Производство азотной кислоты

 

 

 

Зміст

 

		стор.
Вступ.........………………………………………………………..........…..		4
1	Вибір і обґрунтування способу  виробництва…………………………...	6
2	Характеристика сировини і готової  продукції…………………………..	14
3	Фізико-хімічні основи технологічного процесу………………………...	17
4	Охорона водного і повітряного  басейнів. Відходи  виробництва та їх утилізація…………………………………………..…	22
5	Опис технологічної схеми виробництва  з елементами нової техніки, технології та апаратурного оформлення………………..	26
6	Матеріальні розрахунки виробництва…………………………………...	30
7	Теплові розрахунки виробництва………………………………………..	33
8	Конструктивні розрахунки, вибір та обґрунтування  основного технологічного устаткування………………………………..	36
9	Охорона праці та техніка безпеки..............................................................	41
	Висновки…………………………………………………………………..	46
	Перелік посилань………………………………………………………….	47

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Азотна кислота є  одним із вихідних продуктів для  одержання більшості азотовмісних речовин. За обсягом виробництва вона займає друге місце після сірчаної.

Області використання азотної  кислоти дуже різноманітні. Більша її частина (75-80%) витрачається на виробництво  азотних і комплексних мінеральних  добрив та різноманітних нітратів (нітрат амонію, нітрофос, нітрофоска, нітрати металів і целюлози), 10-15 % – на  одержання вибухових речовин (тротил, гексоген, нітрогліцерин, тетрил, амоніти) та ракетного палива, інша кількість споживається виробництвом барвників, органічним синтезом (нітропохідні бензолу, нафталіну, антрацену і інших сполук ароматичного ряду, штучний шовк), в кольоровій металургії (травлення металів), в фармацевтичній промисловості, у виробництві пластичних мас,  сірчаної кислоти за нітрозним способом.

Промисловість випускає азотну кислоту трьох видів: розбавлену               (45-60%), концентровану (98%), реактивну  (х.ч.;  ч.д.а;  чиста).

Виключне значення азотної  кислоти для багатьох галузей  народного господарства і оборонної  техніки, великі обсяги виробництва  обумовлюють інтенсивну розробку ефективних і економічно вигідних напрямків удосконалення азотнокислотного виробництва. До таких напрямків відносяться:

• створення систем високої одиничної потужності, працюючих за комбінованою схемою;
• розробка високоактивних селективно діючих неплатинових каталізаторів окислювання аміаку;
• більш повне використання енергії стиснених відхідних газів і низькопотенційної теплоти процесів шляхом створення повністю автономних енерготехнологічних схем;
• створення замкнутого обороту охолоджувальної води;
• вирішення проблеми очищення відхідних газів з утилізацією оксидів азоту шляхом впровадження адсорбційно-десорбційного методу очищення на силікагелі і цеолітах;
• більш повне видалення залишків оксидів азоту із відхідних газів з використанням в якості відновників горючих газів і аміаку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ВИБІР ТА  ОБҐРУНТУВАННЯ СПОСОБУ ВИРОБНИЦТВА

 

Для виробництва розбавленої азотної кислоти з аміаку застосовуються наступні системи: 1) працюючі під атмосферним тиском, 2) працюючі під підвищеним тиском; 3) комбіновані, в яких окислювання аміаку здійснюється під тиском 3∙10⁵ – 4∙10⁵ Па, а окислювання NО і абсорбцію NО₂ водою проводять під підвищеним тиском 8∙10⁵ – 12∙10⁵ Па.

Технологічна схема виробництва  розбавленої азотної кислоти під атмосферним тиском наведена на рис. 1.1.

Повітря надходить в  установку через забірну трубу, встановлену зазвичай поза територією заводу. Для очищення повітря від механічних і хімічних домішок встановлюються сітчастий пінний промивач і картонний фільтр. Аміак очищається від механічних домішок і мастила в коксовому та картонному фільтрах. Подача повітря, аміаку і додаткового кисню здійснюється з таким розрахунком, щоб газова суміш містила 10-12% (об.) NH₃. Потім газова суміш проходить поролітовий фільтр і надходить у контактний апарат, в середній частині якого розташовані платнородієві сітки. Ступінь окислювання аміаку до оксиду азоту складає приблизно 98%. Температура нітрозних газів на виході з контактного апарата зазвичай підтримується близько 800 °С. В котлі-утилізаторі температура газів знижується до 250° С. Потім гази охолоджуються водою в кожухотрубних холодильниках приблизно до 30 °С. При цьому відбувається часткова конденсація водяної пари і окислювання оксиду азоту. Ступінь окислювання в першому холодильнику  незначний, тому в ньому отримують кислоту з вмістом близько 3% HNО₃. У другому холодильнику одержують 25%-ну азотна кислота.

