Под ред. Караваєва М.М. - М: Хімія, 1983. - 232 с.

Каталізатори в азотній промисловості. / Под ред. Атрощенко В.І. – Харків: Вища шк., 1977. – 144 с.

Загальна хімічна розробка. За редакцією проф. Амеліна А.Г. М: Хімія,1977. – 400 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Приклади та завдання з курсу процесів та апаратів хімічної технології. Л.: Хімія, 1976 – 552с.

Перлов Є.І., Багдасарян В.С. Оптимізація виробництва азотної кислоти. М: Хімія, 1983. - 208 с.

Розрахунки за технологією неорганічних речовин: Навч. Посібник для вузів/Позин М.Є., Копилєв Б.А., Бельченко Г.В. та ін.; За ред. Позіна М.Є. 2-ге вид. перероб. та дод. – Л.: Хімія. Ленінгр. відд-ня, 1977 – 496 с.

Рум'янцев О.В. Обладнання цехів синтезу високого тиску в азотній промисловості; Навч. для вузів. - М: Хімія, 1970 - 376 с.

10. Соколов Р.С. Хімічна технологія: навч. посібник для студ. вищ. навч. закладів: У 2 Т. - М: Гуманіт вид. центр ВЛАДОС, 2000. – Т.1: Хімічне виробництво в антропогенній діяльності. Основні питання хімічної технології. Виробництво неорганічних речовин. – 368 с.

Довідник азотника./Под ред. Мельникова Є.Я. - Т.2: Виробництво азотної кислоти. Виробництво азотних добрив. Матеріали та основне спеціальне обладнання. Енергопостачання. Техніка безпеки. – М.: Хімія – 1969. – 448с.

Хімічна технологія неорганічних речовин: 2 кн. Кн.1. Навчальний посібник/Т.Г. Ахметов, Р.Г. Порфир'єва, Л.Г. Гайсин. - М: Вища. шк., 2002. 688с.: іл.

Коробочкін В.В. Технологія азотної кислоти. – Видавництво томського політехнічного університету. 2012 року.