Физико- химические основы технологических процессов производства

После котла-утилизатора  нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов 13. Он представляет собой полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе 13 степень окисления возрастает до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300–335 єС. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 12.

Охлажденные в теплообменнике 12 нитрозные  газы поступают для дальнейшего  охлаждения в теплообменник 11, где  происходит снижение их температуры  до 150 єС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110–125 єС. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 7, охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 8, из которого азотную кислоту направляют в адсорбционную колонну 9 на 6–7-ю тарелку, а нитрозные газы – под нижнюю тарелку абсорбционной колонны. Сверху в колонну подают охлажденный паровой конденсат. Образующаяся в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие тарелки. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно увеличивается и на выходе достигает ~1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну 10, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и отбеленная азотная кислота поступает на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9.

Степень абсорбции оксидов  азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35 С проходят подогреватель 11, где нагреваются до 110–145 єС и поступают в топочное устройство (камера сжигания 3 установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390–450 С за счет горения природного газа, подогретого предварительно в подогревателе 4, и направляются в реактор с двухслойным катализатором 2, где первым слоем служит оксид алюминия с нанесенным на него палладием, вторым слоем – оксид алюминия. Очистку осуществляют при 760 С. Очищенные газы поступают в газовую турбину 17 при температуре 690–700 С; энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомпрессора 18. Затем газы направляют в котел-утилизатор и экономайзер (на схеме не показаны) и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005–0,008%, содержание CO2 – 0,23%.

Таким образом, данный агрегат  полностью автономен по энергии. Энергия рекуперируется в результате установки на одной оси с турбокомпрессором газовой турбины.

 

Принципиальная блок-схема  получения азотной кислоты. Она  включает в себя четыре основные стадии – окисление аммиака, охлаждение газов, окисление оксидов азота  и абсорбцию диоксида азота.

В промышленности разработаны и эксплуатируются модификации комбинированных процессов. Например, каталитическое окисление аммиака проводят при нормальном давлении, а абсорбцию – при среднем давлении, или каталитическое окисление проводят при среднем давлении, а абсорбцию – при высоком давлении.

 

В России разработан и  внедрен в промышленность процесс  под давлением 0,73 МПа. Последняя  разработка – схема при двух давлениях  – система АК-72. По этой схеме  каталитическое окисление проводят при 0,4 – 0,45 МПа, а перед стадией абсорбции нитрозный газ сжимают до 1 – 1,2 МПа. При этом создаются лучшие условия для двух основных процессов – окисления и абсорбции, чем при одном давлении.

Структурная блок–схема ХТС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Материальные расчеты

 

Исходные данные:

Производительность цеха- 240.000 т/год

Годовой фонд рабочего времени -340 суток

Часовая производительность одного агрегата- 14,7 т/час

Расход нитрозных газов  нм³/т HMO₃ -3800

Состав нитрозных газов, поступающих в абсорбционное  отделение об.%:

NO₂-3,8

O₂-4,4

N₂-70,1

H₂O-16

Степень абсорбции % -99

Содержание кислорода в выхлопных нитрозных газах -3,2%

Температура их 30⁰ С

Давление на выходе из абсорбера -6,6 н/м²

Масса любого газа при  нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е. p₀=M/22,4 ,где р₀- плотность газа при нормальных условиях.

Р_NO=30/22,4=1,339 кг/м³

P_NO2 =46/22,4=2,054 кг/м³

P_O2=32/22,4=1,429 кг/м³

P_H2O=18/22,4=0,804 кг/м³

Р_N2=28/22,4=1,250 кг/м³

 Х_{Vi Pi=}0,057*1,339+ 0,038*2,054+0,044*1,429+0,16*0,804+0,701*1,250=124,964

 

X_NO=0,057*1,339/124,964*100%=6,1 %( масс.)

Х No₂₌0,038*2,054/124,964*100%=6,24% (масс.)

X _o2=0,044*1,429/124,964*100%=5,03% (масс.)

X _H2O=0,16*0,804/124,964*100%=10,29 % (масс.)

X _N2=0,701*1,250/124,964*100%=70,12% (масс.)

Расчет массы двуокиси азота происходит по уравнению

3 NO₂+H₂O= 2HNO₃+ NO

Концентрация кислоты  орошающий абсорбер -99 % (масс.)

Содержание воды и  кислоты 

m_HNO3=1*0,99=0,99кг- масса кислоты (в пересчете на 100 %-ю) поступающей в абсорбер;

m_H2O=1-0,99=0,01 кг-масса воды в 99% кислоте

Рассчитаем количество реагентов для получения 1 кг кислоты ( в пересчете на 100 %)

На образование 2-х  моль 100% кислоты требуется 3 моль NO2.

2*63 кмоль/кг=1кг

3*46 кмоль/кг    хкг         

 

x=1*3*46/2*63= 1,095 кг

Масса поглощенной воды на образование 1 кг кислоты ( в пересчете  на 100%)

На образование 2-х  моль кислоты поглощается 1 моль воды

2*63 кмоль/кг= 1 кг

18 кмоль/кг         х кг

 

Х=1*18= 0,143 кг

      2*63

 

Масса водяных паров, вносимых в абсорбер с нитрозными газами на образование 1 кг кислоты ( в пересчете на  100 %)

 

3,8% =1,095

16           хкг

 

Х=1,095*16 =4,61кг

        3,8

 

С учетом степени абсорбции  NO₂ 99%-4,61*100=

                                                                      99

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

№ п/п	Приход	кг	т/сут	№ п/п	Расход	кг	т/сут
1	Азотная кислота 47,5%			1	Азотная кислота 50 %
	в том числе:				в том числе:
	HNO3				HNO3
	H2O				H2O
2	Нитрозные газы
	в том числе:			2	NO
	NO2			3	N2
	H2O			4	O2
	NO			5	NO2
	N2
	O2
	ИТОГО:				ИТОГО:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Выбор и  описание основного аппарата

