Технология аммиачной селитры. Технологическая схема производства NH4NO3 и ее описание

Введение

Важнейшим видом минеральных удобрений являются азотные: аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, водные растворы аммиака и др. Азоту принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности растений: он входит в состав хлорофилла, являющегося акцептором солнечной энергии, и белка, необходимого для построения живой клетки. Растения могут потреблять только связанный азот - в форме нитратов, солей аммония или амидов. Сравнительно небольшие количества связанного азота образуются из атмосферного за счет деятельности почвенных микроорганизмов. Однако современное интенсивное земледелие уже не может существовать без дополнительного внесения в почву азотных удобрений, полученных в результате промышленного связывания атмосферного азота.

Азотные удобрения отличаются друг от друга по содержанию в них азота, по форме соединений азота (нитратные, аммонийные, амидные), фазовому состоянию (твердые и жидкие), различают также физиологически кислые и физиологически щелочные удобрения.

Производство аммиачной селитры

Аммиачная селитра, или нитрат аммония, NН4NО3 - кристаллическое вещество белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах , обе формы азота легко усваиваются растениями. Гранулированную аммиачную селитру применяют в больших масштабах перед посевом и для всех видов подкормок. В меньших масштабах ее используют для производства взрывчатых веществ.

Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и обладает большой гигроскопичностью (способностью поглощать влагу из воздуха). Это является причиной того, что гранулы удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую форму, происходит слеживание удобрений- сыпучий материал превращается в твердую монолитную массу.

Аммиачную селитру выпускают трех видов:

А и В- используют в промышленности; применяют во взрывчатых смесях (аммонитах, аммониалах)

В- эффективное и наиболее распространенное азотное удобрение, содержащее около 33-34% азота; обладает физиологической кислотностью.

Исходное сырьё

Исходным сырьем в производстве аммиачной селитры является аммиак и азотная кислота.

Азотная кислота . Чистая азотная кислота HNO

-бесцветная жидкость плотностью 1,51 г/см при - 42 С застывающая в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе она, подобно конц нтрированной соляной кислоте, «дымит», так как пары ее образуют с влагой воздуха мелкие капельки тумана. Азотная кислота не отличается прочностью Уже под влиянием света она постепенно разлагается:

Чем выше температура и чем концентрированнее кислота, тем быстрее и ет разложение. Выделяющийся диоксид азота растворяется в кислоте и придает ей бурую окраску.

Азотная кислота принадлежит к числу наиболее сильных кислот; в разбавленных растворах она полностью распадается на ионы

и- Азотная кислота - одно из важнейших соединений азота: в больших количествах она расходуется в произ одстве азотных удобрений, взрывчатых в ществ и органических красителей, служ т окислителем во многих химических процес ах, используется в производстве серной кислоты по нитрозному способу, применяется для изготовления целлюлозных лаков, кинопленки.

Промышленное получение азотной кислоты . Современные промышленные способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха. При« описании свойств аммиака было указано, что он горит в кислороде, причём продуктами реакции являются вода и свободный азот. Но в присутствии катализаторов - окисление аммиака кислородом может протекать иначе. Если пропускать смесь аммиака с воздухом над катализатором, то при 750 °С и определенном составе смеси происходит почти полное превращение

Образовавшийся

легко переходит в, который с водой в присутствии кислорода воздуха дает азотную кислоту.

В качестве катализаторов при окислении аммиака используют сплавы на основе платины.

Получаемая окислением аммиака азотная кислота имеет концентрацию, не превышающую 60%. При необходимости ее концентрируют,

Промышленностью выпускается разбавленная азотная кислота концентрацией 55, 47 и 45%, а концентрированная-98 и 97%, Концентрированную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах, разбавленную - в цистернах из кислотоупорной стали.

Синтез аммиака

Аммиак - ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве. Д. Н. Прянишников назвал аммиак «альфой и омегой» в обмене азотистых веществ у растений.

На схеме показаны основные области применения аммиака. Состав аммиака был установлен К. Бертолле в 1784 г. Аммиак NНз - основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь по отношению к катионам, обладающим вакантными связывающими орбиталями.

Физико-химические основы процесса . Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению реакции

N2+ЗН2 =2NНз; ∆H<0

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (∆Н=-91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (∆H=-112,86 кДж/моль). Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае тоже отрицательно и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ∆S повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции,

Реакция синтеза аммиака протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению реакции 4 моль исходных газообразных реагентов образуют 2 моль газообразного продукта. Основываясь на принципе Л е Шателье, можно сделать вывод о том, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

Характеристика целевого продукта

Физико-химические свойства Аммиачная селитра (нитрат аммония) NH4NO3 имеет молекулярную массу 80,043; чистый продукт - бесцветное кристаллическое вещество, содержащее 60% кислорода, 5% водорода и 35% азота (по 17,5% в аммиачной и нитратной формах). Технический продукт содержит не менее 34,0% азота.

Основные физико-химические свойства аммиачной селитры :

Аммиачная селитра в зависимостиот температуры существует в пяти кристаллических модификациях, термодинамически устойчивых при атмосферном давлении (табл.). Каждая модификация существует лишь в определенной области температур, и переход (полиморфный) из одной модификации в другую сопровождается изменениями кристаллической структуры, выделением (или поглощением) тепла, а также скачкообразным изменением удельного объема, теплоемкости, энтропии и т. д. Полиморфные переходы являются обратимыми - энантиотропными.

Таблица. Кристаллические модификации аммиачной селитры

Система NH4NO3-Н2О (рис. 11-2) относится к системам с простой эвтектикой. Эвтектической точке соответствует концентрация 42,4% МН4МОз и температура -16,9 °С. Левая ветвь диаграммы-линия ликвидуса воды отвечает условиям выделения льда в системе НН4МОз--Н20. Правая ветвь кривой ликвидуса - кривая растворимости МН4МОз в воде. Эта кривая имеет три точки перелома, соответствующие температурам модификационных переходов NH4NO3 1=11(125,8 °С), II=III (84,2 °С) и 111 =IV (32,2 "С). Температура плавления (кристаллизации) безводной аммиачной селитры равна 169,6 °С. Она понижается с увеличением влагосодержания соли.

Зависимость температуры кристаллизации NH4NO3 (Tкрист, "С) от содержания влаги {X, %) до 1,5% описывается уравнением:

tкрист == 169,6- 13,2x (11.6)

Зависимость температуры кристаллизации аммиачной селитры с добавкой сульфата аммония от содержания влаги {X, %) до 1,5% и сульфата аммония (У, %) до 3,0% выражается уравнением :

tкрист = 169,6- 13,2Х+2,ОУ. (11.7).

Аммиачная селитра растворяется в воде с поглощением тепла. Ниже приведены значения теплот растворения (Q раств) аммиачной селитры различной концентрации в воде при 25 °С :

C (NH4NO3)% масс 59,69 47.05 38,84 30,76 22,85 15,09 2,17

Qраств кДж/кг. -202,8 -225,82 -240,45 -256,13 -271,29 -287,49 -320,95

Аммиачная селитра хорошо растворима в воде, этиловом и метиловом спиртах, пиридине, ацетоне, жидком аммиаке.

ВВЕДЕНИЕ

Азотная промышленность является одной из быстро развивающихся отраслей.

Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотосодержащих веществ и принадлежит к числу важнейших кислот.

По масштабу производства азотная кислота занимает второе место среди различных кислот после серной. Большой масштаб производства объясняется тем, что азотная кислота и ее соли приобрели в народном хозяйстве весьма существенное значение.

Потребление азотной кислоты не ограничивается производством удобрений. Она находит широкое применение при получении всех видов взрывчатых веществ, целого ряда технических солей, в промышленности органического синтеза, при производстве серной кислоты, в ракетной технике и во многих других отраслях народного хозяйства.

Промышленное производство азотной кислоты основано на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой.

Целью данного курсового проекта является рассмотрение первой ступени производства азотной кислоты - контактное окисление аммиака, а так же расчет материального и теплового балансов реактора.

В технологических схемах получения азотной кислоты процесс каталитического окисления аммиака имеет важное значение, так как именно он определяет три основных показателя - расход аммиака, вложения и потери платиновых металлов, а также энергетические возможности схемы. В связи с этим совершенствование процесса каталитического окисления аммиака имеет большое значение для производства азотной кислоты и минеральных удобрений в целом.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

1.1 Сорта азотной кислоты

В промышленности применяют 2 сорта азотной кислоты: разбавленную (слабую) с содержанием 30-60 % HNO3 и концентрированную, содержащую 97-99 % HNO3, а так же сравнительно небольшое количество реактивной и особо чистой азотной кислоты. Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам.

По физико-химическим показателям концентрированная азотная кислота должна удовлетворять нормам, указанные в таблице 1.

Таблица 1 - Требования к качеству концентрированной азотной кислоты (ГОСТ 701-89)

Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам, указанные в таблице 2 и 3.

Таблица 2 - Требования к качеству неконцентрированной азотной кислоты (ОСТ 6-03-270-76)

Таблица 3 - Требования к качеству азотной кислоты (ГОСТ 4461-67)

Содержание в %, не болееХ.ч.Ч.д.а.ЧистаяАзотная кислота61-68 54-6061-68 54-6061-68 54-60Оксиды азота (NO2)0,10,10,1Остаток после прокаливания0,0010,0030,005Сульфаты (SO42)-0,00020,00050,002Фосфаты (PO43-)0,000020,00020,002Хлориды (Cl-)0,000050,00010,0005Железо (Fe)0,000020,00010,0003Кальций (Ca)0,00050,0010,002Мышьяк (As)0,0000020,0000030,00001Тяжелые металлы (Pb)0,000020,00050,0005

1.2 Применение азотной кислоты

Азотную кислоту используют в разных сферах деятельности:

1)при гальванизации и хромирования деталей;

)для производства минеральных удобрений;

)для получения взрывчатых веществ (военная промышленность);

)в производстве лекарств (фармацевтика);

)получение азотнокислого серебра для фотографии;

)для травления и гравировки металлических форм;

)в качестве сырья для получения концентрированной азотной кислоты;

)в гидрометаллургии;

)в ювелирном деле - основной способ определения золота в золотом сплаве;

)для получения ароматических нитросоединений - прекурсоров красителей, фармакологических препаратов и прочих соединений, используемых в тонком органическом синтезе;

)для получения нитроцеллюлозы.

1.3 Свойства азотной кислоты

3.1 Физические свойства азотной кислоты

Азотная кислота - одна из сильных одноосновных кислот с резким удушливым запахом, чувствительна к свету и при ярком освещении разлагается на один из оксидов азота (ещё называемый бурым газом - NO2) и воду. Поэтому её желательно хранить в тёмных ёмкостях. В концентрированном состоянии она не растворяет алюминий и железо, поэтому можно хранить в соответствующих металлических ёмкостях. Азотная кислота - является сильными электролитом (как многие кислоты) и очень сильный окислитель. Её часто используют при реакциях с органическими веществами.

Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, степень окисления +5. Азотная кислота - бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления -41,59, кипения +82,6 с частичным разложением. Растворимость азотной кислоты в воде не ограничена. Водные растворы HNO3 с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 - концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d20 = 1,41 г/см, Tкип = 120,7)

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:

) моногидрат HNO3·H2O, Tпл = -37,62;

2) тригидрат HNO3·3H2O, Tпл = -18,47.

Азотная кислота, как и озон, может образовываться в атмосфере при вспышках молнии. Азот, который составляет 78 % состава атмосферного воздуха, реагирует с атмосферным кислородом, образуя оксид азота NO. При дальнейшем окислении на воздухе этот оксид переходит в диоксид азота (бурый газ NO2), который реагирует с атмосферной влагой (облаками и туманом), образуя азотную кислоту.

Но такое малое количество совершенно безвредно для экологии земли и живых организмов. Один объем азотной и три объема соляной кислоты образуют соединение, называемое «царской водкой». Она способна растворять металлы (платину и золото), нерастворимые в обычных кислотах. При внесении в эту смесь бумаги, соломы, хлопка, произойдёт энергичное окисление, даже воспламенение.

1.3.2 Химические свойства азотной кислоты

Азотная кислота проявляет различные химические свойства в зависимости от концентрации и вещества, с которым она реагирует.

Если азотная кислота концентрированная:

1) с металлами - железом (Fe), хромом (Cr), алюминием (Al), золотом (Au), платиной (Pt), иридием (Ir), натрием (Na) - не взаимодействует по причине образования на их поверхности защитной плёнки, которая не позволяет дальше окисляться металлу. Со всеми остальными металлами <#"justify">HNO3 конц + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O(1)

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

Если азотная кислота разбавленная:

1) при взаимодействии со щелочноземельными металлами, а также с цинком (Zn), железом (Fe), она окисляется до аммиака (NH3) или же до аммиачной селитры (NH4NO3). Например, при реакции с магнием (Mg):

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

Но может также и образовываться закись азота (N2O), например, при реакции с магнием (Mg):

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

С остальными металлами реагирует с образованием оксида азота (NO), например, растворяет серебро (Ag):

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

2) аналогично реагирует с неметаллами, например с серой <#"justify">HNO3 разбавл + S = H2SO4 + 2NO(6)

Окисление серы до образования серной кислоты и выделения газа - оксида азота;

3) химическая реакция с оксидами металлов, например, оксид кальция:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и вода;

) химическая реакция с гидроксидами (или основаниями), например, с гашеной известью:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и вода - реакция нейтрализации;

) химическая реакция с солями, например с мелом:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и другая кислота (в данном случае - угольная, которая распадается на воду и углекислый газ).

6) в зависимости от растворённого металла разложение соли при температуре происходит следующим образом:

а) любой металл (обозначен как Me) до магния (Mg):

MeNO2 + O2(10)

б) любой металл от магния (Mg) до меди (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2(11)

в) любой металл после меди (Cu):

3 = Me + NO2 + O2(12)

2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

азотный кислота катализатор аммиак

Промышленные способы получения разбавленной азотной кислоты включают следующие стадии:

) получение оксида азота (II);

2) окисление его до оксида азота (IV);

3) абсорбцию NO2 водой;

4) очистку отходящих газов (содержащих в основном молекулярный азот) от оксидов азота.

Концентрированную азотную кислоту получают двумя способами:

1) первый способ заключается в ректификации тройных смесей, содержащих азотную кислоту, воду и водоотнимающие вещества (обычно серную кислоту или нитрат магния). В результате получают пары 100% азотной кислоты (которые конденсируют) и водные растворы водоотнимающего агента, последнее выпаривают и возвращают в производство;

2) второй способ основан на реакции:

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

При давлении 5 МПа и использовании чистого О2 образуется 97-98 % кислота, содержащая до 30 % по массе оксидов азота. Целевой продукт получают разгонкой этого раствора. Азотную кислоту особой чистоты получают ректификацией 97-98,5 % азотной кислотой в аппаратуре из силикатного или кварцевого стекла. Содержание примесей в такой кислоте менее 110-6 % по массе .

3. СЫРЬЕВАЯ БАЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

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.

1. Аммиак. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммиака явилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода получения водорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяных газах и продуктах нефтепереработки. Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются: вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости аммиано-воздушной смеси.

Воздух. Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [%, (об.)]: N2 = 78,1, О2 = 21,0, Ar2 = 0,9, Н2О = 0,1-2,8. 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.

3. 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 2 мг/л, масла не более 1 мг/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 не более 3,6 мэкв/кг, содержание взвешенных веществ не более 50 мг/кг, значение pH 6,5-8,5.

4. Кислород. Применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения аммиачно-воздушной смеси при получении неконцентрированной азотной кислоты.

4. КОНТАКТНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АММИАКА

4.1 Физико-химические основы процесса

Современные способы производства азотной кислоты основаны на контактном окислении аммиака. При окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условий, протекают следующие реакции:

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

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

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

Кроме реакций (14-16) возможны и другие, протекающие в приповерхностных слоях катализатора. Например, разложение NO, взаимодействие N2O, NO2 и NH3:

NO N2+O2(17)

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

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

Естественно, что реакция (14) будет являться «полезной». Термодинамические расчеты показывают, что реакции (14-16) практически протекают до конца.

Константы равновесия для обратных реакций (14-16) при 900°С имеют следующие значения

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

где k1 - NO + Н2O; k2 - NH3 + O2.

При 900 каталитическое превращение аммиака в конечные продукты достигает 100 %, т. е. процесс практически необратим.

Однако уравнения (14-16) не отражают действительного механизма процесса, т. к. в этом случае в реакции (14) должны были бы одновременно столкнуться девять молекул; в реакции (16) - семь молекул. Это практически невероятно.

Предложено несколько механизмов окисления аммиака на катализаторах. Различия в представлениях о механизмах заключаются в следующем:

1) образование NO и N2 через промежуточное соединение на катализаторе;

2) образование NO происходит на катализаторе, а образование N2 на катализаторе и в объеме газа.

На основании сказанного (о константе равновесия и механизмах окисления) можно констатировать, что выбранный катализатор должен обладать высокой активностью (большая скорость реакции и малое время контакта: при его увеличении возрастает вероятность образования N2) и селективностью по отношению к реакции (14).

Среди нескольких механизмов, предложенных нашими и зарубежными учеными, наибольшее распространение получил механизм, предложенный Л.К. Андросовым, Г.К. Боресковым, Д.А. Эпштейном.

Поэтапно механизм можно представить следующим образом:

1 этап - окисление поверхности платины. Образуется пероксидный комплекс катализатор-кислород (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структура пероксидного комплекса катализатор-кислород

этап - диффузия и адсорбция аммиака на покрытой кислородом поверхности платины. Образуется комплекс катализатор-кислород-аммиак (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структура комплекса катализатор-кислород-аммиак

этап - перераспределение электронных связей, разрыв старых связей и упрочнение новых связей.

этап - десорбция продуктов и диффузия в поток газа (устойчивые соединения NO и Н2O удаляются с поверхности).

Освободившиеся центры вновь адсорбируют кислород, поскольку скорость диффузии кислорода выше, чем у аммиака и т. д. По мнению ученых, кислород, входящий в решетку катализатора (неплатиновый контакт) в реакции окисления аммиака не участвует (доказано с помощью метода меченых атомов).

Превращение аммиака в азот, по мнению И.И. Бергера и Г.К. Борескова, может происходить в объеме в результате реакций аммиака, как с кислородом, так и с оксидом азота.

Различают кинетическую, переходную и диффузионную области протекания процесса. Кинетическая область свойственна низким температурам: она ограничивается температурой зажигания катализатора, при которой отмечается быстрый самопроизвольный разогрев его поверхности, т. е. до температуры зажигания скорость лимитируется скоростью химической реакции на контакте. При Т > Тзаж уже диффузия контролирует процесс - химическая реакция быстрая. Процесс переходит в диффузионную область. Именно эта область (600-1000) характерна для стационарного автотермического процесса в промышленных условиях. Отсюда следует непременное увеличение объемной скорости газа и уменьшение времени контакта.

Реакция окисления аммиака на активных катализаторах начинается раньше: на палладие (Pd) при 100, на платине (Pt) при 145, на железе (Fe) при 230, на оксидах металлов температура начала реакции колеблется в широких пределах. Вместе с тем достаточной скорости и степени превращения она достигает при Т > 600 .

4.2 Катализаторы окисления аммиака

Почти на всех азотнокислотных заводах в качестве катализатора для окисления аммиака применяют платину или ее сплавы.

Платина является дорогим катализатором, но зато она в течение длительного времени сохраняет высокую активность, обладает достаточной устойчивостью и механической прочностью и легко регенерируется. Наконец, при современной сетчатой форме катализатора применение платины дает возможность использовать наиболее простой тип контактных аппаратов. Она легко разжигается, и расход ее на единицу продукции незначителен.

В производстве азотной кислоты не применяют носителей для платины и ее сплавов, так как при наличии носителей относительно быстро падает активность катализатора и затрудняется регенерация его. На современных заводах платину для катализаторов применяют в виде сеток. Сетчатая форма создает большую поверхность катализатора в контактном аппарате при относительно малом расходе платины. Обычно применяют сетки, в которых диаметр проволоки равен 0,045-0,09 мм с размерами со стороны ячейки 0,22 мм. Площадь сеток, не занятая проволокой, составляет примерно 50-60 % всей ее площади. При применении нитей другого диаметра число плетений изменяют с таким расчетом, чтобы свободная площадь, не занятая проволокой, оставалась в указанных пределах.