 

1 - повітрозабірна труба;  2 – сітчастий промивач повітря;  3 – фільтр;  4, 5 – матер'яно-картонні фільтри;  

6 – аміачно-повітряний вентилятор; 7 – фільтр із пористих трубок;  8 – контактний   апарат;  9 – котел-утилізатор;  

10,  11 – холодильники; 12 – гідрозатвор; 13 – газодувка; 14 – башта з насадкою для кислотної абсорбції; 15 – кислотні  холодильники; 16 – насоси; 17 – окислювальна башта; 18 – башти з насадкою для лужної абсорбції; 

19 – вихлопна труба

 

Рисунок 1.1 – Схема установки для виробництва азотної кислоти під атмосферним тиском

 

Нітрозні гази подаються в абсорбційне відділення, де проходять послідовно включені башти кислотної абсорбції. Башти постачаються холодильниками для охолодження одержаних кислот і насосами для циркуляції кислоти. Вода на поглинання NО₂ подається в останню по ходу газу башту;  утворена кислота проходить послідовно протитечією газу всі башти і, нарешті, надходить у першу башту, з якої виводиться продукція – 50%-на азотна кислота. У кислотних баштах переробляється приблизно 92% оксидів азоту, що надійшли на абсорбцію. За баштами кислотної абсорбції встановлюється окислювальна башта для окислювання NО в NО₂, пройшовши яку нітрозні гази поступають на лужну абсорбцію розчином соди. В баштах лужної абсорбції поглинається одночасно діоксид азоту і суміш NO₂ + NO, при цьому виключається виділення NO у газову фазу, як це може відбуватися при водній абсорбції.

Одержувані розчини  нітрату і нітриту натрію виводяться з першої по ходу газу башти лужної абсорбції для подальшої їх переробки.

Установки, працюючі під атмосферним тиском, характеризуються  невисокою витратою електроенергії і невеликою втратою коштовного каталізатора – платини. Однак ця схема виробництва має більше недоліків, ніж переваг: невисокий ступінь перетворення оксидів азоту в азотну кислоту (тільки 92%) приводить до високого вмісту оксидів азоту у вихлопних газах, для очищення яких необхідні громіздкі лужні установки, а це, у свою чергу, вимагає великих капітальних вкладень. Крім того, одержувана азотна кислота має невисоку концентрацію 46-50%(мас.)

Технологічна схема  виробництва азотної кислоти  під підвищеним тиском  наведена на рис. 1.2.

Атмосферне повітря, пройшовши  апарат очищення, надходить на всмоктування осьового компресора, що приводиться в рух газовою турбіною. Повітря стискається компресором до 7,3 ∙ 10⁵ Па, нагріваючись при цьому до 135 °С, і надходить у підігрівач повітря, де його температура підвищується до 250 °С за рахунок тепла нітрозних газів, що виходять з окислювача.

 

1 – повітрозабірна труба; 2 – апарат для очищення повітря; 3 – газовий компресор; 4 – газова турбіна; 5 – підігрівач повітря; 6 – апарат підготовки аміаку; 7 – змішувач з фільтром; 8 – контактний апарат; 9,15 – котел-утилізатор;

10 – окислювач із фільтром; 11– абсорбційна колона; 12 – холодильник-конденсатор; 13 – підігрівач хвостових газів; 14 – камера згоряння; 15 – реактор каталітичного очищення;  17 – вихлопна труба

 

Рисунок 1.2 – Схема виробництва слабкої азотної кислоти під підвищеним тиском

 

У змішувачі повітря  змішується з аміаком, що надходить  із комбінованого апарата підготовки аміаку. Зі змішувача аміачно-повітряна  суміш надходить у контактний апарат, де при 890-900 °С аміак окисляється  на платинових сітках. Нітрозні гази, що містять 9,0-9,6% NO (об.), надходять у котел-утилізатор.