Для абсорбции окислов  азота под атмосферным давлением  применяют насадочные абсорбционные  колонны из нержавеющей стали. Диаметр  их достигает 8м; высота 29 м (рис 5). Колонна состоит из сварного корпуса 4, заполненного кольцами Рашига, колосниковой решетки 2 и разбрызгивающего устройства 1 . Нитрозный газ поступает вниз колонны, а отводится в верхней части его. Орошающая кислота движется противотоком по отношению к газовому потоку. Для абсорбции нитрозных газов под повышенным давлением применяются абсорбционные колонны тарельчатого типа с колпачковыми или ситчатыми тарелками.

 

Колонна представляет собой  сварной цилиндрический вертикальный сосуд диаметром 3 м и высотой 45 м, изготовленный из стали марки IXI8H9Т. Ситчатые тарелки 1 в количестве 40 шт. расположены по высоте колонны на различных расстояниях друг от друга. Отверстия диаметром 2 мм размещены на тарелках в шахматном порядке. При прохождении через такую тарелку газа снизу вверх и жидкости сверху вниз на тарелке образуется пена с большой поверхностью раздела фаз, что способствует интенсификации массообмена. Для перетока жидкости с тарелки на тарелку служат переливные патрубки 4.

 

Для отвода тепла, выделяющегося в процессе абсорбции нитрозных газов, на тарелках размещены охлаждающие змеевики 2, в которых циркулирует вода. Общая охлаждающая поверхность в колонне достигает 500 м2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Отходы и  выбросы производства

 

В производстве азотной кислоты комбинированным методом в качестве отходов производства образуются "хвостовые" газы, очищенные в реакторах каталитической очистки, вентиляционные выбросы вредных веществ, сточные воды.

После абсорбционных  колонн образуются "хвостовые" газы с содержанием NO + NO2 не более 0,5 % об. (при получении неконцентрированной азотной кислоты) и не более 0,2 % об. (при получении нитроолеума), которые направляются на установку каталитического разложения оксидов азота до элементарного азота газообразным аммиаком на алюмованадиевом катализаторе АВК-10 (АОК-78-55) и железохромовом катализаторе СТК-1 при температуре 320оС и давлении не более 0,35 МПа.

Очищенные "хвостовые" газы после реакторов каталитической очистки с температурой не более 320оС, направляются в турбодетандеры для рекуперации энергии и далее в выхлопную трубу.

Отдувочные газы из хранилищ, продувочных колонок и отделения 2 поступают на всас турбокомпрессора.

Кроме того, в цехе имеются  вентиляционные выбросы оксидов  азота и аммиака из контактного отделения, машинного отделения, насосной продукционной кислоты.

Сточные воды из отделения  неконцентрированной азотной кислоты  выводятся по:

 

- хозфекальной канализации;

 

- промливневой канализации;

 

- канализации химзагрязненных  стоков.

 

Загрязнение наружного воздуха на территории предприятия окислами азота, выбрасываемыми хвостовыми вентиляторами. Содержание окислов в этих выбросах достигает 0,5 – 1,5%.

 

В отделении хранения слабой кислоты причинами постоянных и аварийных газовыделений являются также неплотности и неисправности кислотопроводов, переливание ёмкостей через край. При этом также могут быть, кроме газовыделения, и химические ожоги кислотой.

 

Розлив азотной кислоты  в железнодорожные цистерны производится снаружи, следовательно, здесь имеется главным образом опасность ожога кислотой при переливании цистерн, при неаккуратности рабочих.

 

 

8. Техника безопасности

Для обеспечения безопасного  режима работы в производстве неконцентрированной  азотной кислоты по комбинированной  схеме необходимо строгое выполнение технологического регламента, инструкций по охране труда по рабочим местам, инструкции по охране труда и промышленной безопасности отделения, инструкций по отдельным видам работ.

Обслуживающий персонал допускается к работе в положенной по нормам спецодежде и спецобуви, обязан иметь при себе исправные средства индивидуальной защиты. Средства защиты (индивидуальный противогаз) обязательно проверяется ежесменно перед началом работы.

Лица, обслуживающие механизмы, должны знать правила Госгортехнадзора, относящиеся к обслуживаемому оборудованию. Лица, обслуживающие котлонадзорное оборудование, - правила котлонадзора.

Не допускать нарушения  нормального технологического режима на всех стадиях процесса.

Работы вести только на исправном оборудовании, оснащенном всеми необходимыми и исправно действующими предохранительными устройствами, контрольно-измерительными и регулирующими приборами, сигнализациями и блокировками.

При сдаче в ремонт оборудования и коммуникаций, в которых  возможно скопление аммиака, производить продувку оборудования и коммуникаций азотом до отсутствия в продувочном азоте горючих.

Перед заполнением аппаратов  и коммуникаций аммиаком после их ремонта производить продувку азотом до содержания кислорода в продувочном  азоте не более 3,0% об.

Не допускать ремонт коммуникаций, арматуры, оборудования, находящихся под давлением. Ремонт должен производиться после сброса давления и отключения ремонтируемого участка заглушками. Оборудование, коммуникации, подлежащие ремонту, должны быть продуты или промыты.

Во избежание гидравлических ударов подачу пара в холодные паропроводы  производить медленно, обеспечив  достаточный их подогрев со сбросом  конденсата по всей длине трубопровода. Выход сухого пара из дренажа свидетельствует  о достаточном прогреве трубопровода.