В контактных аппаратах, работающих под атмосферным давлением. устанавливают от 2 до 4 сеток, большей частью 3, а в аппаратах, работающих под давлением до 8 атм, - от 13 до 16 сеток. При установке одной сетки часть молекул аммиака не соприкасается с катализатором, что понижает выход окиси азота. В наилучших условиях на одной сетке степень контактирования может достигать 86-90 %, на двух сетках 95-97 %, а на трех 98 %. При работе под атмосферным давлением не применяют больше 4 сеток, так как при большом количестве сеток хотя производительность контактного аппарата и возрастает, но сильно увеличивается сопротивление газовому потоку. Сетки должны плотно прилегать друг к другу, так как, в противном случае, в свободном пространстве между сетками протекает ряд гомогенных реакций, снижающих выход окиси азота.

В процессе работы платиновые сетки сильно разрыхляются. Гладкие и блестящие нити их делаются губчатыми и матовыми, эластичные сетки делаются хрупкими. Образование губчатой, разрыхленной поверхности увеличивает толщину нитей. Все это создает сильно развитую поверхность сеток, повышающую каталитическую активность платины. Только отравление катализатора примесями, поступающими с газами, может в дальнейшем вызвать снижение его активности.

Разрыхление поверхности платиновых сеток с течением времени приводит к сильному разрушению сеток, что вызывает большие потери платины.

Платина, предназначенная для изготовления катализатора, не должна содержать железа, которое уже при 0,2 % значительно снижает выход окиси азота.

Чистая платина при высоких температурах быстро разрушается, и ее мельчайшие частички уносятся с потоком газа. Другие металлы платиновой группы в чистом виде в качестве катализаторов не применяют. Палладий быстро разрушается. Иридий и родий мало активны. Осмий легко окисляется.

Были изучены и применены сплавы платины, обладающие большей прочностью и не меньшей активностью, чем чистая платина. На практике применяют сплавы платины с иридием или с родием и иногда с палладием. Сетки из сплава платины с 1 % иридия при высоких температурах обладают большей активностью, чем платиновые. Значительно большая активность и, в особенности, механическая прочность свойственны сплавам платины с родием.

Наилучший выход окиси азота получается при работе на сплавах платины, в которых содержится 10 % родия. Однако, учитывая более высокую стоимость родия по сравнению с платиной, содержание его в сплавах обычно снижают до 7-5 %.

При окислении аммиака под давлением на платино-родиевых сетках получается значительно больший выход окиси азота, чем на чисто платиновых.

Платиновые катализаторы чувствительны к некоторым примесям, содержащимся в исходном газе. Так, наличие в газе 0,00002 % фосфина (РН3) снижает степень конверсии до 80 %. Менее сильными ядами являются сероводород, пары ацетилена, смазочных масел, оксиды железа и другие вещества. Регенерируют сетки, обрабатывая их 10-15 % раствором соляной кислоты при 60-70°С в течение 2 ч. Затем сетки тщательно промывают дистиллированной водой, сушат и прокаливают в пламени водорода. В процессе работы изменяется физическая структура сеток и уменьшается механическая прочность сплава, что увеличивает потери металла и сокращает срок службы катализатора .

4.3 Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси

Для окисления аммиака применяют преимущественно воздух. Расход кислорода на окисление аммиака по реакции (24) с образованием NO можно рассчитать следующим образом:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O(24)

По реакции (24) на 1 моль NH3 приходится 1,25 моля O2 = , тогда - содержание NH3 можно выразить так:

где - количество NH3 в смеси с воздухом; 100 - общее количество смеси (%).

Однако это теоретически. Для практических целей используют определенный избыток кислорода, тогда концентрация аммиака будет меньше 14,4 % (об.).

Оптимальной концентрацией аммиака в аммиачно-воздушной смеси является наибольшее его содержание, при котором еще возможен высокий выход NO при соотношении O2:NH3 < 2.

Резкое уменьшение степени конверсии наблюдается при снижении соотношения O2:NH3 < 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, то степень конверсии повышается значительно.

Таким образом, важный момент:

1) с одной стороны, увеличение содержания NH3 в аммиачно-воздушной смеси, т. е. уменьшение отношения O2:NH3, приводит к снижению степени конверсии аммиака;

2) с другой стороны, с увеличением содержания NH3 в аммиачно-воздушной смеси, увеличивается температура системы, т. к. выделяется больше тепла по реакциям (14-16), и степень конверсии возрастает, что видно из таблицы 4.

Таблица 4 - Зависимость степени конверсии аммиака от его содержания в аммиачно-воздушной смеси (P = 0,65 МПа)

Содержание NH3 в смеси, % (об.)Соотношение O2:NH3Температур конверсии, Степень конверсии NH3, %9,531,9874391,8810,421,7878693,1610,501,7678993,3011,101,6782894,2111,531,5983495,30

Из таблицы 4 следует, что повышение температуры с 740 до 830°С при соотношении O2:NH3 в пределах 1,6-2 благоприятно влияет на процесс. При соотношении O2:NН3 < 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Избыток О2 необходим для того, чтобы поверхность платины всегда была покрыта кислородом для осуществления процесса окисления по рассматриваемому ранее механизму и исключения образования N2 и N2O (при недостатке кислорода). Он должен быть более 30 %, т. е. соотношение O2:NH3 > 1,62.

Состав газа будет также зависеть и от протекания второй стадии получения азотной кислоты (окисление NO)

2NO + 1,5O2 + Н2O = 2HNO3(25)

Для ее проведения также необходим избыток кислорода:

1) для систем, работающих под давлением - 2,5 %;

2) для систем, работающих при атмосферном давлении - 5 %.

Суммарная реакция, определяющая потребность кислорода для получения азотной кислоты, записывается следующим образом

NH3 + 2O2 = HNO3 + Н2O(26)

Есть еще одно обстоятельство, по причине которого нежелательно увеличивать концентрацию аммиака выше 9,5 % (об.). В этом случае имеет место снижение концентрации оксидов азота в поглотительных башнях, за счет введения дополнительного кислорода (т. е. идет разбавление NO). Таким образом, 9,5 % (об.) - оптимальное содержание аммиака для всех стадий получения разбавленной азотной кислоты.

Можно вместо воздуха применять для окисления кислород. Тогда, в соответствии с суммарной реакцией (26), необходимо повысить концентрацию аммиака до 33,3 % (об.). Однако здесь вступает в силу техника безопасности, поскольку смесь с такой концентрацией аммиака становится взрывоопасной (таблица 5).

Таблица 5 - Нижний (НПВ) и верхний (ВПВ) пределы взрываемости смеси аммиак-кислород-азот

При повышении влажности газа пределы взрываемости сужаются, т. е. возможно применить парокислородную конверсию аммиака.

Смеси аммиака с кислородом воспламеняются со взрывом (Твоспл = 700-800). В этих температурных пределах самовоспламенение происходит при любом содержании аммиака в аммиачно-кислородной смеси.

Практически применяемые аммиачно-воздушные смеси (концентрация аммиака 9,5-11,5 % (об.)) не взрывоопасны (таблица 5). Существуют зависимости пределов взрываемости аммиачно-воздушной смеси от содержания аммиака и кислорода при различных давлениях.

Однако следует заметить, что скорость распространения взрыва невелика и для аммиачно-воздущной смеси составляет 0,3-0,5 м/с. Т. е. для устранения возможности распространения взрыва нужно создать скорость газа больше этого значения (0,5 м/с). Это как раз и достигается использованием в процессе активных платиноидных катализаторов, где время контакта составляет 10-4 сек и, следовательно, линейная скорость более 1,5 м/с .

4.4 Окисление аммиака под давлением

Целью повышения давления являются:

1) необходимость увеличения скорости процесса;

2) компактность установок.

Термодинамически доказано, что даже при высоких давлениях выход NO близок к 100 %. Производительность конвертора увеличивается с возрастанием давления и увеличением числа сеток платиноидного катализатора. С ростом давления увеличивается и температура процесса выше 900. Однако при увеличении давления для достижения высокой степени конверсии NH3 необходимо увеличить время пребывания газа в конверторе

что в свою очередь приводит к увеличению числа сеток.

Главный недостаток - повышенные потери катализатора платины (Pt) при высоких температурах. Эти недостатки (потеря платины, снижение степени конверсии) можно исключить, прибегнув к комбинированной схеме производства, т. е. осуществляя процесс окисления NH3 при атмосферном или близком к нему давлении, а окисление NO и абсорбцию при повышенном давлении. Такой подход часто реализуется в технологических схемах многих стран. Вместе с тем расходы энергии на копремирование газа повышают себестоимость азотной кислоты .

4.5 Оптимальные условия окисления аммиака

Температура. Реакция аммиака на платине начинается при 145, но протекает с малым выходом NO и образованием преимущественно элементарного азота. Повышение температуры приводит к увеличению выхода окиси азота и росту скорости реакции. В интервале 700-1000 выход NO может быть доведен до 95-98 %. Время контактирования при повышении температуры от 650 до 900 сокращается примерно в пять раз (от 5 10-4 до 1,1 10-4 сек). Необходимый температурный режим процесса может поддерживаться за счет тепла реакций окисления. Для сухой аммиачно-воздушной смеси, содержащей 10 % NH3, при степени конверсии 96 % теоретическое повышение температуры газа составляет примерно 705 или около 70 на каждый процент аммиака в исходной смеси. Применяя аммиачно-воздушную смесь, содержащую 9,5 % аммиака, можно за счет теплового эффекта реакции достигнуть температуры порядка 600, для еще большего повышения температуры конверсии необходим предварительный подогрев воздуха или аммиачно-воздушной смеси. Следует учитывать, что подогревать аммиачно-воздушную смесь можно только до температуры не выше 150-200 при температуре греющего газа не более 400. В противном случае возможна диссоциация аммиака или его гомогенное окисление с образованием элементарного азота.

Верхний предел повышения температуры контактного окисления аммиака определяется потерями платинового катализатора. Если до 920 потери платины в какой-то мере компенсируются ростом активности катализатора, то выше этой температуры рост потерь катализатора значительно опережает увеличение скорости реакции.

Согласно заводским данным, оптимальная температура конверсии аммиака под атмосферным давлением составляет около 800; на установках, работающих под давлением 9 атм, она равна 870-900.

Давление. Применение повышенного давления при получении разбавленной азотной кислоты в основном связано со стремлением увеличить скорость окисления окиси азота и переработки образующейся двуокиси азота в азотную кислоту.

Термодинамические расчеты показывают, что и при повышенном давлении равновесный выход NO близок к 100 %. Однако высокая степень контактирования в этом случае достигается лишь при большом количестве катализаторных сеток и более высокой температуре.

За последнее время в промышленных условиях на многослойных катализаторах при тщательной очистке газов и температуре 900 удалось довести степень конверсии аммиака до 96 %. При выборе оптимального давления следует иметь в виду, что повышение давления приводит к росту потерь платины. Это объясняется увеличением температуры катализа, применением многослойных сеток и усилением их механического разрушения под действием большой скорости газа.

3. Содержание аммиака в смеси. Для окисления аммиака обычно применяют воздух, поэтому содержание аммиака в смеси определяется содержанием кислорода в воздухе. При стехиометрическом отношении О2:NH3 = 1,25 (содержание аммиака в смеси с воздухом составляет 14,4 %) выход окиси азота не значителен. Для увеличения выхода NO требуется некоторый избыток кислорода, следовательно, содержание аммиака в смеси должно быть меньше 14,4 %. В заводской практике содержание аммиака в смеси поддерживают в пределах 9,5-11,5 %, что соответствует отношению O2:NH3 = 21,7.

Суммарная реакция (26), определяющая потребность в кислороде при переработке аммиака в азотную кислоту дает отношение O2:NH3 = 2, что соответствует содержанию аммиака в исходной смеси, равному 9,5 %. Это говорит о том, что увеличение концентрации аммиака в смеси выше 9,5 % в конечном итоге не приведет к росту концентрации NO, так как в этом случае в адсорбционную систему придется вводить дополнительный воздух. Если в качестве исходных реагентов применять аммиачно-кислородную смесь, то в соответствии с уравнением суммарной реакции можно было бы увеличить концентрацию в ней аммиака до 33,3 %. Однако применение высоких концентраций аммиака затруднено тем, что подобные смеси взрывчаты.

Влияние примесей. Платиновые сплавы чувствительны к примесям, содержащимся в аммиачно-воздушной смеси. В присутствии 0,0002 % фосфористого водорода в газовой смеси степень конверсии аммиака снижается до 80 %. Менее сильными контактными ядами являются сероводород, ацетилен, хлор, пары смазочных масел пыль, содержащая окислы железа, окись кальция, песок и др.

Предварительная очистка газов увеличивает продолжительность работы катализатора. Однако со временем катализатор постепенно отравляется и выход NO снижается. Для удаления ядов и загрязнений сетки периодически регенерируют посредством обработки их 10-15 % раствором соляной кислоты.

5. Время контактирования. Оптимальное время контактирования определяется скоростью окисления аммиака. Чаще всего скорость окисления определяют как количество окисленного аммиака (кг) на единицу поверхности (м2) в сутки (напряженность катализатора). Продолжительность соприкосновения газа с катализатором, или время контактирования определяют по уравнению:

Vсв / W

где t - время пребывания газа в катализаторной зоне, сек; Vсв - свободный объем катализатора, м3; W - объемная скорость в условиях контактирования м3 сек-1.

Максимальная степень превращения аммиака в окись азота достигается при вполне определенном времени контакта газа с катализатором. Оптимальным временем контактирования следует считать не то, при котором достигается максимальный выход NO, а несколько меньшее, так как экономически выгодно работать при большей производительности даже за счет снижения выхода продукта. В практических условиях время контакта аммиака с катализатором колеблется в пределах от 1 10-4 до 2 10-4 сек.

Смешение аммиака с воздухом. Полная однородность аммиачно-воздушной смеси, поступающей в зону контактирования, является одним из основных условий получения высокого выхода окиси азота. Хорошее смешение газов имеет большое значение не только для обеспечения высокой степени контактирования, но и предохраняет от опасности взрыва. Конструкция и объем смесителя должны в полной мере обеспечивать хорошее перемешивание газа и исключать проскок аммиака отдельными струями на катализатор.

5. КОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ

Наиболее сложной и претерпевшей значительные усовершенствования является конструкция самого контактного аппарата.

Рисунок 3 - Контактный аппарат Оствальда: 1 - коллектор аммиачно-воздушной смеси; 2 - платиновая спираль; 3 - смотровое окно; 4 - коллектор нитрозных газов

Первым промышленным контактным аппаратом был аппарат Оствальда (рисунок 3), состоящий из двух концентрических труб: внешней чугунной диаметром 100 мм, эмалированной изнутри, и внутренней из никеля диаметром 65 мм. Аммиачно-воздушная смесь поступала в аппарат снизу по внешней трубе и попадала на катализатор, расположенный в верхней части внутренней трубы. Нитрозные газы по внутренней трубе направлялись вниз в коллектор, отдавая тепло поступающей смеси.

Катализатор состоял из лент платиновой фольги толщиной 0,01 мм и шириной 20 мм, свернутых вместе в спираль. Одна из лент гладкая, вторая гофрированная с изгибами в 1 мм. Степень конверсии аммиака достигала 90-95 %, в смеси с воздухом содержалось NH3 8 % (об.), производительность аппарата составляла 100 кг азотной кислоты в сутки.

Подобная форма катализатора не позволяла повышать производительность аппарата за счет увеличения его размеров. В аппарате Оствальда не обеспечивалась равномерность подачи газовой смеси, так как перед поступлением на катализатор поток газа изменил свое направление на 180° и уже затем поступал на него. Кроме того, конструкция аппарата не позволяла быстро выводить оксиды азота (II) из зоны высоких температур.

В последующих конструкциях контактного аппарата был использован катализатор в форме сетки из нитей диаметром 0,06 мм.

Рисунок 4 - Контактный аппарат Андреева: 1 - платиновые сетки; 2 - смотровое окно

Первое в России производство азотной кислоты было оснащено контактными аппаратами Андреева, вырабатывавшими 386 кг азотной кислоты в сутки и считавшимися наиболее совершенными в мире. Аппарат цилиндрической формы диаметром 300 мм и высотой 450 мм был изготовлен из чугуна. Смесь газов поступала снизу (рисунок 4). Сетка платинового катализатора располагалась поперек аппарата, посередине его.

Применение чугуна для изготовления этого аппарата имело ряд недостатков: протекание побочных реакций, загрязнение платины окалиной. Степень конверсии в нем не превышала 87 %.

Рисунок 5 - Контактный аппарат Фишера: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - изоляция

Аппарат Фишера изготовляли из алюминия, его диаметр был равен 1000 мм, высота 2000 мм (рисунок 5). Снизу аппарат заполняли фарфоровыми кольцами Рашига, верхнюю часть футеровали огнеупорным кирпичом. Конструкция аппарата не обеспечивала равномерной подачи аммиачно-воздушной смеси на катализатор, выход оксидов составлял 89-92 % при температуре контактирования 700-720°С. Производительность аппарата по аммиаку 600-700 кг/сут. Частицы огнеупорного кирпича, попадая на катализатор, снижали его активность.

Рисунок 6 - Аппарат Бамаг: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - смотровое окно

Аппарат, предложенный фирмой Бамаг (рисунок 6), состоял из двух усеченных конусов, соединенных широкими основаниями, между которыми помещались катализаторные сетки. Диаметр аппарата в широкой части был равен 1,1 м или 2,0 м.

Аммиачно-воздушную смесь подавали в аппарат снизу. Вначале аппарат изготовляли из алюминия, затем его верхнюю, горячую, часть выполняли из нержавеющей стали. Для лучшего перемешивания смеси в нижнюю часть аппарата засыпали кольца Рашига.

Основным недостатком этих аппаратов было направление газовой смеси на катализатор снизу, что приводило к вибрации сеток и к увеличению потери платины.

Исследования конструкции контактного аппарата показали, что направление газовой смеси сверху вниз стабилизирует работу катализаторных сеток, уменьшает потери дорогостоящего дефицитного платинового катализатора, способствует повышению степени конверсии на 1,0-1,5 % и позволяет применять двухступенчатый катализатор, в котором в качестве второй ступени применяется оксидный неплатиновый катализатор.

При подаче газовой смеси в аппарат сверху в нижней его части можно располагать слой изолирующего материала, а также змеевики парового котла и пароперегревателя без опасности загрязнения катализатора пылью огнеупоров и окалиной железа. Это позволяет снизить потери тепла реакции в окружающую среду.

Исследование распределения температур по поверхности катализатора показало, что края катализатора примыкающего к стенкам, имеют более низкую температуру, соответственно снижается и степень контактирования, уменьшая общий выход оксида азота (II). В связи с этим большое значение имеет геометрия подводящей части контактного аппарата, она должна представлять собой плавно расходящийся конус с углом при вершине не более 30°.

Рисунок 7 - Аппарат Парсонса: 1 - цилиндрическая платиновая сетка; 2 кварцевое дно; 3 - смотровое окно; 4 - изоляция

В США был создан аппарат Парсонса с вертикальным расположением катализаторной сетки, свернутой в виде четырехслойного цилиндра высотой 33 см и диаметром 29 см (рисунок 7). Платиновый цилиндр помещали в металлический кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, что обеспечивало хороший теплообмен с раскаленным катализатором. Производительность такого аппарата составляла до 1 т аммиака в сутки, степень конверсии 95-96 %.

Преимущество данного аппарата - большая поверхность катализатора по сравнению с объемом апарата. Недостатком его является неравномерное поступление аммиачно-воздушной смеси на катализатор. Через нижнюю часть сетчатого катализатора проходит больше смеси, чем через верхнюю часть.

Испытывался ряд аппаратов различной формы: в виде двух полусфер, конуса и полусферы при направлении потока газов снизу вверх. Особыми преимуществами эти аппараты не обладали даже при проведении процесса до 0,51 МПа, степень конверсии не превышала 90 %.

Рисунок 8 - Аппарат фирмы Дюпон: 1 - платиновые сетки; 2 - колосники; 3 - водяная рубашка

При проведении процесса при повышенном давлении получил распространение аппарат фирмы Дюпон (рисунок 8), состоящий из конусов: верхнего - из никеля и нижнего - из жароупорной стали. Нижний корпус был снабжен водяной рубашкой для охлаждения. Катализатор, укладываемый на колосники, выполнен в виде пакета прямоугольных сеток.

