Производство азотной кислоты

Утворені нітрозні гази поступають в котел-утилізатор 9, де за рахунок охолодження нітрозних газів відбувається випаровування деаерованої води з одержанням пари. В котлі-утилізаторі частково відбувається окислювання NO в NO₂ з виділенням тепла.

Після котла-утилізатора нітрозні гази надходять в окислювач 6, в об’ємі якого відбувається окислювання оксиду азоту (ІІ) до оксиду азоту (ІV) з підвищенням температури нітрозних газів до 300 ºС.

Із окислювача нітрозні гази направляються за двома паралельними потоками. За одним потоком нітрозні гази надходять в підігрівач повітря, вбудований в окислювач 6, де охолоджуються до 250ºС за рахунок підігріву повітря. За іншим потоком нітрозні гази надходять в підігрівач хвостових газів 10, де за рахунок нагрівання хвостових газів охолоджуються до                     150-185 ºС. Виходячи із підігрівача повітря 6 і підігрівача хвостових газів 10, нітрозні гази об’єднуються в один потік, який направляється в холодильник – конденсатор 11, де відбувається подальше охолодження нітрозних газів до 30-50ºС оборотною водою після абсорбційної колони 14, конденсація водяної пари і утворення 43-52%-ної азотної кислоти.

Нітрозні гази із холодильника-конденсатора 11 направляються під нижню тарілку  абсорбційної колони, 43-52%-на азотна кислота, утворена в цьому апараті, подається на одну з тарілок колони 14 з відповідною концентрацією кислоти.

Оборотна вода після  холодильника-конденсатора 11 з температурою 32 ºС скидається в оборотний цикл.

Охолоджувальна вода після абсорбційної колони направляється в кожухотрубчастий холодильник-конденсатор 11.

Нітрозні гази поступають в абсорбційну колону 14 під першу тарілку і проходять послідовно всі тарілки, на 40-у тарілку абсорбційної колони подається пом’якшена вода з температурою до 35ºС, витрата якої регулюється регулятором витрати.

Азотна кислота, що утворюється  на верхніх тарілках колони, перетікає  на нижче розташовані тарілки, рухаючись  назустріч потоку газу. Концентрація азотної кислоти збільшується по мірі проходження через тарілки. На виході із колони концентрація кислоти повинна бути не менше 52% (мас.).

Отримана в абсорбційній колоні азотна кислота поступає в  продувальну колону 15, де розчинені  оксиди азоту віддуваються гарячим  повітрям, що надходить після нагнітача  газотурбінної установки. Кислота із продувальної колони видається на склад азотної кислоти.

Хвостові гази, що виходять із абсорбційної колони і містять  до                0,11%(об.) оксидів азоту, після відділення вологи у відцентровому сепараторі 8, проходять ступінчасте нагрівання в підігрівачі вихлопних газів 10. В підігрівачі хвостові гази нагріваються до температури не нижче 120ºС за рахунок тепла нітрозних газів. Після відділення вологи і підігрівання хвостові гази направляються на очищення.

Хвостові гази після підігрівача хвостових газів 10 змішуються з природним газом і направляються в камеру згоряння реактора 18 на підігрів топковими газами  і нагрітими до 380-500 ºС поступають в реактор каталітичного очищення 17. В реакторі очищення на каталізаторі АВК-10 відбувається відновлення оксидів азоту до елементарного азоту газоподібним аміаком.

 Очищені хвостові  гази після реактора каталітичного  очищення                17 змішуються з повітрям, топковими газами камери згоряння агрегату    ГТТ-3М і при температурі 700ºС поступають в газову турбіну агрегату              ГТТ-3М. В газовій турбіні хвостові гази розширюються до тиску, близького до атмосферного, з пониженням температури до 400ºС, перетворюючи енергію газів в механічну роботу на валу турбіни. Отримана за рахунок розширення і охолодження хвостових газів в газовій турбіні механічна енергія витрачається на стиснення повітря в осьовому компресорі і нагнітачі агрегату ГТТ-3М. Надлишкова енергія в двигуні-генераторі перетворюється в електричну енергію і видається в мережу.