Далі вони надходять  в окислювач, в верхній частині якого встановлений фільтр для вловлювання платини (скловата), потім послідовно вони проходять підігрівник повітря, де охолоджуються до 210-230 °С, підігрівник хвостових газів, де охолоджуються до 150-160 °С, і холодильник-конденсатор, в якому температура нітрозних газів знижується до 45-50 °С. Охолоджені нітрозні гази надходять у нижню частину абсорбційної колони. На тарілках покладені змійовики, в які подається оборотна вода для відводу тепла. На верхню тарілку подається охолоджений конденсат, який, рухаючись назустріч потоку нітрозних газів, поглинає оксиди азоту з утворенням азотної кислоти. Отримана азотна кислота самопливом направляється в продувну колону, де за допомогою гарячого повітря здійснюється віддування розчинених оксидів азоту, які подаються на 6-у тарілку абсорбційної колони. Хвостові гази, вийшовши з абсорбційної колони, направляються через підігрівач хвостових газів на каталітичне очищення.

Очищені гази, пройшовши  фільтр для вловлювання каталізатора, подаються на турбіну, де тиск знижується до 1,07∙10⁵ Па. Відхідні гази направляються далі в котел-утилізатор і у вихлопну трубу.

Установки, що працюють при підвищеному тиску, мають наступні переваги в порівнянні з установками, що працюють під атмосферним тиском.

1. Переробка оксидів азоту в азотну кислоту підвищується до 98-99%, а концентрація одержуваної азотної кислоти – до 60-62%. Відпадає необхідність у лужній абсорбції.
2. Об'єм абсорбційних колон у десятки разів менше, ніж башт з насадкою в системах, що працюють при атмосферному тиску.
3. Зменшуються капітальні витрати на будівництво установки і витрата спеціальної сталі на виготовлення апаратів.
4. Спрощується обслуговування установки.

Однак збільшення втрат  каталізатора і витрати енергії з підвищенням тиску є серйозним гальмом у розвитку цього способу.

Комбінована схема виробництва розбавленої азотної кислоти наведена рис.1.3. Стиснене відцентровим компресором і нагріте повітря (4∙10⁵ Па,                200 °С) надходить у сорочку сполученого з паровим котлом контактного апарата. Далі повітря надходить у змішувач, де змішується з очищеним і розігрітим аміаком. Пройшовши тонке очищення у фільтрі, вбудованому в контактний апарат, повітряно-аміачна суміш надходить на двоступінчастий контакт, що складається із трьох платинових сіток і шару неплатинового каталізатора. Під неплатиновим каталізатором міститься маса для вловлювання платини. Пройшовши каталізатор і фільтруючий шар, гарячий нітрозний газ (850-880 °С) обмиває трубки парового котла. Тепло нітрозного газу використовується для підігріву води, що подається в котел. Нітрозні гази далі охолоджуються в апараті повітряного охолодження від 180 до 60° С і надходять у промивач, у верхню частину якого подається конденсат азотної кислоти. 47%-на азотна кислота, що накопичується в нижній частині промивача, направляється в абсорбер. Охолоджений нітрозний газ надходить у нітрозний компресор, де стискається до 12∙10⁵ Па. Нітрозний газ послідовно охолоджується в підігрівнику живильної води і у повітряному холодильнику до 60-70 °С, а потім надходить в абсорбційну колону, тарілки якої охолоджуються оборотною охолоджувальною водою. Отримана 60%-на азотна кислота надходить у продувну колону і далі в сховище. Продувні гази повертаються в цикл, змішуючись з нітрозними газами перед промивачем.

Вихлопні гази з абсорбційної колони надходять на каталітичне очищення. Вміст оксидів азоту на виході з апарата очищення                       0,004-0,006%(об.). Очищений газ при 750-770 °С подається на рекуперативну турбіну, енергія якої використовується для привода повітряного і нітрозного компресорів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – випарник аміаку; 2 – фільтр очищення аміаку; 3 – фільтр очищення повітря; 4 – повітряний компресор;

5 – підігрівач аміаку; 6 – контактний апарат; 7 – фільтр очищення аміачно-повітряної суміші; 8 – платинові сітки; 9 – неплатиновий каталізатор; 10 – котел-утилізатор; 11 – підігрівач живильної води; 12 – повітряний холодильник; 13 – газовий промивач; 14 – абсорбційна колона; 15 – продувна колона; 16 – підігрівач вихлопного газу; 17 – газовий змішувач; 18 – апарат каталітичного очищення; 19 – топковий пристрій; 20 – повітряний холодильник; 21 – газова турбіна; 22 – нітрозний компресор; 23 – підігрівач живильної води