Сейчас во всем мире проектируют и строят агрегаты производства разбавленной азотной кислоты большой единичной мощности - до 400-600 т/год. Контактные аппараты с плоскими слоями сеток или слоем зернистого материала, располагаемого поперек хода газа, для таких агрегатов должны иметь большой диаметр до 5-7 м. Однако с увеличением диаметра аппарата ухудшается равномерность распределения аммиачно-воздушной смеси по сечению аппарата, увеличивается металлоемкость на единицу производительности, возрастают трудности в уплотнении фланцевых соединений. Аппараты больших диаметров (свыше 4 м) нельзя перевозить по железным дорогам, изготовление их на заводской площадке связано с серьезными трудностями.

В связи с этим наиболее перспективным является конвертор с радиальным ходом газовой смеси через катализатор, выполненный в виде цилиндра или конуса. При таком расположении катализатора можно, не изменяя диаметр аппарата, увеличивать его высоту и соответственно производительность.

Конструкции аппаратов с цилиндрическим расположением катализатора известны давно (аппараты Парсонса), но с увеличением их производительности от 4,5 кг/ч до 14,3 т/ч аммиака возникали проблемы распределения потоков газовой смеси, теплообмена, крепления катализатора и др.

Рисунок 9 - Усовершенствованный аппарат Парсонса: 1 - корпус; 2 - крышки; 3 - коллектор хладоагента; 4 - опорное устройство; 5 - штуцер для вывода нитрозных газов; 6 - катализаторные сетки; 7 - каналы для хладоагента; 8 - каналы для газов

Одним из новых аппаратов является усовершенствованный аппарат Парсонса (рисунок 9). Он состоит из корпуса с крышками, штуцеров для ввода аммиачно-воздушной смеси и вывода нитрозных газов. Катализатором являются платиновые сетки, располагаемые вертикально по цилиндрической поверхности и закрепляемые под крышками. Сетки натянуты на керамическое опорное устройство, в котором имеются горизонтальные каналы для подачи аммиачно-воздушной смеси к контактным сеткам и вертикальные каналы для подачи хладоагента. Недостатком такого опорного устройства является распределение газа, поступающего на катализатор, в виде отдельных струй, в результате чего площадь катализатора работает не полностью.

Рисуноу 10 - Контактный аппарат с радиальным ходом газа: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - система опорных элементов; 4 - катализатор; 5 - решетка; 6 - глухое днище

Предложен аппарат с радиальным ходом газа (рисунок 10), который состоит из корпуса 1 и крышки со штуцером для ввода аммиачно-воздушной смеси. В нижней части корпуса расположен штуцер для ввода нитрозных газов. Катализаторные сетки в виде цилиндра и конуса расположены вертикально. Однако этот аппарат также не обеспечивает равномерного поступления газов на катализатор.

Рисунок 11 - Контактный аппарат с гранулированным катализатором: 1 цилиндрический корпус; 2 - крышка с центральным отверстием; 3, 4 - коаксильные цилиндрические перфорированные распределительные решетки; 5 - кольцевое днище; 6 - выходной штуцер

Предложен аппарат с радиальным ходом газа и гранулированным катализатором. В качестве катализаторов применяются платиновые металлы, нанесенные на носитель, или таблетки неплатинового катализатора (рисунок 11).

Аппарат на рисунке 11 состоит из цилиндрического корпуса 1, в верхнюю часть которого вводится аммиачно-воздушная смесь, а в нижней выводятся нитрозные газы. Внутри расположены две коаксиальные цилиндрические перфорированные распределительные решетки 3 и 4, между которыми размещен слой гранулированного катализатора 7. Внешний цилиндр закрыт сверху крышкой 2 с центральным отверстием, а снизу - глухим кольцевым днищем 5. Внутренний цилиндр закрыт сверху крышкой, а в низу соединен с выходным штуцером 6.

Аммиачно-воздушная смесь при входе в аппарат делится на два потока. Основная часть проходит в кольцевой зазор между стенками корпуса и внешним распределительным цилиндром и поступает радиально на катализатор. Вторая, меньшая часть, проходит через отверстие в крышке и поступает на катализатор по оси. Равномерное распределение газовой смеси в катализаторе не обеспечивается.

Недостатком этих конструкций является перегрев аммиачно-воздушной смеси более 200 вблизи глухого днища вследствие снижения скорости газа до нуля. Перегрев газа вызывает перегрев катализаторных сеток и повышенный их износ.

Рисунок 12 - Аппарат с катализатором в форме конуса: 1 - рубашка для подогрева газа; 2 - катализатор; 3 - опорное трубное устройство; 4 - водяная рубашка

Аппарат (рисунок 12), содержит катализатор в виде нескольких слоев платиновой сетки, сваренный из кусков треугольной формы в конус с углом при вершине около 60°. Пакет сеток опирается на конструкцию, состоящую из 6-12 труб по образующей конуса, по которым проходит теплоноситель. Такая форма катализатора имеет большую удельную поверхность (по отношению к объему аппарата) по сравнению с плоским катализатором, расположенным поперек хода газа. Однако по сравнению с цилиндрическим катализатором его удельная поверхность меньше.

Рисунок 13 - Контактный аппарат для окисления аммиака под высоким давленим: 1 - корпус; 2 - внутренний конус; 3 - распределительное устройство; 4 - запальник; 5 - катализаторные сетки; 6 - пароперегреватель; 7 - пакеты парового котла; 8 - экономайзер

На рисунке 13 изображен контактный аппарат для окисления аммиака под давлением 0,71 МПа. Аппарат представляет собой два конуса, вставленных друг в друга. Аммиачно-воздушная смесь поступает снизу в пространство между внутренним и внешним конусом, поднимается вверх и оттуда по внутреннему конусу опускается вниз. На пути к платиновому катализатору, выполненному в виде сеток смесь хорошо перемешивается в распределительном устройстве из колец Рашига.

Для измерения температур поступающей газовой смеси и процесса конверсии аппарат снабжен термопарами: четыре - до катализатора и четыре после него. Для отбора проб газа имеются пароотборные трубки: четыре до катализатора и четыре после него. Розжиг катализатора производится азотоводородной смесью, подаваемой с помощью поворотной горелки (запальника).

Рисунок 14 - Контактный аппарат фирмы Гранд Паруасс: 1 - корпус; 2 решетка; 3 - платиновый катализатор; 4 - панцирная сетка; 5 - слой колец; 6 перфорированная пластина; 7 - пароперегреватель; 8 - котел-утилизатор

Среди аппаратов, работающих при среднем давлении 0,40-0,50 МПа, представляет интерес аппарат фирмы Гранд Паруасс, изготовленной из нержавеющей стали (рисунок 14). Он состоит из корпуса, закрытого сверху эллиптической крышкой, с входным штуцером для ввода газовой смеси. Под крышкой расположен дырчатый конус, затем отражательная перегородка. Над платиновыми сетками размещена распределительная решетка, на которой лежит слой из шести сеток, выполняющих роль гасителя пульсаций скорости потока. Недостатком аппарата является наличие застойных зон в области высоких температур катализатора, где может разлагаться поступающий аммиак .

6. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

В зависимости от условий проведения производственного процесса различают следующие типы азотнокислотных систем:

1) системы, работающие при атмосферном давлении;

2) системы, работающие при повышенном давлении (4-8 атм);

3) комбинированные системы, в которых окисление аммиака проводится при более низком давлении, а абсорбция окислов - при более высоком давлении.

Рассмотрим эти технологические схемы.

1) системы, работающие при атмосферном давлении;

Рисунок 15 - Схема установки для получения разбавленной азотной кислоты при атмосферном давлении: 1 - водяной скруббер; 2 - суконный фильтр; 3 - аммиачно-воздушный вентилятор; 4 - картонный фильтр; 5 - конвертор; 6 - паровой котел-утилизатор; 7 - скоростной холодильник; 8 - холодильник-конденсатор; 9 - вентилятор для нитрозных газов; 10 - абсорбционные башни; 11 - окислительная башня; 12 - башня для поглощения окислов азота щелочами; 13 - холодильник кислоты; 14, 15 - насосы

Данные системы (рисунок 15) в настоящее время уже не эксплуатируются, вследствие громоздкости аппаратуры (большое количество башен кислой и щелочной абсорбции), малой производительности, а также накопления некоторого количества хлора, который в системах кислой и щелочной абсорбции оказывает сильное коррозионной действие на аппаратуру, которую постоянно приходиться заменять, а это за собой ведёт большие экономические затраты.

2) комбинированные системы;

Рисунок 16 - Получение азотной кислоты комбинированным методом: 1 - скоростной холодильник; 2 - холодильник; 3 - двигатель турбокомпрессора; 4 - редуктор; 5 - турбокомпрессор нитрозных газов; 6 - турбина для орошения отходящих газов; 7 - окислитель; 8 - теплообменник; 9 - холодильник-конденсатор; 10 - абсорбционная колонна; 11 - кислотный клапан; 12 - сборник конденсата; 13, 14 - сборники азотной кислоты

Основными достоинствами данной схемы являются:

1. Данные системы (рисунок 16) работают без потребления энергии со стороны, так как теплоты окисления аммиака и окисления окиси азота достаточно для получения энергии на сжатие воздуха и нитрозных газов до нужных давлений;

2. Компактность оборудования.

3. Производительность таких агрегатов составляет 1360 т/сутки.

Недостатки схемы:

Основным недостатком данной схемы является то, что при окислении аммиака под давлением 9 атм степень конверсии на 2-3 % меньше, чем при атмосферном давлении, а потери платинового катализатора в 2-3 раза больше. Таким образом, данный процесс выгоднее проводить под атмосферным давлением. Но для современных мощных цехов, вырабатывающих азотную кислоту, в этом случае потребуется большое количество крупногабаритных аппаратов и, следовательно, увеличение затрат на строительно-монтажные работы. Эти соображения вынуждают прибегать к повышению давления в процессе конверсии аммиака. В этом отношении давление порядка 2,5 атм приемлемо, так как объём аппаратуры сокращается в 2,5 раза по сравнению с объёмом в системах, работающих при атмосферном давлении, при умеренных потерях аммиака и катализатора.

3) системы, работающие под повышенным давлением.

Достоинства схемы (рисунок 17):

1. Агрегат компактен, все аппараты транспортабельны. Энергетический цикл агрегата автономен и при отключении химического производства остаётся в работе до отключения его со щита управления. Это позволяет при случайных отключениях химического процесса быстро вводить агрегат в работу. Управление агрегатом в рабочем режиме автоматизировано.

2. Фактическая себестоимость и энергоёмкость азотной кислоты, выработанная на агрегатах единого давления 0,716 МПа, остаётся самыми низкими по сравнению с агрегатом АК-72 и агрегатом, работающим по комбинированной схеме.

3. Вместо котла-утилизатора за контактным аппаратом устанавливается высокотемпературный теплообменник для подогрева выхлопных газов перед турбиной до 1120 К. При этом за счёт увеличения мощности газовой турбины выдача электроэнергии возросла на 274 по сравнению с агрегатом АК-72.

4. В схеме параллельно технологическим аппаратам установлена постоянно включенная камера сгорания, что позволяет сделать независимой работу машинного агрегата от технологической линии, а также обеспечить плавный переход от работы машины на холостом режиме к работе машины при включенном процессе технологии.

Недостатки схемы:

1. В агрегате протекает процесс при повышенных температурах, что делает очень большие нагрузки на палладиевый катализатор и он выходит из строя. По литературным данным удельные безвозвратные потери на 1т азотной кислоты составляют для процесса при атмосферном давлении 40-45 мг, при 0,3-1,6 МПа - 100 мг, при 0,7-0,9 МПа - 130-180мг. То есть увеличиваются потери платины на установках, работающих под давлением за счёт более высоких температурах катализа по сравнению с температурой на установках, работающих при атмосферном давлении.

2. Требуется очень высокая степень очистки воздуха перед входом в ГТУ, так как производительность компрессора по воздуху может снизиться до 10 % и КПД до 6 %.

В данном курсовом проекте детально рассматривается схема производства азотной кислоты под давлением с приводом компрессора от газовой турбины (рисунок 17).

Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс.т/г (100 %-ной HNO3). Число агрегатов в схеме определяется потребностью в азотной кислоте цехов переработки.

В каждом агрегате осуществляются: подготовка аммиачно-воздушной смеси (очистка и сжатие воздуха, испарение жидкого аммиака, очистка газообразного аммиака и аммиачно-воздушной смеси); конверсия аммиака; утилизация тепла образования оксидов азота; охлаждение нитрозных газов; получение азотной кислоты; подогрев отходящих газов; очистка их от оксидов азота и рекуперация энергии газа в газовой турбине и котле-утилизаторе.

Кроме того, схема включает узлы приготовления питательной воды для питания котлов-утилизаторов, охлаждение конденсата или обессоленной воды для орошения абсорбционных колонн, редуцирования пара до необходимых параметров, хранения выработанной азотной кислоты и выдачи её потребителям.

Рисунок 17 - Схема производства азотной кислоты под давлением с приводом компрессора от газовой турбины: 1 - фильтр воздуха; 2 - турбокомпрессор первой ступени; 3 - промежуточный холодильник; 4 - турбокомпрессор второй ступени; 5 - газовая турбина; 6 - редуктор; 7 - мотор-генератор; 8 - подогреватель воздуха; 9 - смеситель аммиака с воздухом; 10 - подогреватель воздуха; 11 - поролитовый фильтр; 12 - конвертор; 13 - котел-утилизатор; 14 - сосуд для окисления нитрозных газов; 15 - холодильник - конденсатор; 16 - абсорбционная колонна; 17 - конвертор; 18 - котел-утилизатор

Атмосферный воздух засасывается через фильтр 1 турбокомпрессором первой ступени 2 и сжимается до 0,2-0,35 МПа. Вследствие сжатия воздух нагревается до 175. После охлаждения до 30-45 в холодильнике 3 воздух поступает в турбокомпрессор второй ступени 4, где он сжимается до конечного давления 0,73 МПа и нагревается до 125-135. Дальнейший подогрев воздуха до 270 происходит в подогревателе 8 за счет тепла горячих нитрозных газов, выходящих из конвертора. Горячий воздух поступает далее в смеситель 9.

Аммиак под давлением 1,0-1,2 МПа нагревается до 150 в подогревателе 10 водяным паром и поступает в смеситель 9, где смешивается с воздухом. Полученная аммиачно-воздушная смесь, содержащая 10-12 % NН3, фильтруется в поролитовом фильтре 11 и поступает в конвертор 12, где на платино-родиевом катализаторе при температуре 890-900 аммиак окисляется до окиси азота. Тепло газов, выходящих из конвертора, используется в котле-утилизаторе 13 для получения пара, при этом газы охлаждаются до 260.

Далее газы проходят фильтр для улавливания платины, расположенный в верхней части пустого сосуда 14. В сосуде 14 происходит окисление NО до NО2 (степень окисления 80 %), в результате этого газовая смесь разогревается до 300-310 и поступает в подогреватель воздуха 8, где охлаждается до 175. Дальнейшее использование тепла нитрозных газов становится невыгодным, поэтому они охлаждаются водой в холодильнике 16 до 50-55. Одновременно с охлаждением газа в холодильнике 16 происходит конденсация паров воды и образование азотной кислоты в результате взаимодействия воды с двуокисью азота. Концентрация образующейся кислоты не превышает 52 % НNО3, выход составляет около 50 % всей производительности установки.

Из холодильника 15 нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 16 с ситчатыми тарелками, где NО2 поглощается водой с образованием азотной кислоты (концентрация до 55 %). На тарелках абсорбционной колонны 16 уложены змеевики (холодильные элементы), по которым циркулирует вода для отвода тепла, выделяющегося в процессе образования азотной кислоты.

Для очистки отходящих газов от окислов азота их подогревают до 370-420°С, добавляют к ним небольшое количество природного газа и направляют в конвертор (реактор) 17. Здесь в присутствии палладиевого катализатора протекают следующие реакции:

СН4 + О2 2СО + 4Н2 + Q(27)

2NО2 + 4Н2 = N2 + 4Н2О + Q(28)

2NО + 2Н2 = N2 + 2Н2О + Q(29)

Так как эти реакции идут с выделением тепла, то температура газов повышается до 700-730. Эти газы поступают под давлением 0,5-0,6 МПа в турбину 5, которая приводит в движение турбокомпрессоры 2 и 4, сжимающие воздух. После этого газы при температуре около 400 поступают в котел-утилизатор 19, в котором получают пар низкого давления.

Турбокомпрессоры первой и второй ступеней 2 и 4, а также газовая турбина 5 представляют собой единый агрегат. Турбина первой ступени 2 и газовая турбина 5 находятся на общем валу и соединены редуктором 6 с турбиной второй ступени 4 и электромотором 7. Такой агрегат позволяет использовать основную часть энергии, затраченную на сжатие воздуха, и таким образом значительно снизить расход электроэнергии .

7. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ РЕАКТОРА

7.1 Расчет материального баланса реактора

1) Вычисляем необходимый объем воздуха:

2) Объемы поступающих с воздухом, нм3:

а) водяных паров

б) сухого воздуха

3) Вычислим поступающие с воздухом объемы кислорода азота и аргона исходя из их процентного содержания в воздухе

) Находим объемы образующихся по реакции (14), нм³/ч:

а) окиси азота

б) паров воды

5) Определяем объемы образующихся по реакции (15), нм³/ч:

а) азота

б) паров воды

в) расходуемого при протекании этой реакции кислорода

6) Вычисляем находящиеся в газе после окисления аммиака объемы, нм³/ч:

а) кислорода

б) азота

в) аргона

г) паров воды

7) Собственно материальный баланс можно рассчитать, если объемы потоков на входе в контактный аппарат и на выходе из него пересчитать на массы, при этом должен соблюдаться материальный баланс.

Приход:

Расход:

Заполним таблицу для материального баланса (таблица 6).

Таблица 6

ПриходРасходКомпонентКоличествоКомпонентКоличествокг/чм³/чкг/чм³/чNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757,5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar928520H2O1827,022273,625H2O8938,62711123,625Всего73572,07760203,68Всего73570,96161678,38

Невязка баланса

7.2 Расчет теплового баланса реактора

Найдем температуру tx, до которой необходимо нагревать аммиачно-воздушную смесь для обеспечения автотермичности процесса окисления аммиака.

1) Вычисляем общий объем аммиачно-воздушной смеси

) Определяем концентрацию компонентов аммиачно-воздушной смеси, % (об.):

а) аммиака

б) сухого воздуха

в) паров воды

3) Рассчитываем среднюю теплоемкость аммиачно-воздушной смеси

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),

где 35,8; 28,7 и 32,6 - теплоемкости аммиака, сухого воздуха и паров воды, кДж/(кмоль·К).

) Определяем теплоту, вносимую аммиачно-воздушной смесью

) Вычисляем теплоты, выделяемые при протекании реакции (14) и (16)

или 17030 кВт, где 905800 и 126660 - теплоты, выделяющиеся при образовании окиси азота и азота по реакциям (14) и (16).

) Находим общий объем нитрозного газа, поступающего в котел утилізатор

7) Определяем концентрацию компонентов нитрозного газа, % (об.):

а) окиси азота

б) кислорода

в) аргона

г) азота

д) паров воды

8) Вычисляем среднюю теплоемкость нитрозного газа:

Снср = 0,01(31,68 · ПNO + 32,3 · ПО2 + 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)

где 31,68; 32,3; 20,78; 30,8 и 37,4 - теплоемкости компонентов нитрозного газа при температуре 900 , кДж/(кмоль·К).

9) Для нагрева водяного пара от 198 до 250 в пароперегревателе необходимо отнять теплоты:

1880 кВт, где 800·10³ и 1082·10³ Дж/кг - удельные энтальпии перегретого пара при температурах 198 и 250 и давлениях 1,5 МПа и 3,98 МПа.

10) Температуру нитрозных газов на выходе из контактного аппарата определяем из уравнения теплового баланса этого участка:

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

11) Рассчитываем теплоту, уносимую нитрозными газами. Рассмотрим случай, когда контактный аппарат и котел-утилизатор смонтированы в виде единого аппарата:

12) Определяем теплопотери в окружающую среду

Приравнивая приход теплоты расходу, составляем уравнение теплового баланса и решаем его относительно tx:

Заполним таблицу для теплового баланса (таблица 7).