Відпрацьовані у турбіні гази з температурою не більше 400ºС і тиском 0,106 МПа направляються в котел-утилізатор 13, де віддають своє тепло живильній воді з одержанням пари тиском не більше 1,5 МПа. Після котла-утилізатора очищені хвостові гази викидаються в атмосферу через вихлопну трубу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 Матеріальні розрахунки виробництва

 

Матеріальний баланс відділення окислення аміаку

 

Теоретична витрата NH₃ на  1 т HNО₃ згідно рівнянню

 

                                        NH₃ + 2О₂ = НNO₃ + Н₂О                                          (6.1)

 

складатиме:

 

 

Практична  витрата NH₃ при ступені  конверсії 96%   і  ступені абсорбції оксидів азоту 99,99% складе:

 

 

Годинна витрата аміаку

 

 

Годинна витрата повітря при вмісті в аміачно-повітряній суміші             11,5%  (об.) NH₃ складе:

 

 

В ньому нім міститься  О₂

 

7970 · 0,21 = 1670 кмоль, або 53500 кг

 

Кількість інших газів, що поступають з повітрям, складе

 

7970 ·  0,79 = 6300  кмоль, або    176400 кг

 

Вміст парів води навіть при повному насиченні повітря при 25 °С і            8·10⁵ Па 0,4%, тому в розрахунку цю цифру не враховуємо.

Кількість і склад аміачно-повітряної суміші, що поступає в контактний апарат:

 

	кмоль	% (об.)	кг	% (мас.)
NH3	1035	11,5	17600	7,12
O2	1670	18,6	53500	21,60
N2	6300	69,9	176400	71,28
Всього:	9005	100,0	247500	100,00

 

У контактному апараті реакція

 

                                4NH₃ + 5О₂ = 4NO + 6Н₂О + 908 кДж                           (6.2)

 

протікає на 96%, а реакція 

 

                                4NH₃ + 3О₂ = 2N₂ + 6Н₂О + 1269 кДж                           (6.3)

 

на 4%.

Утворенням N₂О знехтуємо.

Утворюється NО і N₂:

 

1035 · 0,96 = 994 кмоль,      або     29820 кг

 

1035 · 0,04 · 0,5 = 20,5 кмоль

 

парів води

 

1035 · 1,5 = 1552 кмоль,   або    27980 кг

 

При утворенні NO і N₂ зв'язується О₂

 

1035 · 0,96  · 1,25+ 1035 · 0,04 · 0,75  = 1272 кмоль

 

залишилося О₂ в нітрозному газі

 

1670 – 1272 = 398 кмоль,    або     12740 кг

 

Кількість N₂ в нітрозному газі

 

6300 + 20,5 = 6320,5 кмоль,     або 176960 кг

 

 

Кількість і склад нітрозних газів, що виходять з контактного реактора:

 

	кмоль	% (об.)	кг	% (мас.)
NО	994,0	10,7	29800	12,00
O2	398,0	4,3	127200	5,20
Н2О	1552,0	16,75	28000	11,30
N2	6320,5	68,25	176800	71,50
Всього:	9264,5	100,00	247320	100,00

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 ТепловІ розрахунКИ ВИРОБНИЦТВА

 

Тепловий баланс відділення окислення аміаку

 

Прихід тепла внаслідок реакцій окислювання NH₃ (6.2) і (6.3) на годину (у кДж/кмоль):

 

 

 

Прихід тепла з аміачно-повітряною сумішшю

 

                                                        Q₃ = m · C_р ·t_x,                                              (7.1)

 

де m – кількість аміачно-повітряної суміші, що поступає  на   окислювання,

          кмоль;

     С_р – середні молярні теплоємності компонентів газу,   кДж/(кмоль ·°С),

             (при температурах 0-300°С ; ; );

    t_x – температура аміачно-повітряної суміші, °С.

