Физико- химические основы технологических процессов производства

Введение

1. Обзор промышленных методов производства и их технико- экономическая оценка
2. Характеристика сырья готового продукта
3. Физико- химические основы технологических процессов производства
4. Технологическая схема процесса
5. Материальные расчеты
6. Выбор и описание основного аппарата
7. Отходы и выбросы производства
8. Техника безопасности
9. Список литературы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

      Азотная  кислота по объему производства  занимает среди других кислот  второе место после серной  кислоты. Все возрастающий объем производства HNO3 объясняется огромным значением азотной кислоты и ее солей для народного хозяйства. Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотсодержащих веществ. До 70-80% ее количества расходуется на получение минеральных удобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатых веществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; в промышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель в различных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства. Для получения удобрений потребляется как правило разбавленная азотная кислота. Основными производителями азотной кислоты являются США, Франция, ФРГ, Италия, Испания, и Англия.

    

Рис. 1 Области применения азотной кислоты

К современным тенденциям развития технологии производства азотной  кислоты 

относятся: обеспечение  наибольшей надежности конструкций  аппаратуры и машинных агрегатов; повышение  степени кислой абсорбции, а также  степени использования тепла химических реакций и к.п.д. энергии сжатых газов; увеличение скорости процесса на всех его этапах, снижение вредных выбросов в атмосферу. Кроме того существенное влияние на экономику производства оказывает мощность применяемых установок, повышение которой приводит к снижению затрат на строительство азотно-кислотных систем. Повышение мощности установок вызывает необходимость повышения давления (в особенности на стадии абсорбции). К современным тенденциям развития технологии производства азотной кислоты относятся: обеспечение наибольшей надежности конструкций аппаратуры и машинных агрегатов; повышение степени кислой абсорбции, а также степени использования тепла химических реакций и к.п.д. энергии сжатых газов; увеличение скорости процесса на всех его этапах, снижение вредных выбросов в атмосферу. 

     Важной  проблемой развития производства  азотной кислоты является повышение  ее концентрации, что позволяет  упростить методы получения аммиачной  селитры и других азотных удобрений. 

   Существенное  снижение себестоимости азотной кислоты может быть достигнуто при уменьшении потерь платинового катализатора. С этой целью проводятся испытания эффективных фильтров для улавливания платиновой пыли, испытываются катализаторы с повышенным содержанием Pd и Rh, внедряются в производство комбинированные катализаторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Обзор промышленных  методов производства и их  технико- экономическая оценка.

 

  Азотную кислоту  в промышленности получают каталитическим  окислением аммиака кислородом  воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота (неконцентрированная) и перегонкой 56-60 %-ной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серной кислоты или сплава нитрата магния) и прямым синтезом (концентрированная).

В зависимости от условий  ведения производственного процесса различают типы схем:

1) Схема, работающая  под давлением 0,716 МПа.

Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс. тгод (100%-ной азотной кислоты). Восстановление оксидов азота происходит на двухступенчатом катализаторе АПК-2 и Al2O3. Содержание оксидов азота в отходящих газах после каталитической очистки не более 0,005% (об.). Агрегаты, работающие под давлением 0,716 МПа, оснащены приборами автоматизации, позволяющими управлять процессом из ЦПУ. Эти агрегаты характеризуются высокой степенью использования энергии процессов, большой мобильностью при пуске, остановках и изменении нагрузок, большой единичной мощностью и эффективной очисткой отходящих газов от оксидов азота.

НТР процесса:

- содержание аммиака  в АВС, % (об.) - 9,7 - 10,7

- температура, С:

АВС - 180-230

Контактирования - 890-910

- концентрация продукционной  кислоты, % (масс.) - 58-60

2) Крупнотоннажный агрегат  АК-72.

Производство разбавленной азотной кислоты в агрегате АК-72 осуществляется по комбинированному методу: окисление аммиака проводится под давлением 0,42 МПа, абсорбция оксидов азота - при 1,1 МПа.

При давлении 0,42 МПа можно  достичь высокой степени конверсии  аммиака (до 97%) и расход платины будет составлять не более 0,1-0,12 гт азотной кислоты.

Особенностью агрегата АК-72 является применение высокотемпературной  каталитической очистки выхлопных  газов от оксидов азота с помощью  природного газа и подача горячих  выхлопных газов в газовую турбину без предварительного охлаждения.

Агрегат АК-72 автоматизирован. Пуск и управление всех процессов  осуществляется через ЦПУ. При снижении к.п.д турбин высокого и низкого  давления в результате загрязнения  проточной части осевого воздушного компрессора и утечки газов через неплотности производительность агрегата снижается.

Производительность агрегата АК-72 составляет 1150 тдень.

НТР процесса:

- концентрация продукционной  кислоты, % (масс.) - 58-60

- температура контактирования, С - 840-880

- катализатор - платиноидные  сетки.

3) Крупнотоннажный модернизированный  агрегат АК-72М.

Комплексное устранение недостатков в агрегате АК-72М  достигнуто исключением из схемы  высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, исключено  применение катализатора АПК-72, в котором используется дефицитный металл - палладий, выхлопные газы не содержат оксидов углерода и метана, но добавляется до 0,01% (об.) аммиака, энергозатраты снижены на 15%, но для повышения надежности и стабильности работы агрегата холодильники-конденсаторы изготовляют из титана.