Таблица 7

Приход, кВтРасход, кВтТеплота, вносимая аммиачно-воздушной смесью6369,2Теплота на нагрев водяного пара в пароперегревателе1880Теплота, уносимая нитрозными газами20584,3Теплота, выделяемая при протекании реакции (14) и (16)17030,6Потери в окружающую среду935,9Всего23399,8Всего23400,2

Невязка баланса:

8. ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Для обеспечения безопасного режима работы в производстве неконцентрированной азотной кислоты под повышенным давлением 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.

Не допускать включение электрооборудования при неисправном заземлении.

Не допускать ремонт оборудования с электроприводом, без снятия напряжения с электродвигателей.

Ремонт и наладку контрольных и измирительных приборов и электрооборудования производить только силами служб отдела главного прибориста и электриками.

Пользоваться открытым огнем в производственных и складских помещениях запрещается: курение разрешается в отведенных для этих целей местах.

Все вращающиеся части оборудования (полумуфты), крыльчатки вращающихся вентиляторов, на валах электродвигателей должны иметь надежное крепление и ограждены, и окрашены в красный цвет.

Фланцевые соединения кислотных линий должны быть защищены защитными кожухами.

Подтягивание болтов фланцевых соединений трубопроводов, а также производство работ на оборудовании, находящемся под давлением, не допускается.

Аппараты, работающие под давлением, должны удовлетворять требованиям, изложенным в технических условиях и правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов и коммуникаций, работающих под давлением.

Работы в закрытых сосудах производить при наличии наряда-допуска на проведение газоопасных работ.

Вентиляция должна быть в исправном состоянии и находиться постоянно в работе.

Обслуживание грузоподъемных механизмов, сосудов, работающих под давлением, производится только лицами, специально обученными и имеющими специальное удостоверение.

Подходы к аварийным шкафам, пожарным извещателям, телефонам, пожарному инвентарю не допускается загромождать посторонними предметами, содержать их необходимо в чистоте и в исправном состоянии.

Открытые проемы в перекрытиях, площадках, переходные мостики должны иметь ограждения высотой 1 м. В нижней части ограждения должен располагаться бортик или защитная полоса высотой 15 см.

Все контрольно-измерительные приборы и системы автоматики и блокировки должны находится в исправном состоянии.

Для предотвращения отложения нитрит-нитратных солей на внутренних поверхностях аппаратов и трубопроводов, лопастях роторов, стенах компрессоров нитрозного газа и других деталях и аппаратах не допускать длительного розжига контактных аппаратов (более 20 минут), снижения температуры катализаторных сеток, разрыва их, приводящих к проскокам аммиака, прекращения орошения поверхностей, что приводит к отложению нитрит-нитратных солей.

Своевременно производить обтирку, очистку оборудования от проливов технологических продуктов, доливку масла в картеры насосов.

Рабочие места для проведения ремонтных и других работ и проходы к ним на высоте 1,3 м и более должны быть ограждены.

При невозможности или нецелесообразности устройства ограждений работы на высоте 1,3 м и выше, а также при работе с приставной лестницы на высоте более 1,3 м необходимо применять предохранительные пояса, при этом у места производства работ должны находиться вспомогательные рабочие, готовые оказать помощь работающему на высоте. Место закрепления карабина определяет руководитель работ.

Предохранительные пояса проходят испытания перед выдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации через каждые 6 месяцев. На предохранительном поясе должна быть бирка с указанием регистрационного номера и даты следующего испытания.

При работе с азотной кислотой (отбор проб, осмотр коммуникаций, пуск насосов продукционной кислоты и т.п.) необходимо применять индивидуальные средства защиты органов дыхания и зрения (фильтрующий противогаз с коробкой марки «М», защитные очки с резиновой полумаской или защитный щиток из оргстекла, или шлем от противогаза), резиновые кислотозащитные перчатки, специальную кислотозащитную одежду.

При выявлении каких-либо неисправностей в работе оборудования, дефектов опор, стенок и т.п. своевременно ставить в известность начальника отделения, механика цеха. При необходимости остановить оборудование и подготовить его к сдаче в ремонт.

При каждой остановке агрегата в ремонт производить вскрытие нижнего люка окислителя и при наличии солей аммония на распределительной решетке, по стенкам и днищу производить пропарку его острым паром, конденсат сдренировать.

Работы с паром, паровым конденсатом производить в спецодежде, спецобуви, рукавицах.

Для предупреждения профессиональных отравлений и заболеваний в отделении должны соблюдаться следующие санитарно-гигиенические требования:

а) температура воздуха должна быть:

23 - переходной и зимний период;

18-27 - летний период.

б) относительная влажность воздуха:

летом - не более 75 %;

зимой - не более 65 %.

в) шум - не более 65 дБА в шумоизоляционных кабинах, в остальных местах не более 80 дБА;

г) вибрация - не более 75 дБ в шумоизоляционных кабинах, в машинном и контактном отделениях не более 92 дБ;

д) освещенность рабочих мест:

шумоизоляционные кабины - не менее 200 лк;

на площадках абсорбционных колонн - не менее 50 лк;

в машинном и контактном отделениях - не менее 75 лк.

е) предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны помещений:

аммиак - не более 20 мг/м3;

оксидов азота - не более 5 мг/м3.

Кроме индивидуальных противогазов в отделении находится аварийный запас фильтрующих и изолирующих противогазов.

Аварийные противогазы хранятся в аварийных шкафах .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы был рассчитан реактор каталитического окисления аммиака для получения оксидов азота в производстве неконцентрированной азотной кислоты.

Были рассмотрены физико-химические основы процесса. Приведена характеристика исходного сырья и готового продукта.

Был рассчитан необходимый объем воздуха для окисления 5900 м³/ч аммиака, он составил 54304 м³/ч. Были вычислены поступающие с воздухом объемы кислорода, азота и аргона исходя из процентного содержания их в воздухе. Так же были вычислены находящиеся в газе после окисления аммиака объемы кислорода, азота, аргона, паров воды.

Был произведен расчет теплового баланса, в результате чего были рассчитаны все тепловые потоки. Вычислена температура, до которой необходимо нагревать аммиачно-воздушную смесь для обеспечения автотермичности процесса окисления аммиака, она составила 288. Рассчитана температура нитрозного газа после пароперегревателя, она составила 836,7. Определены теплопотери в окружающую среду.

Был произведен обзор литературы по наиболее эффективной схеме производства неконцентрированной азотной кислоты. Была выбрана система, работающая под высоким давлением, так как данный агрегат компактен, все аппараты транспортабельны, энергетический цикл агрегата автономен. В рассмотренной схеме электроэнергия не расходуется на технологические нужды. Электроэнергия потребляется в незначительном количестве только для привода насосов, необходимых для перекачивания кислоты, подачи питательной воды в котлы. Работа по этой схеме идет без выбросов в атмосферу вредных газов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты: Учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1970. - 496 с.

Егоров А.П. Шерешевский А.И., Шманенко И.В. Общая химическая технология неорганических веществ: Учебное пособие для техникумов. - Изд. 4-е перераб. - Москва, Ленинград: Химия, 1965 - 688с.

Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака/Под ред. Караваева М.М. - М.: Химия, 1983. - 232 с.

Катализаторы в азотной промышленности./Под ред. Атрощенко В.И. - Харьков: Вища шк., 1977. - 144 с.

Общая химическая технология. Под редакцией проф. Амелина А.Г. М.: Химия,1977. - 400 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1976 - 552с.

Перлов Е.И., Багдасарян В.С. Оптимизация производства азотной кислоты. М.: Химия, 1983. - 208 с.

Расчеты по технологии неорганических веществ: Учеб. Пособие для вузов/Позин М.Е., Копылев Б.А., Бельченко Г.В. и др.; Под ред. Позина М.Е. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1977 - 496 с.

Румянцев О.В. Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности; Учеб. для вузов.- М.: Химия, 1970 - 376 с.

10. Соколов Р.С. Химическая технология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 Т. - М.: Гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2000. - Т.1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. - 368 с.

Справочник азотчика./Под ред. Мельникова Е.Я. - Т.2: Производство азотной кислоты. Производство азотных удобрений. Материалы и основное специальное оборудование. Энергоснабжение. Техника безопасности. - М.: Химия - 1969. - 448с.

Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Кн.1. Учебное пособие / Т.Г. Ахметов, Р.Г. Порфирьева, Л.Г. Гайсин. - М.: Высш. шк., 2002. 688с.: ил.

Коробочкин В.В. Технология азотной кислоты. - Издательство томского политехнического университета. 2012.

Федеральное агентство по образованию

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К курсовой работе по общей химической технологии на тему:

«Производство аммиачной селитры. Расчет нейтрализатора производительностью G=10 т/час NH 4 NO 3

Выполнил:
студент гр. ХН-091
Артеменко А.А.
Проверил:
Ушаков А.Г.

Кемерово 2012

Введение 4
1.Технико-экономическое обоснование выбранного способа 7
2.Технологическая схема производства аммиачной селитры 12
3.Расчет материального и теплового балансов нейтрализ ации
азотной кислоты аммиаком 17
3.1.Материальный баланс 17
3.2.Тепловой баланс 20
4.Выбор размеров контактного аппарата 21
Заключение 22
Список использованной литературы 23

Введение

Минеральные удобрения находят широкое применение, как в сельском хозяйстве, так и в различных областях промышленности. В отличие от мирового рынка, именно промышленное потребление азотных удобрений является основным на внутреннем рынке.
Важнейшим видом минеральных удобрений являются азотные: аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, водные растворы аммиака.
Аммиачная селитра, или нитрат аммония, NH 4 NO 3 – кристаллическое вещество белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах, обе формы легко усваиваются растениями .
Основными потребителями аммиачной селитры являются следующие отрасли:
- сельское хозяйство;
- производство сложных минеральных удобрений;
- горнопромышленный комплекс (собственное производство ВВ);
- угольная промышленность (собственное производство ВВ);
- производство взрывчатых веществ;
- строительная индустрия;
Аммиачная селитра обладает потенциальной, или физиологической кислотностью. Эта кислотность возникает в почве, с одной стороны, в результате более быстрого потребления растениями ионов (NH 4 +) и соответственно накопления кислотного остатка (ионов NO 3) в почве и, с другой стороны, в результате окисления аммиака в азотную кислоту нитрифицирующими микроорганизмами почвы. При длительном применении аммиачной селитры потенциальная кислотность этого удобрения может привести к изменениям химического состава почвы, что в ряде случаев служит причиной снижения урожайности

Сельскохозяйственных культур.
Гранулированную аммиачную селитру применяют больших масштабах перед посевом и для всех видов подкормок. В меньших масштабах ее используют для производства взрывчатых веществ. Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и обладает большой гигроскопичностью (способность поглощать влагу из воздуха). Это является причинного того, что гранулы удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую форму, происходит слеживание удобрений – сыпучий материал превращается в
твердую монолитную массу. Нитрат аммония имеет ряд преимуществ перед другими азотными удобрениями, так как содержит 34 % азота и в этом отношение уступает лишь карбамиду .
Кроме того аммиачная селитра содержит одновременно аммиачную и нитратную форму азота, которые используются растениями в разные периоды роста, что положительно складывается на увеличение урожайности почти всех сельскохозяйственных культур.
Отрасли, использующие аммиачную селитру как сырье для производства взрывчатых веществ (ВВ) являются вторым по емкости сегментом ее потребления на внутреннем рынке после сельского хозяйства. Аммиачно-
селитряные ВВ представляют собой большую группу взрывчатых веществ.
Их принято относить к бризантным взрывчатым веществам пониженной мощности (в тротиловом эквиваленте на 25% слабее тротила). Однако это не вполне так. По бризантности аммиачно-селитряные ВВ, как правило, мало в

Чем уступают тротилу, а по фугасности превышают тротил, причем некоторые из них весьма значительно. Аммиачно-селитряные ВВ в большей степени находят применение в народном хозяйстве и в меньшей степени в военном деле. Причиной такого применения является значительно меньшая стоимость аммиачно-селитряных ВВ, их значительно более низкая надежность в применении. Прежде всего, это связано с большой гигроскопичностью аммиачных ВВ, поэтому при увлажнении более 3% такие ВВ полностью теряют способность взрываться. Они подвержены слеживаемости, т.е. теряют при хранении сыпучесть, из-за чего полностью

Или частично теряют взрывную способность.
Важнейшими причинами слеживаемости являются:
1.Повышенное содержание влаги в готовом продукте;
2.Неоднородность и низкая механическая прочность частиц селитры;
3.Изменение кристаллических модификаций аммиачной селитры.
Нитрат аммония – сильный окислитель. С растворами некоторых веществ он реагирует бурно, вплоть до взрыва (нитрит натрия).Малочувствителен к толчкам, трению, ударам, сохраняет устойчивость при попадание искр различной интенсивности. Он способен взрываться только под действием сильного детонатора или при термическом разложении. Селитра не является горючим продуктом. Горение поддерживает только оксид азота. Таким образом одним из условий производства аммиачной селитры является чистота ее исходных растворов и готового продукта .

2.Технологическая схема производства аммиачной селитры

Процесс производства аммиачной селитры состоит из следующих основных стадий:
1.Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком;
2.Упаривание растворов аммиачной селитры до состояния плава;
3.Кристаллизация соли из плава;
4.Сушка или охлаждение соли;
5.Упаковка.
Для получения почти неслеживающейся аммиачной селитры применяют ряд технологических приемов. В основе процесса производства аммиачной селитры лежит гетерогенная реакция взаимодействия газообразного аммиака с раствором азотной кислоты:
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3 (2)
?H = -144,9 кДж
Тепловой эффект реакции при взаимодействии 100%-ных исходных веществ составляет 35,46 ккал/моль .

Химическая реакция протекает с большой скоростью; в промышленном реакторе она лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного торможения большое значение имеет перемешивание реагентов. Интенсивные условия проведения процесса в значительной мере могут быть обеспечены при разработке конструкции аппарата. Реакцию (1) проводят в непрерывно действующем аппарате ИТН (использование теплоты нейтрализации) (рис.2.1).

Рис.2.1. Аппарат ИТН

Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из реакционной и сепарационной зон. В реакционной зоне имеется стакан 1, в нижней части которого расположены отверстия для циркуляции раствора. Несколько выше отверстий внутри стакана размещен барботер 2 для подачи газообразного аммиака, над ним – барботер 3 для подачи азотной кислоты. Реакционная парожидкостная смесь выходит из верхней части реакционного стакана; часть раствора выводится из аппарата ИТН и поступает в донейтрализатор, а остальная часть (циркуляционная) вновь идет вниз. Выделившиеся из парожидкостной смеси соковый пар отмывается на колпачковых тарелках 6 от брызг раствора аммиачной селитры и паров азотной кислоты 20 %-ным раствором селитры, а затем конденсатом сокового пара.
Теплота реакции (1) используется для частичного испарения воды из реакционной смеси (отсюда и название аппарата – ИТН). Разница в температурах в разных частях аппарата приводит к более интенсивной циркуляции реакционной смеси.

Технологический процесс производства аммиачной селитры включает, кроме стадий нейтрализации азотной кислоты аммиаком, также стадии упаривания раствора селитры, гранулирования плава, охлаждения гранул, обработка гранул поверхностно-активными веществами, упаковки, хранения и погрузки селитры, очистка газовых выбросов и сточных вод.
На рис.2.2 приведена схема современного крупнотоннажного агрегата по производству аммиачной селитры АС-72 мощностью 1360 т/сут. Исходная 58-60%-ная азотная кислота подогревается в подогревателе 1 до 70-80?С соковым паром из аппарата ИТН 3 и подается на нейтрализацию. Перед аппаратами 3 к азотной кислоте добавляют фосфорную и серную кислоты в таких количествах, чтобы в готовом продукте содержалось 0,3-0,5% Р 2 О 5 и 0,05-0,2% сульфата аммония.
В агрегате установлено два аппарата ИТН, работающие параллельно. Кроме азотной кислоты в них подают газообразный аммиак, предварительно
нагретый в подогревателе 2 паровым конденсатом до 120-130?С. Количества подаваемых азотной кислоты и аммиака регулируют таким образом, чтобы на выходе из аппарата ИТН раствор имел небольшой избыток кислоты (2-5 г/л), обеспечивающий полноту поглощения аммиака.

Рис.2.2 Схема агрегата аммиачной селитры АС-72
В нижней части аппарата происходит реакция нейтрализации при температуре 155-170?С; при этом получается концентрированный раствор, содержащий 91-92% NH 4 NO 3 . В верхней части аппарата водяные пары (так называемый соковый пар) отмываются от брызг аммиачной селитры и паров азотной кислоты. Часть теплоты сокового пара используется на подогрев азотной кислоты. Затем соковый пар направляют на очистку и выбрасывают в атмосферу. Выходящий из нейтрализатора раствор аммиачной селитры имеет слабокислую или слабощелочную реакцию.
Кислый раствор аммиачной селитры направляют в донейтрализатор 4; куда поступает аммиак, необходимый для взаимодействия с оставшейся азотной кислотой. Затем раствор подают в выпарной аппарат 5. Полученный плав, содержащий 99,7-99,8% селитры, при 175?С проходит фильтр 21 и центробежным погружным насосом 20 подается в напорный бак 6, а затем в прямоугольную металлическую грануляционную башню 16.
В верхней части башни расположены грануляторы 7 и 8, в нижнюю часть которых подают воздух, охлаждающий падающие сверху капли селитры. Во время падения капель селитры с высоты 50-55 м при обтекании их потоком воздуха образуются гранулы удобрения. Температура гранулы на

Выходе из башни равна 90-110?С; горячие гранулы охлаждают в аппарате кипящего слоя 15. Это прямоугольный аппарат, имеющий три секции и снабженный решеткой с отверстиями. Под решетку вентиляторами подают воздух; при этом создается псевдоожиженный слой гранул селитры, поступающих по транспортеру из грануляционной башни. Воздух после охлаждения попадает в грануляционную башню.
Гранулы аммиачной селитры транспортером 14 подают на обработку поверхностно-активными веществами во вращающийся барабан 11. Затем готовое удобрение транспортером 12 направляют на упаковку.
Воздух, выходящий из грануляционной башни, загрязнен частицами аммиачной селитры, а соковый пар из нейтрализатора и паровоздушная смесь из выпарного аппарата содержат непрореагировавший аммиак и

Азотную кислоту, а также частицы унесенной аммиачной селитры. Для этих
потоков в верхней башни грануляционной башни расположены шесть
параллельно работающих промывных скрубберов тарельчатого типа 10, орошаемых 20-30%-ным раствором аммиачной селитры, которая подается насосом 18 из сборника 17. Часть этого раствора отводится в нейтрализатор ИТН для промывки сокового пара, а затем подмешивается к аммиачной селитры, и, следовательно, используется для выработки продукции. Очищенный воздух отсасывается из грануляционной башни вентилятором 9 и выбрасывается в атмосферу .

3.Расчет материального и теплового баланса нейтрализации азотной кислоты аммиаком

3.1Материальный баланс

Исходные данные
Концентрация исходной азотной кислоты 50 % HNO 3 ;
Концентрация аммиака 100 % NH 3 ;
Концентрация получаемого раствора 70% NH 4 NO 3 ;
Производительность установки G=10 т/час
В основе получения аммиачной селитры лежит следующая реакция:

NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3
M(NH 3)=17г/моль
М(NH 4 NO 3)=80г/моль
1.Определим количество прореагировавшего 100%-ного аммиака:
m(NH 3)=17*10000/80=2125 кг/час
М(HNO 3)=63г/моль
2.Определим количество прореагировавшей 100%-ной азотной кислоты:
m(HNO 3)=63*10000/80=7875 кг/час
Тогда количество прореагировавшей 50 % - ной азотной кислоты составляет:
m(HNO 3)= 7875/0,5 = 15750кг/час
Находим общее количество реагентов, поступающих в нейтрализатор:
3.Количество 70 % - ного раствора аммиачной селитры:
m(NH 4 NO 3)= 10000/0,7=14285,7 кг/час
4.Количество испарившейся воды при нейтрализации:
m(H 2 O)= 2125 +15750 – 14285,7=3589,3 кг/час
Расход NH 3 + Расход HNO 3 =Количество NH 4 NO 3 + соковый пар

2125 +15750 = 14285,7+3589,3
17875кг/час=17875кг/час

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 1
Материальный баланс

3.2Тепловой баланс

Исходные данные.
Температура кипения аммиачной селитры 120?С.