 

Q₃ = (1035 · 39,4 + 1670 · 30,5 + 6300 · 29,43) · t_x = 277050t_x

 

Витрата тепла з нітрозними газами, що виходять після каталізу, буде:

 

Q₄ = (994 · 32,1 + 398 · 32,8 + 1552 · 38,3 + 6320 · 31,2) ·  930 =  281000000 кДж,

 

де 31,1; 32,8; 38,3; 31,2 – середні молярні теплоємності оксиду азоту, кисню,

             водяної пари, азоту в межах 0-950°С відповідно, кДж/(кмоль ·°С).

 

Втрати тепла шляхом випромінювання, яке викликає зниження температури сіток, приймаємо 1%,  тобто:

Q₅ = 0,01 · 281000000 = 2810000 кДж

 

Виходячи з приходу і витрати тепла визначаємо температуру аміачно-повітряної  суміші,   що поступає   в  контактний   апарат

 

225200000 + 13120000 + 277050t_x = 281000000 + 2810000

 

t_x = 165 °С

 

Визначимо   тепло, що приноситься NH₃ при 120°С

 

Q₆ = 1035 · 36,2 · 120 = 4480000 кДж

 

Тоді для забезпечення температури аміачно-повітряної суміші, що надходить у контактний апарат, 165°С необхідно підігріти повітря до температури

 

 

де 6300 + 1670 – кількість повітря;

     29,5 – середня  теплоємність повітря в межах 0-200°С, кДж/(кмоль ·°С).

 

З урахуванням втрат  температура повітря складатиме  185°С.

Кількість тепла, що приноситься  повітрям, буде

 

Q₇ = (6300 + 1670) · 29,5 · 185 = 43550000 кДж

 

Приймемо температуру  нітрозного газу, що виходить з теплообмінника  і входить у швидкісний холодильник, рівною 200 °С. Тоді кількість тепла, що відноситься з теплообмінника, складатиме

 

Q₈ = (994 · 29,45 + 398 · 30,05 + 1552 · 33,85 + 6320 · 29,05) · 200= 55350000 кДж,

 

 

де 29,45; 30,05; 33,85; 29,05 –  середні молярні теплоємності оксиду   азоту,

             кисню,     водяної    пари,    азоту    в    межах 0-200°С   відповідно,

             кДж/(кмоль ·°С).

 

Кількість тепла, що передається в теплообмінниках, дорівнює

 

Q₉ = Q₄ – Q₈ = 281000000 – 55350000 = 225650000 кДж

 

Кількість тепла, що забирається повітрям в теплообміннику при температурі його надходження з компресора  150 °С, складатиме

 

Q₁₀ = 7970 · 29,5 · (185 – 150) =  8250000 кДж

 

Тоді кількість тепла, що передається нітрозним газом в теплообмінниках, складатиме

 

Q₁₁ = Q₉ – Q₁₀ = 225650000 – 8250000 ≈ 217 · 10⁶ кДж

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8 Конструктивні розрахунки, вибір  та обґрунтування основного технологічного  устаткування

 

8.1 Конструктивний  розрахунок контактного апарату

 

Площа перетину контактного  апарату розраховується за формулою:

 

                                ,                           (8.1)

 

де V₀  – об'єм аміачно-повітряної  суміші  при 0Сº  і  атмосферному тиску,  м³;

     τ = 0,95 · 10^–4 С – час контактування;

     T_к   = 1203 К –  температура контактування;

     m = 14 шт. – кількість платиноїдних сіток;

     d = 0,009 см – діаметр дроту сітки;  

    Р_поч  = 1 ·10⁵ Па – початковий тиск  газу;

     Р_к  = 8 ·10⁵ Па – тиск газу при контактуванні;

     n = 1024 – число плетив на 1 см² сітки. 

 

Об’єм аміачно-повітряної суміші, що проходить за 1 с через  каталі-затор:

 

,

 

де 9005 – кількість  аміачно-повітряної суміші, що надходить  до контактного 

                апарату, кмоль (дані матеріального балансу);

9264,5 – кількість нітрозних газів, що виходять із   контактного апарату,

            кмоль (дані матеріального балансу).

 

Діаметр контактних сіток  розраховується за формулою:

                                                           

                                                                                                           (8.2)