На стадии конверсии  окисление аммиака проводят на платиновом катализаторе и неплатиновом катализаторе НК-2У. На стадии селективной очистки  от оксидов азота применяется  алюмомедьцинковый катализатор  АМЦ-10.

Производительность 380000 тгод, концентрация товарной азотной кислоты 60%.

Агрегат спроектирован  в 1976 г.

4) Комбинированная схема  с давлением на стадии абсорбции  0,35-0,4 МПа.

Система состоит из нескольких агрегатов мощностью 45-50 тыс.тгод (в  пересчете на 100%-ную азотную кислоту). Концентрация продукционной кислоты 47-50% (масс.). Бoльшая часть агрегатов, работающих под давлением 0,35-0,4 МПа, оснащена

установками селективной  очистки отходящих газов от оксидов  азота на ванадиевом катализаторе с  применением в качестве восстановителя аммиака.

На стадии окисления  аммиака используют платиновый катализатор, на стадии каталитической очистки - ванадиевый катализатор АВК-10М.

 По сравнению с  другими системами эта система  характеризуется приблизительно  на 40% меньшими капитальными затратами и отсутствием стадии щелочной абсорбции. К недостаткам системы относится повышенный расход электроэнергии, малая мощность агрегатов и большой расход аммиака в связи с применением низкотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота.

Вывод: в связи с  вышеперечисленными достоинствами  и недостатками методов выбирается комбинированная схема с давлением  на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа

 

 

 

 

 

2.Характеристика  сырья готового продукта

 

Сырьем для получения азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода.

Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло (при сжатии поршневым компрессором). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах, состоящих из чечевицеобразных элементов, фильтрующим материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно–воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи его. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

 

Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей.

 

Характеристика целевого продукта

 

Безводная азотная кислота HNO3 представляет тяжелую бесцветную жидкость, пл.1,52 (при 15 ºС), дымящую на воздухе. Она замерзает при –41 и кипит при 86 ºС. Кипение кислоты сопровождается частичным разложением:

 

4HNO3 2H2 + 4NO2 + O2 – 259,7 кДж

 

Выделяющийся диоксид азота, растворяясь в кислоте, окрашивает ее в желтый или красный (в зависимости от количества NO2) цвет. С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях. Выделение теплоты при разбавлении азотной кислоты водой свидетельствует об образовании гидратов (HNO3×H2O, HNO3×2H2O).

 

Азотная кислота – сильный окислитель. Металлы, за исключением Pt, Rh, Ir, Au, переводятся концентрированной азотной кислотой в соответствующие оксиды. Если последние растворимы в азотной кислоте, то образуются нитраты.

Основным сырьем для производства неконцентрированной азотной кислоты в настоящее время являются аммиак, воздух и вода. Вспомогательными материальными и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия.

Аммиак.

В обычных условиях представляет собой безцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты. Аммиак: в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси.

 

Химическая формула - NH3

Молекулярный вес - 17,03

Плотность, кг м3:

Жидкий аммиак - 681

Газообразный - 770

Температура самовоспламенения - 650 С.

Температура затвердевания - 77,75 С.

Без катализатора разлагается при температуре 1000 С, с катализатором - при 300 С.

Массовая концентрация газообразного аммиака -  

не менее 99,6% 

Должен соответствовать ГОСТ 6221-90.  Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан).

 

Воздух.

Воздух: сухой воздух должен содержать (% об.): N2 - 78.1; O2 - 21.0; Ar2 - 0.9; содержание водяных паров колеблется от 0,1 до 2,8 % (об.). В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганических газовых выбросов. Количество пыли в воздухе составляет 0,5 - 1,0 мгм3.

Массовая концентрация пыли (после аппарата очистки воздуха)- 

не более 7,0 мг/м3 

Должен соответствовать ГОСТ 24484.В воздухе могут присутствовать также следы SO2, NH3, CO2. В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2 и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5-1,0 мг/м3.

 

Вода.

Используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случае вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свободного аммиака и твердых взвесей, содержание хлорид-иона должно быть не более 2мг/л, масла не более 1мг/л, NH4NO3-не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям Гост 20995-75.

 

Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям:

Жесткость карбонатная, мэкв/кг Не более 3,6

Содержание взвешенных веществ, мг/кг Не более 50

Значение pH 6,5-8,5

 

Кислород.

Применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения АВС при получении неконцентрированной азотной кислоты.В настоящее время основную массу азотной кислоты производят из синтетического аммиака, получаемого на основе конверсии природного газа. Аммиак, поступающий из цеха синтеза, содержит катализаторную пыль и пары компрессорного масла, являющиеся каталитическими ядами на стадии окисления аммиака. Поэтому аммиак подвергается тщательной очистке фильтрованием через матерчатые и керамические (поролитовые) фильтры и промывкой жидким аммиаком. Аналогично очищают от механических и химических примесей воздух, который поступает в цех через заборную трубу, устанавливаемую как правило, вдали от территории предприятия. Для очистки воздуха используются орошаемые водой скрубберы и матерчатые двухступенчатые фильтры.