Давление в нейтрализаторе 117,68 кПа.
Теплоемкости:

При 30 ?: С НNO3 =2,763 кДж/(м 3 ·?С);
При 50?С:C NH3 =2,185 кДж/ (м 3 ·?С);
При 123,6?С:С NH4NO3 =2,303 кДж/ (м 3 ·?С);

Решение.
Q прих. =Q расх.
Приход теплоты:
1.Теплота, вносимая азотной кислотой:
Q 1 = 15907,5 * 2,763 * 30= 1318572 кДж = 1318,572 МДж;
2.Теплота, поступающая с газообразным аммиаком:
Q 2 = 2146,25 * 2,185 * 50 = 234478кДж =234,478 МДж;
При производстве аммиачной селитры выделяется теплота, которую достаточно точно можно определить графически. Для 50 % азотной кислоты Q=105,09 кДж/моль.
3.При нейтрализации выделяется:
Q 3 = (105,09* 1000 * 10000)/80 = 13136250кДж = 13136,25МДж;
Суммарный приход:
Q прих. = Q 1 + Q 2 + Q 3 = 1318572+234478 +13136250 = 14689300кДж.
Расход теплоты:
1.Раствор аммиачной селитры уносит:
Q 1 " = 14285,7* 2,303 * t кип. ;

При давлении 117,68 кПа, температура насыщенного водяного пара равна 103?С.
Температура кипения воды 100 ?С.
Температурная депрессия равна:
?t = 120 – 100 = 20 ?С;
Определим температуру кипения 70 % раствора аммиачной селитры:
t кип = 103 + 20 * 1,03 = 123,6 ?С;
Q 1 " = 14285,7* 2,303 * 123,6 = 4066436 кДж = 4066,436 МДж.
2.Теплота, расходуемая на испарение воды:
Q 2 " = 3589,3 * 2379,9 = 8542175 кДж = 8542,175МДж.
3.Теплопотери:
Q потерь =Q прих. -Q расх. = 14689300-8542175-4066436= 2080689кДж=2080,689МДж.
Суммарный расход:
Q расх. = Q 1 " + Q 2 "+ Q потерь =4066436+8542175+2080689 =14689300 кДж.

Результаты расчетов сводим в таблицу:

Таблица 2
Тепловой баланс

Приход			Расход
Статья	кДж	%	Статья	кДж	%
Q 1	1318572	8,98	Q 1 "	4066436	27,7
Q 2	234478	1,62	Q 2 "	8542175	58,1
Q 3	13136250	89,4	Q потерь	2080689	14,2
Итого:	14689300	100,00	Итого:	14689300	100,00

1.Технико-экономическое обоснование выбранного способа

Наиболее распространенные способы производства аммиачной селитры основаны на реакции нейтрализации азотной кислоты аммиаком.
Химическое взаимодействие газообразного аммиака и растворов азотной кислоты протекает с большой скоростью, но лимитируется массообменном и гидродинамическими условиями. Поэтому большое значение имеет интенсивность смешения реагентов; которая в основном зависит от соотношения между скоростями движения азотной кислоты и аммиака в реакторе. Наиболее тесное соприкосновение реагентов достигается, если линейная скорость газообразного аммиака превышает линейную скорость раствора азотной кислоты не более чем в 15 раз .
Процесс нейтрализации протекает с выделением тепла. В производственных условиях применяется азотная кислота концентрацией 45-60%.Чем выше концентрация применяемой азотной кислоты, тем меньше значение теплоты ее разбавления и тем больше тепловой эффект нейтрализации растворов азотной кислоты аммиаком.
Суммарное количество тепла Q ? ,выделяющегося в результате реакции нейтрализации растворов азотной кислоты газообразным аммиаком определяется уравнением:
Q ? =Q реак. -(q 1 -q 2) (1)
Возможны следующие принципиально различные схемы получения аммиачной селитры с использованием тепла нейтрализации:
- установки, работающие при атмосферном давлении (избыточное давление сокового пара 0,15-0,2 ат);
- установки с вакуум- испарителем;
- установки, работающие под давлением, с однократным использованием
тепла сокового пара;

Установки, работающие под давлением, с двукратным использованием тепла сокового пара (получение концентрированного плава).
Наибольшее распространение в России получила схема нейтрализации под атмосферным давлением, изображенная на рисунке 3.

Рис. 1.1 Схема нейтрализации азотной кислоты под атмосферным давлением:
1 – бак для азотной кислоты; 2 – подогреватель аммиака; 3 – сепаратор жидкого аммиака;4 – аппарат ИТН; 5 – ловушка-промыватель сокового пара; 6 – вакуумный выпарной аппарат I ступени; 7 – донейтрализатор.
В 1967-1970-х годах была разработана технологическая схема и выполнен проект крупнотоннажного агрегата АС-67 со среднесуточной мощностью 1400 т.
Особенностью агрегата АС-67 является размещение всего основного технологического оборудования (от стадии нейтрализации до стадии получения плава) на грануляционной башне каскадом, без промежуточных операций перекачивания растворов аммиачной селитры. Другая особенность агрегата АС-67 заключается в том, что воздух не отсасывают из башни, а нагнетают в башню снизу под решетку кипящего слоя одним мощным вентилятором, т. е. башня работает под подпором.
Размещение всего основного технологического оборудования на грануляционной башне, как отмечалось, упростило схему ввиду отказа от перекачивания концентрированных растворов селитры. В то же время такое решение привело к определённым усложнениям процессов строительства и

Эксплуатации агрегата:
- ствол башни несет большую нагрузку, вследствие чего он выполнен в железобетоне с внутреннй футеровкой кислотноупорным кирпичем, что приводит к значительным капитальным затратам, повышению трудоемкости и длительности строительства;
- надстройка с технологическим оборудованием расположена на большой высоте, поэтому должна быть полностью закрыта, отапливаемой и вентилируемой.
- монтаж оборудования может быть начат только после возведения башни, что удлиняет цикл строительно-монтажных работ;
- расположение оборудования на высоте вызывает повышение требований к работоспособности подъемно-транспортного оборудования (лифтов);
- эксплуатация башни под напором усложняет обслуживание аппарата охлаждения продукта в кипящем слое, встроенного в башню;

Применение встроенного охлаждающего аппарата приводит к увеличению расхода энергии на подачу воздуха в башню.
С целью устранения недостатков схемы АС-67 и повышения качества продукта в схеме АС-72 приняты следующие технические решения:
- предусмотрено повышение прочности гранул как результат воздействия трёх факторов: применения сульфатно-фосфатной добавки, получения более крупных гранул, регулирования темпа охлаждения гранул, для чего был применен секционированный выносной аппарат с кипящим слоем и раздельной подачей воздуха в каждую секцию;
- оборудование размещено внизу на отдельной этажерке; для перекачивания плава применен насос.
Технологическая схема производства селитры по схеме АС-72 состоит из тех же стадий, что и по схеме АС-67; дополнительной является стадия перекачивания высококонцентрированного плава аммиачной селитры на верх грануляционной башни.

Принципиальных отличий в технологическом процессе на стадиях нейтрализации и выпарки в схеме АС-72 по сравнению с АС-67 нет. Отличием является подогрев азотной кислоты в двух подогревателях индивидуально для каждого аппарата ИТН, что позволило установить автоматические регуляторы расхода на линии подачи азотной кислоты на подогрев. И еще одним характерным отличием является установка лишь одного более мощного донейтрализатора, вместо двух.
Рост требований к охране окружающей среды поставил в повестку дня существенное снижение выброса в атмосферу аэрозольных частиц аммиачной селитры и аммиака. Более высокая степень очистки этих выбросов – главная отличительная черта модернизированных агрегатов АС-72М.

В современных производствах аммиачной селитры удельные расходы сырья близки к теоретическим. Поэтому существенной разницы себестоимости продукта, получаемого в крупнотоннажных агрегатах АС-67, АС-72 и АС-72М, нет.
Различие технико- экономических показателей в зависимости от конкретных схем лежит главным образом в области расхода энергоресурсов: пара, электроэнергии, оборотной воды. Расход пара определяется исходной концентрацией азотной кислоты, степенью использования тепла сокового пара, получаемого на стадии нейтрализации.
Расход электроэнергии в производствах аммиачной селитры по абсолютным значениям не велик. Но он может колебаться в зависимости от применяемого способа охлаждения продукта (непосредственно в башне при полёте гранул,
в аппаратах с псевдоожиженным слоем, во вращающихся барабанах), от способов очистки воздуха, выбра
В промышленности в основном применяют агрегат АС-72,где в результате применения монодисперсных грануляторов обеспечен выровненный гранулометрический состав, снижено содержание мелких гранул, уменьшена скорость воздуха по сечению башни, т.е. созданы более благоприятные

Условия для уменьшения уноса пыли из башни и снижения нагрузки на промывной скруббер .

Список использованной литературы

1. Расчеты химико-технологических процессов. Под общей редакцией проф. Мухленова И.П. Л., «Химия», 1976. –304с.
2.http://www.xumuk.ru//
3.Клевке.В.А.,”Технология азотных удобрений”,М.,Госхимиздат, 1963г.
4.Общая химическая технология: Важнейшие химические производства/И.П.Мухленов.-4-е изд.-М.:Высш.шк.,1984.- 263с.
5.Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию. Под ред.Ю.И.Дытнерского,2-е изд.,М.: Химия,1991.-496 с.
6.Миниович М. А. Производство аммиачной селитры. М. «Химия», 1974. – 240 с.

Заключение

В данной курсовой работе изучили производство аммиачной селитры и принципиальную технологическую схему, обосновали выбор основного и вспомогательного оборудования в производстве аммиачной селитры, рассчитали материальный и тепловой балансы стадии нейтрализации.
Рассмотрели физические, химические свойства аммиачной селитры. Так как аммиачная селитра обладает такими свойствами как слеживаемость и гигроскопичность необходимо принимать следующие меры, для уменьшения слеживаемости применять порошкообразные добавки, припудривающие частицы соли. Одни из добавок уменьшают активную поверхность частиц, другие обладают адсорбционными свойствами. Прибавлять к слеживающимся солям очень малые количества красителей, а также охлаждать аммиачную селитру перед упаковкой в тару. Чтобы уменьшить гигроскопичность необходимо селитру гранулировать. Гранулы имеют меньшую удельную поверхность, чем мелкокристаллическая соль, поэтому медленнее увлажняется.
Аммиачная селитра является наиболее важным и распространенным азотным удобрением которое применяется сельском хозяйстве. Поэтому необходимо соблюдать условия хранения аммиачной селитры и создавать новые технологические решения.

4.Выбор размеров контактного аппарата

Определяем объем аппарата использующего теплоту нейтрализации:

Время контактирования, час;

M- производительность аппарата,м 3 /час.

G=10000 кг/час=36000000 кг/сек.

Ам.селитры =1725 кг/м 3

M= G/ ? ам.селитры

M=36000000 кг/сек: 1725 кг/м 3 =20869,5 м 3 /сек

V= 1сек·20869, 5 м 3 /сек=20869,5 м 3

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет»

Кафедра химической технологии твердого топлива и экологии

УТВЕРЖДАЮ
Дата

Зав. кафедрой_______________
(подпись)

Студенту

1. Тема проекта

5. Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)

2. ______________________________ _____________________
Дата выдачи задания _____________
Руководитель ________________________
(подпись)
7. Основная литература и рекомендуемые материалы
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ _________________
Задание принял к исполнению (дата) _________________

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет»

Кафедра химической технологии твердого топлива и экологии

УТВЕРЖДАЮ
Дата

Зав. кафедрой_______________
(подпись)
Задание по курсовому проектированию

Студенту

1. Тема проекта
______________________________ _____________________

Утверждена приказом по вузу от
2. Срок сдачи студентом законченного проекта
3. Исходные данные к проекту
______________________________ ______________________

4. Объем и содержание пояснительной записки (основных вопросов общей и специальной части) и графического материала
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________
5. Консультанты по проекту (с указанием относящихся к ним разделов проекта)
1. ______________________________ _____________________
2. ______________________________ _____________________ Дата выдачи задания _____________ Руководитель ________________________ (подпись) 7. Основная литература и рекомендуемые материалы ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ _________________ Задание принял к исполнению (дата) _________________

ВВЕДЕНИЕ

Азотная промышленность является одной из быстро развивающихся отраслей.

Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотосодержащих веществ и принадлежит к числу важнейших кислот.

По масштабу производства азотная кислота занимает второе место среди различных кислот после серной. Большой масштаб производства объясняется тем, что азотная кислота и ее соли приобрели в народном хозяйстве весьма существенное значение.

Потребление азотной кислоты не ограничивается производством удобрений. Она находит широкое применение при получении всех видов взрывчатых веществ, целого ряда технических солей, в промышленности органического синтеза, при производстве серной кислоты, в ракетной технике и во многих других отраслях народного хозяйства.

Промышленное производство азотной кислоты основано на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой.

Целью данного курсового проекта является рассмотрение первой ступени производства азотной кислоты - контактное окисление аммиака, а так же расчет материального и теплового балансов реактора.

В технологических схемах получения азотной кислоты процесс каталитического окисления аммиака имеет важное значение, так как именно он определяет три основных показателя - расход аммиака, вложения и потери платиновых металлов, а также энергетические возможности схемы. В связи с этим совершенствование процесса каталитического окисления аммиака имеет большое значение для производства азотной кислоты и минеральных удобрений в целом.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

1.1 Сорта азотной кислоты

В промышленности применяют 2 сорта азотной кислоты: разбавленную (слабую) с содержанием 30-60 % HNO3 и концентрированную, содержащую 97-99 % HNO3, а так же сравнительно небольшое количество реактивной и особо чистой азотной кислоты. Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам.

По физико-химическим показателям концентрированная азотная кислота должна удовлетворять нормам, указанные в таблице 1.

Таблица 1 - Требования к качеству концентрированной азотной кислоты (ГОСТ 701-89)

Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам, указанные в таблице 2 и 3.

Таблица 2 - Требования к качеству неконцентрированной азотной кислоты (ОСТ 6-03-270-76)

Таблица 3 - Требования к качеству азотной кислоты (ГОСТ 4461-67)

Содержание в %, не болееХ.ч.Ч.д.а.ЧистаяАзотная кислота61-68 54-6061-68 54-6061-68 54-60Оксиды азота (NO2)0,10,10,1Остаток после прокаливания0,0010,0030,005Сульфаты (SO42)-0,00020,00050,002Фосфаты (PO43-)0,000020,00020,002Хлориды (Cl-)0,000050,00010,0005Железо (Fe)0,000020,00010,0003Кальций (Ca)0,00050,0010,002Мышьяк (As)0,0000020,0000030,00001Тяжелые металлы (Pb)0,000020,00050,0005

1.2 Применение азотной кислоты

Азотную кислоту используют в разных сферах деятельности:

1)при гальванизации и хромирования деталей;

)для производства минеральных удобрений;

)для получения взрывчатых веществ (военная промышленность);

)в производстве лекарств (фармацевтика);

)получение азотнокислого серебра для фотографии;

)для травления и гравировки металлических форм;

)в качестве сырья для получения концентрированной азотной кислоты;

)в гидрометаллургии;

)в ювелирном деле - основной способ определения золота в золотом сплаве;

)для получения ароматических нитросоединений - прекурсоров красителей, фармакологических препаратов и прочих соединений, используемых в тонком органическом синтезе;

)для получения нитроцеллюлозы.

1.3 Свойства азотной кислоты

3.1 Физические свойства азотной кислоты

Азотная кислота - одна из сильных одноосновных кислот с резким удушливым запахом, чувствительна к свету и при ярком освещении разлагается на один из оксидов азота (ещё называемый бурым газом - NO2) и воду. Поэтому её желательно хранить в тёмных ёмкостях. В концентрированном состоянии она не растворяет алюминий и железо, поэтому можно хранить в соответствующих металлических ёмкостях. Азотная кислота - является сильными электролитом (как многие кислоты) и очень сильный окислитель. Её часто используют при реакциях с органическими веществами.

Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, степень окисления +5. Азотная кислота - бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления -41,59, кипения +82,6 с частичным разложением. Растворимость азотной кислоты в воде не ограничена. Водные растворы HNO3 с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 - концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d20 = 1,41 г/см, Tкип = 120,7)

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:

) моногидрат HNO3·H2O, Tпл = -37,62;

2) тригидрат HNO3·3H2O, Tпл = -18,47.

Азотная кислота, как и озон, может образовываться в атмосфере при вспышках молнии. Азот, который составляет 78 % состава атмосферного воздуха, реагирует с атмосферным кислородом, образуя оксид азота NO. При дальнейшем окислении на воздухе этот оксид переходит в диоксид азота (бурый газ NO2), который реагирует с атмосферной влагой (облаками и туманом), образуя азотную кислоту.

Но такое малое количество совершенно безвредно для экологии земли и живых организмов. Один объем азотной и три объема соляной кислоты образуют соединение, называемое «царской водкой». Она способна растворять металлы (платину и золото), нерастворимые в обычных кислотах. При внесении в эту смесь бумаги, соломы, хлопка, произойдёт энергичное окисление, даже воспламенение.

1.3.2 Химические свойства азотной кислоты

Азотная кислота проявляет различные химические свойства в зависимости от концентрации и вещества, с которым она реагирует.

Если азотная кислота концентрированная:

1) с металлами - железом (Fe), хромом (Cr), алюминием (Al), золотом (Au), платиной (Pt), иридием (Ir), натрием (Na) - не взаимодействует по причине образования на их поверхности защитной плёнки, которая не позволяет дальше окисляться металлу. Со всеми остальными металлами <#"justify">HNO3 конц + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O(1)

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

Если азотная кислота разбавленная:

1) при взаимодействии со щелочноземельными металлами, а также с цинком (Zn), железом (Fe), она окисляется до аммиака (NH3) или же до аммиачной селитры (NH4NO3). Например, при реакции с магнием (Mg):

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

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

С остальными металлами реагирует с образованием оксида азота (NO), например, растворяет серебро (Ag):

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

2) аналогично реагирует с неметаллами, например с серой <#"justify">HNO3 разбавл + S = H2SO4 + 2NO(6)

Окисление серы до образования серной кислоты и выделения газа - оксида азота;

3) химическая реакция с оксидами металлов, например, оксид кальция:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и вода;

) химическая реакция с гидроксидами (или основаниями), например, с гашеной известью:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и вода - реакция нейтрализации;

) химическая реакция с солями, например с мелом:

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

Образуется соль (нитрат кальция) и другая кислота (в данном случае - угольная, которая распадается на воду и углекислый газ).

6) в зависимости от растворённого металла разложение соли при температуре происходит следующим образом:

а) любой металл (обозначен как Me) до магния (Mg):

MeNO2 + O2(10)

б) любой металл от магния (Mg) до меди (Cu):

3 = MeO + NO2 + O2(11)

в) любой металл после меди (Cu):

3 = Me + NO2 + O2(12)

2. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

азотный кислота катализатор аммиак

Промышленные способы получения разбавленной азотной кислоты включают следующие стадии:

) получение оксида азота (II);

2) окисление его до оксида азота (IV);

3) абсорбцию NO2 водой;

4) очистку отходящих газов (содержащих в основном молекулярный азот) от оксидов азота.

Концентрированную азотную кислоту получают двумя способами:

1) первый способ заключается в ректификации тройных смесей, содержащих азотную кислоту, воду и водоотнимающие вещества (обычно серную кислоту или нитрат магния). В результате получают пары 100% азотной кислоты (которые конденсируют) и водные растворы водоотнимающего агента, последнее выпаривают и возвращают в производство;

2) второй способ основан на реакции:

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

При давлении 5 МПа и использовании чистого О2 образуется 97-98 % кислота, содержащая до 30 % по массе оксидов азота. Целевой продукт получают разгонкой этого раствора. Азотную кислоту особой чистоты получают ректификацией 97-98,5 % азотной кислотой в аппаратуре из силикатного или кварцевого стекла. Содержание примесей в такой кислоте менее 110-6 % по массе .

3. СЫРЬЕВАЯ БАЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

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.

1. Аммиак. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммиака явилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода получения водорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяных газах и продуктах нефтепереработки. Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются: вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости аммиано-воздушной смеси.

Воздух. Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [%, (об.)]: N2 = 78,1, О2 = 21,0, Ar2 = 0,9, Н2О = 0,1-2,8. 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.

3. 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 2 мг/л, масла не более 1 мг/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 не более 3,6 мэкв/кг, содержание взвешенных веществ не более 50 мг/кг, значение pH 6,5-8,5.

4. Кислород. Применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения аммиачно-воздушной смеси при получении неконцентрированной азотной кислоты.

4. КОНТАКТНОЕ ОКИСЛЕНИЕ АММИАКА

4.1 Физико-химические основы процесса

Современные способы производства азотной кислоты основаны на контактном окислении аммиака. При окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условий, протекают следующие реакции:

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

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

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

Кроме реакций (14-16) возможны и другие, протекающие в приповерхностных слоях катализатора. Например, разложение NO, взаимодействие N2O, NO2 и NH3:

NO N2+O2(17)

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

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

Естественно, что реакция (14) будет являться «полезной». Термодинамические расчеты показывают, что реакции (14-16) практически протекают до конца.

Константы равновесия для обратных реакций (14-16) при 900°С имеют следующие значения

(20)

(21)

(22)

K1 = ,(23)

где k1 - NO + Н2O; k2 - NH3 + O2.

При 900 каталитическое превращение аммиака в конечные продукты достигает 100 %, т. е. процесс практически необратим.

Однако уравнения (14-16) не отражают действительного механизма процесса, т. к. в этом случае в реакции (14) должны были бы одновременно столкнуться девять молекул; в реакции (16) - семь молекул. Это практически невероятно.

Предложено несколько механизмов окисления аммиака на катализаторах. Различия в представлениях о механизмах заключаются в следующем:

1) образование NO и N2 через промежуточное соединение на катализаторе;

2) образование NO происходит на катализаторе, а образование N2 на катализаторе и в объеме газа.

На основании сказанного (о константе равновесия и механизмах окисления) можно констатировать, что выбранный катализатор должен обладать высокой активностью (большая скорость реакции и малое время контакта: при его увеличении возрастает вероятность образования N2) и селективностью по отношению к реакции (14).

Среди нескольких механизмов, предложенных нашими и зарубежными учеными, наибольшее распространение получил механизм, предложенный Л.К. Андросовым, Г.К. Боресковым, Д.А. Эпштейном.

Поэтапно механизм можно представить следующим образом:

1 этап - окисление поверхности платины. Образуется пероксидный комплекс катализатор-кислород (рисунок 1).

Рисунок 1 - Структура пероксидного комплекса катализатор-кислород

этап - диффузия и адсорбция аммиака на покрытой кислородом поверхности платины. Образуется комплекс катализатор-кислород-аммиак (рисунок 2).

Рисунок 2 - Структура комплекса катализатор-кислород-аммиак

этап - перераспределение электронных связей, разрыв старых связей и упрочнение новых связей.

этап - десорбция продуктов и диффузия в поток газа (устойчивые соединения NO и Н2O удаляются с поверхности).

Освободившиеся центры вновь адсорбируют кислород, поскольку скорость диффузии кислорода выше, чем у аммиака и т. д. По мнению ученых, кислород, входящий в решетку катализатора (неплатиновый контакт) в реакции окисления аммиака не участвует (доказано с помощью метода меченых атомов).

Превращение аммиака в азот, по мнению И.И. Бергера и Г.К. Борескова, может происходить в объеме в результате реакций аммиака, как с кислородом, так и с оксидом азота.

Различают кинетическую, переходную и диффузионную области протекания процесса. Кинетическая область свойственна низким температурам: она ограничивается температурой зажигания катализатора, при которой отмечается быстрый самопроизвольный разогрев его поверхности, т. е. до температуры зажигания скорость лимитируется скоростью химической реакции на контакте. При Т > Тзаж уже диффузия контролирует процесс - химическая реакция быстрая. Процесс переходит в диффузионную область. Именно эта область (600-1000) характерна для стационарного автотермического процесса в промышленных условиях. Отсюда следует непременное увеличение объемной скорости газа и уменьшение времени контакта.

Реакция окисления аммиака на активных катализаторах начинается раньше: на палладие (Pd) при 100, на платине (Pt) при 145, на железе (Fe) при 230, на оксидах металлов температура начала реакции колеблется в широких пределах. Вместе с тем достаточной скорости и степени превращения она достигает при Т > 600 .

4.2 Катализаторы окисления аммиака

Почти на всех азотнокислотных заводах в качестве катализатора для окисления аммиака применяют платину или ее сплавы.

Платина является дорогим катализатором, но зато она в течение длительного времени сохраняет высокую активность, обладает достаточной устойчивостью и механической прочностью и легко регенерируется. Наконец, при современной сетчатой форме катализатора применение платины дает возможность использовать наиболее простой тип контактных аппаратов. Она легко разжигается, и расход ее на единицу продукции незначителен.

В производстве азотной кислоты не применяют носителей для платины и ее сплавов, так как при наличии носителей относительно быстро падает активность катализатора и затрудняется регенерация его. На современных заводах платину для катализаторов применяют в виде сеток. Сетчатая форма создает большую поверхность катализатора в контактном аппарате при относительно малом расходе платины. Обычно применяют сетки, в которых диаметр проволоки равен 0,045-0,09 мм с размерами со стороны ячейки 0,22 мм. Площадь сеток, не занятая проволокой, составляет примерно 50-60 % всей ее площади. При применении нитей другого диаметра число плетений изменяют с таким расчетом, чтобы свободная площадь, не занятая проволокой, оставалась в указанных пределах.

В контактных аппаратах, работающих под атмосферным давлением. устанавливают от 2 до 4 сеток, большей частью 3, а в аппаратах, работающих под давлением до 8 атм, - от 13 до 16 сеток. При установке одной сетки часть молекул аммиака не соприкасается с катализатором, что понижает выход окиси азота. В наилучших условиях на одной сетке степень контактирования может достигать 86-90 %, на двух сетках 95-97 %, а на трех 98 %. При работе под атмосферным давлением не применяют больше 4 сеток, так как при большом количестве сеток хотя производительность контактного аппарата и возрастает, но сильно увеличивается сопротивление газовому потоку. Сетки должны плотно прилегать друг к другу, так как, в противном случае, в свободном пространстве между сетками протекает ряд гомогенных реакций, снижающих выход окиси азота.

В процессе работы платиновые сетки сильно разрыхляются. Гладкие и блестящие нити их делаются губчатыми и матовыми, эластичные сетки делаются хрупкими. Образование губчатой, разрыхленной поверхности увеличивает толщину нитей. Все это создает сильно развитую поверхность сеток, повышающую каталитическую активность платины. Только отравление катализатора примесями, поступающими с газами, может в дальнейшем вызвать снижение его активности.

Разрыхление поверхности платиновых сеток с течением времени приводит к сильному разрушению сеток, что вызывает большие потери платины.

Платина, предназначенная для изготовления катализатора, не должна содержать железа, которое уже при 0,2 % значительно снижает выход окиси азота.

Чистая платина при высоких температурах быстро разрушается, и ее мельчайшие частички уносятся с потоком газа. Другие металлы платиновой группы в чистом виде в качестве катализаторов не применяют. Палладий быстро разрушается. Иридий и родий мало активны. Осмий легко окисляется.

Были изучены и применены сплавы платины, обладающие большей прочностью и не меньшей активностью, чем чистая платина. На практике применяют сплавы платины с иридием или с родием и иногда с палладием. Сетки из сплава платины с 1 % иридия при высоких температурах обладают большей активностью, чем платиновые. Значительно большая активность и, в особенности, механическая прочность свойственны сплавам платины с родием.

Наилучший выход окиси азота получается при работе на сплавах платины, в которых содержится 10 % родия. Однако, учитывая более высокую стоимость родия по сравнению с платиной, содержание его в сплавах обычно снижают до 7-5 %.

При окислении аммиака под давлением на платино-родиевых сетках получается значительно больший выход окиси азота, чем на чисто платиновых.

Платиновые катализаторы чувствительны к некоторым примесям, содержащимся в исходном газе. Так, наличие в газе 0,00002 % фосфина (РН3) снижает степень конверсии до 80 %. Менее сильными ядами являются сероводород, пары ацетилена, смазочных масел, оксиды железа и другие вещества. Регенерируют сетки, обрабатывая их 10-15 % раствором соляной кислоты при 60-70°С в течение 2 ч. Затем сетки тщательно промывают дистиллированной водой, сушат и прокаливают в пламени водорода. В процессе работы изменяется физическая структура сеток и уменьшается механическая прочность сплава, что увеличивает потери металла и сокращает срок службы катализатора .

4.3 Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси

Для окисления аммиака применяют преимущественно воздух. Расход кислорода на окисление аммиака по реакции (24) с образованием NO можно рассчитать следующим образом:

NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2O(24)

По реакции (24) на 1 моль NH3 приходится 1,25 моля O2 = , тогда - содержание NH3 можно выразить так:

где - количество NH3 в смеси с воздухом; 100 - общее количество смеси (%).

Однако это теоретически. Для практических целей используют определенный избыток кислорода, тогда концентрация аммиака будет меньше 14,4 % (об.).

Оптимальной концентрацией аммиака в аммиачно-воздушной смеси является наибольшее его содержание, при котором еще возможен высокий выход NO при соотношении O2:NH3 < 2.

Резкое уменьшение степени конверсии наблюдается при снижении соотношения O2:NH3 < 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, то степень конверсии повышается значительно.

Таким образом, важный момент:

1) с одной стороны, увеличение содержания NH3 в аммиачно-воздушной смеси, т. е. уменьшение отношения O2:NH3, приводит к снижению степени конверсии аммиака;

2) с другой стороны, с увеличением содержания NH3 в аммиачно-воздушной смеси, увеличивается температура системы, т. к. выделяется больше тепла по реакциям (14-16), и степень конверсии возрастает, что видно из таблицы 4.

Таблица 4 - Зависимость степени конверсии аммиака от его содержания в аммиачно-воздушной смеси (P = 0,65 МПа)

Из таблицы 4 следует, что повышение температуры с 740 до 830°С при соотношении O2:NH3 в пределах 1,6-2 благоприятно влияет на процесс. При соотношении O2:NН3 < 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.

Избыток О2 необходим для того, чтобы поверхность платины всегда была покрыта кислородом для осуществления процесса окисления по рассматриваемому ранее механизму и исключения образования N2 и N2O (при недостатке кислорода). Он должен быть более 30 %, т. е. соотношение O2:NH3 > 1,62.

Состав газа будет также зависеть и от протекания второй стадии получения азотной кислоты (окисление NO)

2NO + 1,5O2 + Н2O = 2HNO3(25)

Для ее проведения также необходим избыток кислорода:

1) для систем, работающих под давлением - 2,5 %;

2) для систем, работающих при атмосферном давлении - 5 %.

Суммарная реакция, определяющая потребность кислорода для получения азотной кислоты, записывается следующим образом

NH3 + 2O2 = HNO3 + Н2O(26)

Есть еще одно обстоятельство, по причине которого нежелательно увеличивать концентрацию аммиака выше 9,5 % (об.). В этом случае имеет место снижение концентрации оксидов азота в поглотительных башнях, за счет введения дополнительного кислорода (т. е. идет разбавление NO). Таким образом, 9,5 % (об.) - оптимальное содержание аммиака для всех стадий получения разбавленной азотной кислоты.

Можно вместо воздуха применять для окисления кислород. Тогда, в соответствии с суммарной реакцией (26), необходимо повысить концентрацию аммиака до 33,3 % (об.). Однако здесь вступает в силу техника безопасности, поскольку смесь с такой концентрацией аммиака становится взрывоопасной (таблица 5).

Таблица 5 - Нижний (НПВ) и верхний (ВПВ) пределы взрываемости смеси аммиак-кислород-азот

При повышении влажности газа пределы взрываемости сужаются, т. е. возможно применить парокислородную конверсию аммиака.

Смеси аммиака с кислородом воспламеняются со взрывом (Твоспл = 700-800). В этих температурных пределах самовоспламенение происходит при любом содержании аммиака в аммиачно-кислородной смеси.

Практически применяемые аммиачно-воздушные смеси (концентрация аммиака 9,5-11,5 % (об.)) не взрывоопасны (таблица 5). Существуют зависимости пределов взрываемости аммиачно-воздушной смеси от содержания аммиака и кислорода при различных давлениях.

Однако следует заметить, что скорость распространения взрыва невелика и для аммиачно-воздущной смеси составляет 0,3-0,5 м/с. Т. е. для устранения возможности распространения взрыва нужно создать скорость газа больше этого значения (0,5 м/с). Это как раз и достигается использованием в процессе активных платиноидных катализаторов, где время контакта составляет 10-4 сек и, следовательно, линейная скорость более 1,5 м/с .

4.4 Окисление аммиака под давлением

Целью повышения давления являются:

1) необходимость увеличения скорости процесса;

2) компактность установок.

Термодинамически доказано, что даже при высоких давлениях выход NO близок к 100 %. Производительность конвертора увеличивается с возрастанием давления и увеличением числа сеток платиноидного катализатора. С ростом давления увеличивается и температура процесса выше 900. Однако при увеличении давления для достижения высокой степени конверсии NH3 необходимо увеличить время пребывания газа в конверторе

что в свою очередь приводит к увеличению числа сеток.

Главный недостаток - повышенные потери катализатора платины (Pt) при высоких температурах. Эти недостатки (потеря платины, снижение степени конверсии) можно исключить, прибегнув к комбинированной схеме производства, т. е. осуществляя процесс окисления NH3 при атмосферном или близком к нему давлении, а окисление NO и абсорбцию при повышенном давлении. Такой подход часто реализуется в технологических схемах многих стран. Вместе с тем расходы энергии на копремирование газа повышают себестоимость азотной кислоты .

4.5 Оптимальные условия окисления аммиака

Температура. Реакция аммиака на платине начинается при 145, но протекает с малым выходом NO и образованием преимущественно элементарного азота. Повышение температуры приводит к увеличению выхода окиси азота и росту скорости реакции. В интервале 700-1000 выход NO может быть доведен до 95-98 %. Время контактирования при повышении температуры от 650 до 900 сокращается примерно в пять раз (от 5 10-4 до 1,1 10-4 сек). Необходимый температурный режим процесса может поддерживаться за счет тепла реакций окисления. Для сухой аммиачно-воздушной смеси, содержащей 10 % NH3, при степени конверсии 96 % теоретическое повышение температуры газа составляет примерно 705 или около 70 на каждый процент аммиака в исходной смеси. Применяя аммиачно-воздушную смесь, содержащую 9,5 % аммиака, можно за счет теплового эффекта реакции достигнуть температуры порядка 600, для еще большего повышения температуры конверсии необходим предварительный подогрев воздуха или аммиачно-воздушной смеси. Следует учитывать, что подогревать аммиачно-воздушную смесь можно только до температуры не выше 150-200 при температуре греющего газа не более 400. В противном случае возможна диссоциация аммиака или его гомогенное окисление с образованием элементарного азота.

Верхний предел повышения температуры контактного окисления аммиака определяется потерями платинового катализатора. Если до 920 потери платины в какой-то мере компенсируются ростом активности катализатора, то выше этой температуры рост потерь катализатора значительно опережает увеличение скорости реакции.

Согласно заводским данным, оптимальная температура конверсии аммиака под атмосферным давлением составляет около 800; на установках, работающих под давлением 9 атм, она равна 870-900.

Давление. Применение повышенного давления при получении разбавленной азотной кислоты в основном связано со стремлением увеличить скорость окисления окиси азота и переработки образующейся двуокиси азота в азотную кислоту.

Термодинамические расчеты показывают, что и при повышенном давлении равновесный выход NO близок к 100 %. Однако высокая степень контактирования в этом случае достигается лишь при большом количестве катализаторных сеток и более высокой температуре.

За последнее время в промышленных условиях на многослойных катализаторах при тщательной очистке газов и температуре 900 удалось довести степень конверсии аммиака до 96 %. При выборе оптимального давления следует иметь в виду, что повышение давления приводит к росту потерь платины. Это объясняется увеличением температуры катализа, применением многослойных сеток и усилением их механического разрушения под действием большой скорости газа.

3. Содержание аммиака в смеси. Для окисления аммиака обычно применяют воздух, поэтому содержание аммиака в смеси определяется содержанием кислорода в воздухе. При стехиометрическом отношении О2:NH3 = 1,25 (содержание аммиака в смеси с воздухом составляет 14,4 %) выход окиси азота не значителен. Для увеличения выхода NO требуется некоторый избыток кислорода, следовательно, содержание аммиака в смеси должно быть меньше 14,4 %. В заводской практике содержание аммиака в смеси поддерживают в пределах 9,5-11,5 %, что соответствует отношению O2:NH3 = 21,7.

Суммарная реакция (26), определяющая потребность в кислороде при переработке аммиака в азотную кислоту дает отношение O2:NH3 = 2, что соответствует содержанию аммиака в исходной смеси, равному 9,5 %. Это говорит о том, что увеличение концентрации аммиака в смеси выше 9,5 % в конечном итоге не приведет к росту концентрации NO, так как в этом случае в адсорбционную систему придется вводить дополнительный воздух. Если в качестве исходных реагентов применять аммиачно-кислородную смесь, то в соответствии с уравнением суммарной реакции можно было бы увеличить концентрацию в ней аммиака до 33,3 %. Однако применение высоких концентраций аммиака затруднено тем, что подобные смеси взрывчаты.

Влияние примесей. Платиновые сплавы чувствительны к примесям, содержащимся в аммиачно-воздушной смеси. В присутствии 0,0002 % фосфористого водорода в газовой смеси степень конверсии аммиака снижается до 80 %. Менее сильными контактными ядами являются сероводород, ацетилен, хлор, пары смазочных масел пыль, содержащая окислы железа, окись кальция, песок и др.

Предварительная очистка газов увеличивает продолжительность работы катализатора. Однако со временем катализатор постепенно отравляется и выход NO снижается. Для удаления ядов и загрязнений сетки периодически регенерируют посредством обработки их 10-15 % раствором соляной кислоты.

5. Время контактирования. Оптимальное время контактирования определяется скоростью окисления аммиака. Чаще всего скорость окисления определяют как количество окисленного аммиака (кг) на единицу поверхности (м2) в сутки (напряженность катализатора). Продолжительность соприкосновения газа с катализатором, или время контактирования определяют по уравнению:

где t - время пребывания газа в катализаторной зоне, сек; Vсв - свободный объем катализатора, м3; W - объемная скорость в условиях контактирования м3 сек-1.

Максимальная степень превращения аммиака в окись азота достигается при вполне определенном времени контакта газа с катализатором. Оптимальным временем контактирования следует считать не то, при котором достигается максимальный выход NO, а несколько меньшее, так как экономически выгодно работать при большей производительности даже за счет снижения выхода продукта. В практических условиях время контакта аммиака с катализатором колеблется в пределах от 1 10-4 до 2 10-4 сек.

Смешение аммиака с воздухом. Полная однородность аммиачно-воздушной смеси, поступающей в зону контактирования, является одним из основных условий получения высокого выхода окиси азота. Хорошее смешение газов имеет большое значение не только для обеспечения высокой степени контактирования, но и предохраняет от опасности взрыва. Конструкция и объем смесителя должны в полной мере обеспечивать хорошее перемешивание газа и исключать проскок аммиака отдельными струями на катализатор.

5. КОНТАКТНЫЕ АППАРАТЫ

Наиболее сложной и претерпевшей значительные усовершенствования является конструкция самого контактного аппарата.

Рисунок 3 - Контактный аппарат Оствальда: 1 - коллектор аммиачно-воздушной смеси; 2 - платиновая спираль; 3 - смотровое окно; 4 - коллектор нитрозных газов

Первым промышленным контактным аппаратом был аппарат Оствальда (рисунок 3), состоящий из двух концентрических труб: внешней чугунной диаметром 100 мм, эмалированной изнутри, и внутренней из никеля диаметром 65 мм. Аммиачно-воздушная смесь поступала в аппарат снизу по внешней трубе и попадала на катализатор, расположенный в верхней части внутренней трубы. Нитрозные газы по внутренней трубе направлялись вниз в коллектор, отдавая тепло поступающей смеси.

Катализатор состоял из лент платиновой фольги толщиной 0,01 мм и шириной 20 мм, свернутых вместе в спираль. Одна из лент гладкая, вторая гофрированная с изгибами в 1 мм. Степень конверсии аммиака достигала 90-95 %, в смеси с воздухом содержалось NH3 8 % (об.), производительность аппарата составляла 100 кг азотной кислоты в сутки.

Подобная форма катализатора не позволяла повышать производительность аппарата за счет увеличения его размеров. В аппарате Оствальда не обеспечивалась равномерность подачи газовой смеси, так как перед поступлением на катализатор поток газа изменил свое направление на 180° и уже затем поступал на него. Кроме того, конструкция аппарата не позволяла быстро выводить оксиды азота (II) из зоны высоких температур.

В последующих конструкциях контактного аппарата был использован катализатор в форме сетки из нитей диаметром 0,06 мм.

Рисунок 4 - Контактный аппарат Андреева: 1 - платиновые сетки; 2 - смотровое окно

Первое в России производство азотной кислоты было оснащено контактными аппаратами Андреева, вырабатывавшими 386 кг азотной кислоты в сутки и считавшимися наиболее совершенными в мире. Аппарат цилиндрической формы диаметром 300 мм и высотой 450 мм был изготовлен из чугуна. Смесь газов поступала снизу (рисунок 4). Сетка платинового катализатора располагалась поперек аппарата, посередине его.

Применение чугуна для изготовления этого аппарата имело ряд недостатков: протекание побочных реакций, загрязнение платины окалиной. Степень конверсии в нем не превышала 87 %.

Рисунок 5 - Контактный аппарат Фишера: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - изоляция

Аппарат Фишера изготовляли из алюминия, его диаметр был равен 1000 мм, высота 2000 мм (рисунок 5). Снизу аппарат заполняли фарфоровыми кольцами Рашига, верхнюю часть футеровали огнеупорным кирпичом. Конструкция аппарата не обеспечивала равномерной подачи аммиачно-воздушной смеси на катализатор, выход оксидов составлял 89-92 % при температуре контактирования 700-720°С. Производительность аппарата по аммиаку 600-700 кг/сут. Частицы огнеупорного кирпича, попадая на катализатор, снижали его активность.

Рисунок 6 - Аппарат Бамаг: 1 - насадка; 2 - платиновая сетка; 3 - смотровое окно

Аппарат, предложенный фирмой Бамаг (рисунок 6), состоял из двух усеченных конусов, соединенных широкими основаниями, между которыми помещались катализаторные сетки. Диаметр аппарата в широкой части был равен 1,1 м или 2,0 м.

Аммиачно-воздушную смесь подавали в аппарат снизу. Вначале аппарат изготовляли из алюминия, затем его верхнюю, горячую, часть выполняли из нержавеющей стали. Для лучшего перемешивания смеси в нижнюю часть аппарата засыпали кольца Рашига.

Основным недостатком этих аппаратов было направление газовой смеси на катализатор снизу, что приводило к вибрации сеток и к увеличению потери платины.

Исследования конструкции контактного аппарата показали, что направление газовой смеси сверху вниз стабилизирует работу катализаторных сеток, уменьшает потери дорогостоящего дефицитного платинового катализатора, способствует повышению степени конверсии на 1,0-1,5 % и позволяет применять двухступенчатый катализатор, в котором в качестве второй ступени применяется оксидный неплатиновый катализатор.

При подаче газовой смеси в аппарат сверху в нижней его части можно располагать слой изолирующего материала, а также змеевики парового котла и пароперегревателя без опасности загрязнения катализатора пылью огнеупоров и окалиной железа. Это позволяет снизить потери тепла реакции в окружающую среду.

Исследование распределения температур по поверхности катализатора показало, что края катализатора примыкающего к стенкам, имеют более низкую температуру, соответственно снижается и степень контактирования, уменьшая общий выход оксида азота (II). В связи с этим большое значение имеет геометрия подводящей части контактного аппарата, она должна представлять собой плавно расходящийся конус с углом при вершине не более 30°.

Рисунок 7 - Аппарат Парсонса: 1 - цилиндрическая платиновая сетка; 2 кварцевое дно; 3 - смотровое окно; 4 - изоляция

В США был создан аппарат Парсонса с вертикальным расположением катализаторной сетки, свернутой в виде четырехслойного цилиндра высотой 33 см и диаметром 29 см (рисунок 7). Платиновый цилиндр помещали в металлический кожух, футерованный огнеупорным кирпичом, что обеспечивало хороший теплообмен с раскаленным катализатором. Производительность такого аппарата составляла до 1 т аммиака в сутки, степень конверсии 95-96 %.

Преимущество данного аппарата - большая поверхность катализатора по сравнению с объемом апарата. Недостатком его является неравномерное поступление аммиачно-воздушной смеси на катализатор. Через нижнюю часть сетчатого катализатора проходит больше смеси, чем через верхнюю часть.

Испытывался ряд аппаратов различной формы: в виде двух полусфер, конуса и полусферы при направлении потока газов снизу вверх. Особыми преимуществами эти аппараты не обладали даже при проведении процесса до 0,51 МПа, степень конверсии не превышала 90 %.

Рисунок 8 - Аппарат фирмы Дюпон: 1 - платиновые сетки; 2 - колосники; 3 - водяная рубашка

При проведении процесса при повышенном давлении получил распространение аппарат фирмы Дюпон (рисунок 8), состоящий из конусов: верхнего - из никеля и нижнего - из жароупорной стали. Нижний корпус был снабжен водяной рубашкой для охлаждения. Катализатор, укладываемый на колосники, выполнен в виде пакета прямоугольных сеток.

Сейчас во всем мире проектируют и строят агрегаты производства разбавленной азотной кислоты большой единичной мощности - до 400-600 т/год. Контактные аппараты с плоскими слоями сеток или слоем зернистого материала, располагаемого поперек хода газа, для таких агрегатов должны иметь большой диаметр до 5-7 м. Однако с увеличением диаметра аппарата ухудшается равномерность распределения аммиачно-воздушной смеси по сечению аппарата, увеличивается металлоемкость на единицу производительности, возрастают трудности в уплотнении фланцевых соединений. Аппараты больших диаметров (свыше 4 м) нельзя перевозить по железным дорогам, изготовление их на заводской площадке связано с серьезными трудностями.

В связи с этим наиболее перспективным является конвертор с радиальным ходом газовой смеси через катализатор, выполненный в виде цилиндра или конуса. При таком расположении катализатора можно, не изменяя диаметр аппарата, увеличивать его высоту и соответственно производительность.

Конструкции аппаратов с цилиндрическим расположением катализатора известны давно (аппараты Парсонса), но с увеличением их производительности от 4,5 кг/ч до 14,3 т/ч аммиака возникали проблемы распределения потоков газовой смеси, теплообмена, крепления катализатора и др.

Рисунок 9 - Усовершенствованный аппарат Парсонса: 1 - корпус; 2 - крышки; 3 - коллектор хладоагента; 4 - опорное устройство; 5 - штуцер для вывода нитрозных газов; 6 - катализаторные сетки; 7 - каналы для хладоагента; 8 - каналы для газов

Одним из новых аппаратов является усовершенствованный аппарат Парсонса (рисунок 9). Он состоит из корпуса с крышками, штуцеров для ввода аммиачно-воздушной смеси и вывода нитрозных газов. Катализатором являются платиновые сетки, располагаемые вертикально по цилиндрической поверхности и закрепляемые под крышками. Сетки натянуты на керамическое опорное устройство, в котором имеются горизонтальные каналы для подачи аммиачно-воздушной смеси к контактным сеткам и вертикальные каналы для подачи хладоагента. Недостатком такого опорного устройства является распределение газа, поступающего на катализатор, в виде отдельных струй, в результате чего площадь катализатора работает не полностью.

Рисуноу 10 - Контактный аппарат с радиальным ходом газа: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - система опорных элементов; 4 - катализатор; 5 - решетка; 6 - глухое днище

Предложен аппарат с радиальным ходом газа (рисунок 10), который состоит из корпуса 1 и крышки со штуцером для ввода аммиачно-воздушной смеси. В нижней части корпуса расположен штуцер для ввода нитрозных газов. Катализаторные сетки в виде цилиндра и конуса расположены вертикально. Однако этот аппарат также не обеспечивает равномерного поступления газов на катализатор.

Рисунок 11 - Контактный аппарат с гранулированным катализатором: 1 цилиндрический корпус; 2 - крышка с центральным отверстием; 3, 4 - коаксильные цилиндрические перфорированные распределительные решетки; 5 - кольцевое днище; 6 - выходной штуцер

Предложен аппарат с радиальным ходом газа и гранулированным катализатором. В качестве катализаторов применяются платиновые металлы, нанесенные на носитель, или таблетки неплатинового катализатора (рисунок 11).

Аппарат на рисунке 11 состоит из цилиндрического корпуса 1, в верхнюю часть которого вводится аммиачно-воздушная смесь, а в нижней выводятся нитрозные газы. Внутри расположены две коаксиальные цилиндрические перфорированные распределительные решетки 3 и 4, между которыми размещен слой гранулированного катализатора 7. Внешний цилиндр закрыт сверху крышкой 2 с центральным отверстием, а снизу - глухим кольцевым днищем 5. Внутренний цилиндр закрыт сверху крышкой, а в низу соединен с выходным штуцером 6.

Аммиачно-воздушная смесь при входе в аппарат делится на два потока. Основная часть проходит в кольцевой зазор между стенками корпуса и внешним распределительным цилиндром и поступает радиально на катализатор. Вторая, меньшая часть, проходит через отверстие в крышке и поступает на катализатор по оси. Равномерное распределение газовой смеси в катализаторе не обеспечивается.

Недостатком этих конструкций является перегрев аммиачно-воздушной смеси более 200 вблизи глухого днища вследствие снижения скорости газа до нуля. Перегрев газа вызывает перегрев катализаторных сеток и повышенный их износ.

Рисунок 12 - Аппарат с катализатором в форме конуса: 1 - рубашка для подогрева газа; 2 - катализатор; 3 - опорное трубное устройство; 4 - водяная рубашка

Аппарат (рисунок 12), содержит катализатор в виде нескольких слоев платиновой сетки, сваренный из кусков треугольной формы в конус с углом при вершине около 60°. Пакет сеток опирается на конструкцию, состоящую из 6-12 труб по образующей конуса, по которым проходит теплоноситель. Такая форма катализатора имеет большую удельную поверхность (по отношению к объему аппарата) по сравнению с плоским катализатором, расположенным поперек хода газа. Однако по сравнению с цилиндрическим катализатором его удельная поверхность меньше.

Рисунок 13 - Контактный аппарат для окисления аммиака под высоким давленим: 1 - корпус; 2 - внутренний конус; 3 - распределительное устройство; 4 - запальник; 5 - катализаторные сетки; 6 - пароперегреватель; 7 - пакеты парового котла; 8 - экономайзер

На рисунке 13 изображен контактный аппарат для окисления аммиака под давлением 0,71 МПа. Аппарат представляет собой два конуса, вставленных друг в друга. Аммиачно-воздушная смесь поступает снизу в пространство между внутренним и внешним конусом, поднимается вверх и оттуда по внутреннему конусу опускается вниз. На пути к платиновому катализатору, выполненному в виде сеток смесь хорошо перемешивается в распределительном устройстве из колец Рашига.

Для измерения температур поступающей газовой смеси и процесса конверсии аппарат снабжен термопарами: четыре - до катализатора и четыре после него. Для отбора проб газа имеются пароотборные трубки: четыре до катализатора и четыре после него. Розжиг катализатора производится азотоводородной смесью, подаваемой с помощью поворотной горелки (запальника).

Рисунок 14 - Контактный аппарат фирмы Гранд Паруасс: 1 - корпус; 2 решетка; 3 - платиновый катализатор; 4 - панцирная сетка; 5 - слой колец; 6 перфорированная пластина; 7 - пароперегреватель; 8 - котел-утилизатор

Среди аппаратов, работающих при среднем давлении 0,40-0,50 МПа, представляет интерес аппарат фирмы Гранд Паруасс, изготовленной из нержавеющей стали (рисунок 14). Он состоит из корпуса, закрытого сверху эллиптической крышкой, с входным штуцером для ввода газовой смеси. Под крышкой расположен дырчатый конус, затем отражательная перегородка. Над платиновыми сетками размещена распределительная решетка, на которой лежит слой из шести сеток, выполняющих роль гасителя пульсаций скорости потока. Недостатком аппарата является наличие застойных зон в области высоких температур катализатора, где может разлагаться поступающий аммиак .

6. ВЫБОР И ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

В зависимости от условий проведения производственного процесса различают следующие типы азотнокислотных систем:

2) системы, работающие при повышенном давлении (4-8 атм);

3) комбинированные системы, в которых окисление аммиака проводится при более низком давлении, а абсорбция окислов - при более высоком давлении.

Рассмотрим эти технологические схемы.

1) системы, работающие при атмосферном давлении;

Рисунок 15 - Схема установки для получения разбавленной азотной кислоты при атмосферном давлении: 1 - водяной скруббер; 2 - суконный фильтр; 3 - аммиачно-воздушный вентилятор; 4 - картонный фильтр; 5 - конвертор; 6 - паровой котел-утилизатор; 7 - скоростной холодильник; 8 - холодильник-конденсатор; 9 - вентилятор для нитрозных газов; 10 - абсорбционные башни; 11 - окислительная башня; 12 - башня для поглощения окислов азота щелочами; 13 - холодильник кислоты; 14, 15 - насосы

Данные системы (рисунок 15) в настоящее время уже не эксплуатируются, вследствие громоздкости аппаратуры (большое количество башен кислой и щелочной абсорбции), малой производительности, а также накопления некоторого количества хлора, который в системах кислой и щелочной абсорбции оказывает сильное коррозионной действие на аппаратуру, которую постоянно приходиться заменять, а это за собой ведёт большие экономические затраты.

2) комбинированные системы;

Рисунок 16 - Получение азотной кислоты комбинированным методом: 1 - скоростной холодильник; 2 - холодильник; 3 - двигатель турбокомпрессора; 4 - редуктор; 5 - турбокомпрессор нитрозных газов; 6 - турбина для орошения отходящих газов; 7 - окислитель; 8 - теплообменник; 9 - холодильник-конденсатор; 10 - абсорбционная колонна; 11 - кислотный клапан; 12 - сборник конденсата; 13, 14 - сборники азотной кислоты

Основными достоинствами данной схемы являются:

1. Данные системы (рисунок 16) работают без потребления энергии со стороны, так как теплоты окисления аммиака и окисления окиси азота достаточно для получения энергии на сжатие воздуха и нитрозных газов до нужных давлений;

2. Компактность оборудования.

3. Производительность таких агрегатов составляет 1360 т/сутки.

Недостатки схемы:

Основным недостатком данной схемы является то, что при окислении аммиака под давлением 9 атм степень конверсии на 2-3 % меньше, чем при атмосферном давлении, а потери платинового катализатора в 2-3 раза больше. Таким образом, данный процесс выгоднее проводить под атмосферным давлением. Но для современных мощных цехов, вырабатывающих азотную кислоту, в этом случае потребуется большое количество крупногабаритных аппаратов и, следовательно, увеличение затрат на строительно-монтажные работы. Эти соображения вынуждают прибегать к повышению давления в процессе конверсии аммиака. В этом отношении давление порядка 2,5 атм приемлемо, так как объём аппаратуры сокращается в 2,5 раза по сравнению с объёмом в системах, работающих при атмосферном давлении, при умеренных потерях аммиака и катализатора.

3) системы, работающие под повышенным давлением.

Достоинства схемы (рисунок 17):

1. Агрегат компактен, все аппараты транспортабельны. Энергетический цикл агрегата автономен и при отключении химического производства остаётся в работе до отключения его со щита управления. Это позволяет при случайных отключениях химического процесса быстро вводить агрегат в работу. Управление агрегатом в рабочем режиме автоматизировано.

2. Фактическая себестоимость и энергоёмкость азотной кислоты, выработанная на агрегатах единого давления 0,716 МПа, остаётся самыми низкими по сравнению с агрегатом АК-72 и агрегатом, работающим по комбинированной схеме.

3. Вместо котла-утилизатора за контактным аппаратом устанавливается высокотемпературный теплообменник для подогрева выхлопных газов перед турбиной до 1120 К. При этом за счёт увеличения мощности газовой турбины выдача электроэнергии возросла на 274 по сравнению с агрегатом АК-72.

4. В схеме параллельно технологическим аппаратам установлена постоянно включенная камера сгорания, что позволяет сделать независимой работу машинного агрегата от технологической линии, а также обеспечить плавный переход от работы машины на холостом режиме к работе машины при включенном процессе технологии.

Недостатки схемы:

1. В агрегате протекает процесс при повышенных температурах, что делает очень большие нагрузки на палладиевый катализатор и он выходит из строя. По литературным данным удельные безвозвратные потери на 1т азотной кислоты составляют для процесса при атмосферном давлении 40-45 мг, при 0,3-1,6 МПа - 100 мг, при 0,7-0,9 МПа - 130-180мг. То есть увеличиваются потери платины на установках, работающих под давлением за счёт более высоких температурах катализа по сравнению с температурой на установках, работающих при атмосферном давлении.

2. Требуется очень высокая степень очистки воздуха перед входом в ГТУ, так как производительность компрессора по воздуху может снизиться до 10 % и КПД до 6 %.

В данном курсовом проекте детально рассматривается схема производства азотной кислоты под давлением с приводом компрессора от газовой турбины (рисунок 17).

Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс.т/г (100 %-ной HNO3). Число агрегатов в схеме определяется потребностью в азотной кислоте цехов переработки.

В каждом агрегате осуществляются: подготовка аммиачно-воздушной смеси (очистка и сжатие воздуха, испарение жидкого аммиака, очистка газообразного аммиака и аммиачно-воздушной смеси); конверсия аммиака; утилизация тепла образования оксидов азота; охлаждение нитрозных газов; получение азотной кислоты; подогрев отходящих газов; очистка их от оксидов азота и рекуперация энергии газа в газовой турбине и котле-утилизаторе.

Кроме того, схема включает узлы приготовления питательной воды для питания котлов-утилизаторов, охлаждение конденсата или обессоленной воды для орошения абсорбционных колонн, редуцирования пара до необходимых параметров, хранения выработанной азотной кислоты и выдачи её потребителям.

Рисунок 17 - Схема производства азотной кислоты под давлением с приводом компрессора от газовой турбины: 1 - фильтр воздуха; 2 - турбокомпрессор первой ступени; 3 - промежуточный холодильник; 4 - турбокомпрессор второй ступени; 5 - газовая турбина; 6 - редуктор; 7 - мотор-генератор; 8 - подогреватель воздуха; 9 - смеситель аммиака с воздухом; 10 - подогреватель воздуха; 11 - поролитовый фильтр; 12 - конвертор; 13 - котел-утилизатор; 14 - сосуд для окисления нитрозных газов; 15 - холодильник - конденсатор; 16 - абсорбционная колонна; 17 - конвертор; 18 - котел-утилизатор

Атмосферный воздух засасывается через фильтр 1 турбокомпрессором первой ступени 2 и сжимается до 0,2-0,35 МПа. Вследствие сжатия воздух нагревается до 175. После охлаждения до 30-45 в холодильнике 3 воздух поступает в турбокомпрессор второй ступени 4, где он сжимается до конечного давления 0,73 МПа и нагревается до 125-135. Дальнейший подогрев воздуха до 270 происходит в подогревателе 8 за счет тепла горячих нитрозных газов, выходящих из конвертора. Горячий воздух поступает далее в смеситель 9.

Аммиак под давлением 1,0-1,2 МПа нагревается до 150 в подогревателе 10 водяным паром и поступает в смеситель 9, где смешивается с воздухом. Полученная аммиачно-воздушная смесь, содержащая 10-12 % NН3, фильтруется в поролитовом фильтре 11 и поступает в конвертор 12, где на платино-родиевом катализаторе при температуре 890-900 аммиак окисляется до окиси азота. Тепло газов, выходящих из конвертора, используется в котле-утилизаторе 13 для получения пара, при этом газы охлаждаются до 260.

Далее газы проходят фильтр для улавливания платины, расположенный в верхней части пустого сосуда 14. В сосуде 14 происходит окисление NО до NО2 (степень окисления 80 %), в результате этого газовая смесь разогревается до 300-310 и поступает в подогреватель воздуха 8, где охлаждается до 175. Дальнейшее использование тепла нитрозных газов становится невыгодным, поэтому они охлаждаются водой в холодильнике 16 до 50-55. Одновременно с охлаждением газа в холодильнике 16 происходит конденсация паров воды и образование азотной кислоты в результате взаимодействия воды с двуокисью азота. Концентрация образующейся кислоты не превышает 52 % НNО3, выход составляет около 50 % всей производительности установки.

Из холодильника 15 нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 16 с ситчатыми тарелками, где NО2 поглощается водой с образованием азотной кислоты (концентрация до 55 %). На тарелках абсорбционной колонны 16 уложены змеевики (холодильные элементы), по которым циркулирует вода для отвода тепла, выделяющегося в процессе образования азотной кислоты.

Для очистки отходящих газов от окислов азота их подогревают до 370-420°С, добавляют к ним небольшое количество природного газа и направляют в конвертор (реактор) 17. Здесь в присутствии палладиевого катализатора протекают следующие реакции:

СН4 + О2 2СО + 4Н2 + Q(27)

2NО2 + 4Н2 = N2 + 4Н2О + Q(28)

2NО + 2Н2 = N2 + 2Н2О + Q(29)

Так как эти реакции идут с выделением тепла, то температура газов повышается до 700-730. Эти газы поступают под давлением 0,5-0,6 МПа в турбину 5, которая приводит в движение турбокомпрессоры 2 и 4, сжимающие воздух. После этого газы при температуре около 400 поступают в котел-утилизатор 19, в котором получают пар низкого давления.

Турбокомпрессоры первой и второй ступеней 2 и 4, а также газовая турбина 5 представляют собой единый агрегат. Турбина первой ступени 2 и газовая турбина 5 находятся на общем валу и соединены редуктором 6 с турбиной второй ступени 4 и электромотором 7. Такой агрегат позволяет использовать основную часть энергии, затраченную на сжатие воздуха, и таким образом значительно снизить расход электроэнергии .

7. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ РЕАКТОРА

7.1 Расчет материального баланса реактора

1) Вычисляем необходимый объем воздуха:

2) Объемы поступающих с воздухом, нм3:

а) водяных паров

б) сухого воздуха

3) Вычислим поступающие с воздухом объемы кислорода азота и аргона исходя из их процентного содержания в воздухе

) Находим объемы образующихся по реакции (14), нм³/ч:

а) окиси азота

б) паров воды

5) Определяем объемы образующихся по реакции (15), нм³/ч:

б) паров воды

в) расходуемого при протекании этой реакции кислорода

6) Вычисляем находящиеся в газе после окисления аммиака объемы, нм³/ч:

а) кислорода

в) аргона

г) паров воды

7) Собственно материальный баланс можно рассчитать, если объемы потоков на входе в контактный аппарат и на выходе из него пересчитать на массы, при этом должен соблюдаться материальный баланс.

Заполним таблицу для материального баланса (таблица 6).

Таблица 6

ПриходРасходКомпонентКоличествоКомпонентКоличествокг/чм³/чкг/чм³/чNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757,5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar928520H2O1827,022273,625H2O8938,62711123,625Всего73572,07760203,68Всего73570,96161678,38

Невязка баланса

7.2 Расчет теплового баланса реактора

Найдем температуру tx, до которой необходимо нагревать аммиачно-воздушную смесь для обеспечения автотермичности процесса окисления аммиака.

1) Вычисляем общий объем аммиачно-воздушной смеси

) Определяем концентрацию компонентов аммиачно-воздушной смеси, % (об.):

а) аммиака

б) сухого воздуха

в) паров воды

3) Рассчитываем среднюю теплоемкость аммиачно-воздушной смеси

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),

где 35,8; 28,7 и 32,6 - теплоемкости аммиака, сухого воздуха и паров воды, кДж/(кмоль·К).

) Определяем теплоту, вносимую аммиачно-воздушной смесью

) Вычисляем теплоты, выделяемые при протекании реакции (14) и (16)

или 17030 кВт, где 905800 и 126660 - теплоты, выделяющиеся при образовании окиси азота и азота по реакциям (14) и (16).

) Находим общий объем нитрозного газа, поступающего в котел утилізатор

7) Определяем концентрацию компонентов нитрозного газа, % (об.):

а) окиси азота

б) кислорода

в) аргона

д) паров воды

8) Вычисляем среднюю теплоемкость нитрозного газа:

Снср = 0,01(31,68 · ПNO + 32,3 · ПО2 + 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)

где 31,68; 32,3; 20,78; 30,8 и 37,4 - теплоемкости компонентов нитрозного газа при температуре 900 , кДж/(кмоль·К).

9) Для нагрева водяного пара от 198 до 250 в пароперегревателе необходимо отнять теплоты:

1880 кВт, где 800·10³ и 1082·10³ Дж/кг - удельные энтальпии перегретого пара при температурах 198 и 250 и давлениях 1,5 МПа и 3,98 МПа.

10) Температуру нитрозных газов на выходе из контактного аппарата определяем из уравнения теплового баланса этого участка:

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

11) Рассчитываем теплоту, уносимую нитрозными газами. Рассмотрим случай, когда контактный аппарат и котел-утилизатор смонтированы в виде единого аппарата:

12) Определяем теплопотери в окружающую среду

Приравнивая приход теплоты расходу, составляем уравнение теплового баланса и решаем его относительно tx:

Заполним таблицу для теплового баланса (таблица 7).

Таблица 7

Приход, кВтРасход, кВтТеплота, вносимая аммиачно-воздушной смесью6369,2Теплота на нагрев водяного пара в пароперегревателе1880Теплота, уносимая нитрозными газами20584,3Теплота, выделяемая при протекании реакции (14) и (16)17030,6Потери в окружающую среду935,9Всего23399,8Всего23400,2

Невязка баланса:

8. ОХРАНА ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ

Для обеспечения безопасного режима работы в производстве неконцентрированной азотной кислоты под повышенным давлением 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.

Не допускать включение электрооборудования при неисправном заземлении.

Не допускать ремонт оборудования с электроприводом, без снятия напряжения с электродвигателей.

Ремонт и наладку контрольных и измирительных приборов и электрооборудования производить только силами служб отдела главного прибориста и электриками.

Пользоваться открытым огнем в производственных и складских помещениях запрещается: курение разрешается в отведенных для этих целей местах.

Все вращающиеся части оборудования (полумуфты), крыльчатки вращающихся вентиляторов, на валах электродвигателей должны иметь надежное крепление и ограждены, и окрашены в красный цвет.

Фланцевые соединения кислотных линий должны быть защищены защитными кожухами.

Подтягивание болтов фланцевых соединений трубопроводов, а также производство работ на оборудовании, находящемся под давлением, не допускается.

Аппараты, работающие под давлением, должны удовлетворять требованиям, изложенным в технических условиях и правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов и коммуникаций, работающих под давлением.

Работы в закрытых сосудах производить при наличии наряда-допуска на проведение газоопасных работ.

Вентиляция должна быть в исправном состоянии и находиться постоянно в работе.

Обслуживание грузоподъемных механизмов, сосудов, работающих под давлением, производится только лицами, специально обученными и имеющими специальное удостоверение.

Подходы к аварийным шкафам, пожарным извещателям, телефонам, пожарному инвентарю не допускается загромождать посторонними предметами, содержать их необходимо в чистоте и в исправном состоянии.

Открытые проемы в перекрытиях, площадках, переходные мостики должны иметь ограждения высотой 1 м. В нижней части ограждения должен располагаться бортик или защитная полоса высотой 15 см.

Все контрольно-измерительные приборы и системы автоматики и блокировки должны находится в исправном состоянии.

Для предотвращения отложения нитрит-нитратных солей на внутренних поверхностях аппаратов и трубопроводов, лопастях роторов, стенах компрессоров нитрозного газа и других деталях и аппаратах не допускать длительного розжига контактных аппаратов (более 20 минут), снижения температуры катализаторных сеток, разрыва их, приводящих к проскокам аммиака, прекращения орошения поверхностей, что приводит к отложению нитрит-нитратных солей.

Своевременно производить обтирку, очистку оборудования от проливов технологических продуктов, доливку масла в картеры насосов.

Рабочие места для проведения ремонтных и других работ и проходы к ним на высоте 1,3 м и более должны быть ограждены.

При невозможности или нецелесообразности устройства ограждений работы на высоте 1,3 м и выше, а также при работе с приставной лестницы на высоте более 1,3 м необходимо применять предохранительные пояса, при этом у места производства работ должны находиться вспомогательные рабочие, готовые оказать помощь работающему на высоте. Место закрепления карабина определяет руководитель работ.

Предохранительные пояса проходят испытания перед выдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации через каждые 6 месяцев. На предохранительном поясе должна быть бирка с указанием регистрационного номера и даты следующего испытания.

При работе с азотной кислотой (отбор проб, осмотр коммуникаций, пуск насосов продукционной кислоты и т.п.) необходимо применять индивидуальные средства защиты органов дыхания и зрения (фильтрующий противогаз с коробкой марки «М», защитные очки с резиновой полумаской или защитный щиток из оргстекла, или шлем от противогаза), резиновые кислотозащитные перчатки, специальную кислотозащитную одежду.

При выявлении каких-либо неисправностей в работе оборудования, дефектов опор, стенок и т.п. своевременно ставить в известность начальника отделения, механика цеха. При необходимости остановить оборудование и подготовить его к сдаче в ремонт.

При каждой остановке агрегата в ремонт производить вскрытие нижнего люка окислителя и при наличии солей аммония на распределительной решетке, по стенкам и днищу производить пропарку его острым паром, конденсат сдренировать.

Работы с паром, паровым конденсатом производить в спецодежде, спецобуви, рукавицах.

Для предупреждения профессиональных отравлений и заболеваний в отделении должны соблюдаться следующие санитарно-гигиенические требования:

а) температура воздуха должна быть:

23 - переходной и зимний период;

18-27 - летний период.

б) относительная влажность воздуха:

летом - не более 75 %;

зимой - не более 65 %.

в) шум - не более 65 дБА в шумоизоляционных кабинах, в остальных местах не более 80 дБА;

г) вибрация - не более 75 дБ в шумоизоляционных кабинах, в машинном и контактном отделениях не более 92 дБ;

д) освещенность рабочих мест:

шумоизоляционные кабины - не менее 200 лк;

на площадках абсорбционных колонн - не менее 50 лк;

в машинном и контактном отделениях - не менее 75 лк.

е) предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны помещений:

аммиак - не более 20 мг/м3;

оксидов азота - не более 5 мг/м3.

Кроме индивидуальных противогазов в отделении находится аварийный запас фильтрующих и изолирующих противогазов.

Аварийные противогазы хранятся в аварийных шкафах .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе курсовой работы был рассчитан реактор каталитического окисления аммиака для получения оксидов азота в производстве неконцентрированной азотной кислоты.

Были рассмотрены физико-химические основы процесса. Приведена характеристика исходного сырья и готового продукта.

Был рассчитан необходимый объем воздуха для окисления 5900 м³/ч аммиака, он составил 54304 м³/ч. Были вычислены поступающие с воздухом объемы кислорода, азота и аргона исходя из процентного содержания их в воздухе. Так же были вычислены находящиеся в газе после окисления аммиака объемы кислорода, азота, аргона, паров воды.

Был произведен расчет теплового баланса, в результате чего были рассчитаны все тепловые потоки. Вычислена температура, до которой необходимо нагревать аммиачно-воздушную смесь для обеспечения автотермичности процесса окисления аммиака, она составила 288. Рассчитана температура нитрозного газа после пароперегревателя, она составила 836,7. Определены теплопотери в окружающую среду.

Был произведен обзор литературы по наиболее эффективной схеме производства неконцентрированной азотной кислоты. Была выбрана система, работающая под высоким давлением, так как данный агрегат компактен, все аппараты транспортабельны, энергетический цикл агрегата автономен. В рассмотренной схеме электроэнергия не расходуется на технологические нужды. Электроэнергия потребляется в незначительном количестве только для привода насосов, необходимых для перекачивания кислоты, подачи питательной воды в котлы. Работа по этой схеме идет без выбросов в атмосферу вредных газов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты: Учеб. Пособие для вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1970. - 496 с.

Егоров А.П. Шерешевский А.И., Шманенко И.В. Общая химическая технология неорганических веществ: Учебное пособие для техникумов. - Изд. 4-е перераб. - Москва, Ленинград: Химия, 1965 - 688с.

Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака/Под ред. Караваева М.М. - М.: Химия, 1983. - 232 с.

Катализаторы в азотной промышленности./Под ред. Атрощенко В.И. - Харьков: Вища шк., 1977. - 144 с.

Общая химическая технология. Под редакцией проф. Амелина А.Г. М.: Химия,1977. - 400 с.

Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1976 - 552с.

Перлов Е.И., Багдасарян В.С. Оптимизация производства азотной кислоты. М.: Химия, 1983. - 208 с.

Расчеты по технологии неорганических веществ: Учеб. Пособие для вузов/Позин М.Е., Копылев Б.А., Бельченко Г.В. и др.; Под ред. Позина М.Е. 2-е изд. перераб. и доп. - Л.: Химия. Ленингр. отд-ние, 1977 - 496 с.

Румянцев О.В. Оборудование цехов синтеза высокого давления в азотной промышленности; Учеб. для вузов.- М.: Химия, 1970 - 376 с.

10. Соколов Р.С. Химическая технология: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 Т. - М.: Гуманит изд. центр ВЛАДОС, 2000. - Т.1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. - 368 с.

Справочник азотчика./Под ред. Мельникова Е.Я. - Т.2: Производство азотной кислоты. Производство азотных удобрений. Материалы и основное специальное оборудование. Энергоснабжение. Техника безопасности. - М.: Химия - 1969. - 448с.

Химическая технология неорганических веществ: В 2 кн. Кн.1. Учебное пособие / Т.Г. Ахметов, Р.Г. Порфирьева, Л.Г. Гайсин. - М.: Высш. шк., 2002. 688с.: ил.

Коробочкин В.В. Технология азотной кислоты. - Издательство томского политехнического университета. 2012.

Министерство образование и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Тверской государственный технический университет»

Кафедра ТПМ

Курсовая работа

по дисциплине: «Общая химическая технология»

Производство аммиачной селитры

• Содержание

Введение

1. Физико-химические свойства аммиачной селитры

2. Методы производства

3. Основные стадии производства аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты

3.1 Получение растворов аммиачной селитры

3.1.1 Основы процесса нейтрализации

3.1.2 Характеристика нейтрализационных установок

3. 1 5 Основное оборудование

4. Материальные и энергетические расчеты

5. Термодинамический расчет

6. Утилизация и обезвреживание отходов в производстве аммиачной селитры

Заключение

Список использованных источников

Приложение А

Введение

В природе и в жизни человека азот имеет исключительно важное значение. Он входит в состав белковых соединений (16--18%), являющихся основой растительного и животного мира. Человек ежедневно потребляет 80--100 г белка, что соответствует 12--17 г азота.

Для нормального развития растений требуются многие химические элементы. Основные из них -- углерод, кислород, водород, азот, фосфор, магний, сера, кальций, калий и железо. Первые три элемента растения получают из воздуха и воды, остальные -- извлекают из почвы.

Особенно большая роль в минеральном питании растений принадлежит азоту, хотя его среднее содержание в растительной массе не превышает 1,5%. Без азота не может жить и нормально развиваться ни одно растение.

Азот является составной частью не только растительных белков, но и хлорофилла, с помощью которого растения под действием солнечной энергии усваивают углерод из находящейся в атмосфере двуокиси углерода СО2.

Природные соединения азота образуются вследствие химических процессов разложения органических остатков, при грозовых разрядах, а также биохимическим путем в результате деятельности особых бактерий -- азотобактера, непосредственно усваивающих азот из воздуха. Такой же способностью обладают клубеньковые бактерии, которые живут в корнях бобовых растений (горох, люцерна, бобы, клевер и др.).

Значительное количество азота и других питательных веществ, необходимых для развития сельскохозяйственных культур, ежегодно выносится из почвы с получаемым урожаем. Кроме того, часть питательных веществ теряется в результате вымывания их грунтовыми и дождевыми водами. Поэтому для предотвращения снижения урожайности и истощения почвы требуется пополнять ее питательными веществами путем внесения различных видов удобрений.

Известно, что почти каждое удобрение обладает физиологической кислотностью или щелочностью. В зависимости от этого оно может оказывать на почву подкисляющее или подщелачивающее действие, что учитывается при его использовании под определенные сельскохозяйственные культуры.

Удобрения, щелочные катионы которых быстрее извлекаются растениями из почвы, вызывают ее подкисление; растения, которые быстрее потребляют кислотные анионы удобрений, способствуют подщелачиванию почвы.

Азотные удобрения, содержащие катион аммония NН4 (аммиачная селитра, сульфат аммония) и амидную группу NН2 (карбамид), подкисляют почву. Подкисляющее действие аммиачной селитры слабее, чем сульфата аммония.

В зависимости от характера почвы, климатических и других условий под различные культуры требуется вносить различное количество азота.

В ассортименте азотных удобрений значительное место занимает аммиачная селитра (нитрат аммония, или азотнокислый аммоний), объем мирового производства которой исчисляется миллионами тонн в год.

В настоящее время примерно 50% азотных удобрений, применяемых в сельском хозяйстве нашей страны, приходится на долю аммиачной селитры.

Аммиачная селитра имеет ряд преимуществ перед другими азотными удобрениями. Она содержит 34--34,5% азота и в этом отношении уступает только карбамиду СО(NН2) 2, содержащему 46% азота. Другие азотные и азотсодержащие удобрения имеют значительно меньше азота (содержание азота приведено в пересчете на сухое вещество):

Таблица 1 - Содержание азота в соединениях

Аммиачная селитра является универсальным азотным удобрением, так как одновременно содержит аммиачную и нитратную формы азота. Она эффективна во всех зонах, почти под все сельскохозяйственные культуры.

Весьма важно, что формы азота аммиачной селитры используются растениями в разное время. Аммонийный азот, непосредственно участвующий в синтезе белка, быстро усваивается растениями в период роста; нитратный азот усваивается относительно медленно, поэтому действует более продолжительное время. Установлено также, что аммиачная форма азота может использоваться растениями без предварительного окисления.

Эти свойства аммиачной селитры весьма положительно сказываются на увеличении урожайности почти всех сельскохозяйственных культур.

Аммиачная селитра входит в состав большой группы устойчивых взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества на основе аммиачной селитры и аммиачная селитра чистая или обработанная некоторыми добавками применяются для взрывных работ.

Небольшое количество селитры расходуется на получение закиси азота, используемой в медицине.

Наряду с увеличением объема производства аммиачной селитры путем модернизации действующих и строительства новых производств осуществляются мероприятия по дальнейшему улучшению качества готового продукта (получение продукта 100%-ной рассыпчатости и сохранение гранул после длительного хранения продукта) .

1. Физико-химические свойства аммиачной селитры

В чистом виде аммиачная селитра представляет собой белое кристаллическое вещество, содержащее 35% азота, 60% кислорода и 5% водорода. Технический продукт -- белого цвета с желтоватым оттенком, содержит не менее 34,2% азота.

Аммиачная селитра является сильным окислителем ряда неорганических и органических соединений. С расплавами некоторых веществ она бурно реагирует вплоть до взрыва (например, с нитритом натрия NaNO2).

Если над твердой аммиачной селитрой пропускать газообразный аммиак, то быстро образуется весьма подвижная жидкость -- аммиакат 2NH4NO3*2Np или NH4NO3*3Np.

Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде, этиловом и метиловом спиртах, пиридине, ацетоне и в жидком аммиаке. С повышением температуры растворимость аммиачной селитры значительно возрастает , .

При растворении аммиачной селитры в воде поглощается большое количество тепла. Например, при растворении 1 моль кристаллической NH4NO3в 220--400 моль воды и температуре 10--15 °С происходит поглощение 6,4 ккал тепла.

Аммиачная селитра обладает свойством сублимироваться. При хранении аммиачной селитры в условиях повышенных температуры и влажности воздуха ее объем увеличивается примерно вдвое, что обычно приводит к разрыву тары.

Под микроскопом на поверхности гранул аммиачной селитры отчетливо видны поры и трещины. Повышенная пористость гранул селитры весьма отрицательно сказывается на физических свойствах готового продукта.

Аммиачная селитра отличается высокой гигроскопичностью. На открытом воздухе в тонком слое селитра весьма быстро увлажняется, теряет кристаллическую форму и начинает расплываться. Степень поглощения солью влаги из воздуха зависит от его влажности и давления паров над насыщенным раствором данной соли при данной температуре.

Между воздухом и гигроскопичной солью происходит влагообмен. Решающее влияние на этот процесс оказывает относительная влажность воздуха.

Кальциевая и известково-аммиачная селитры имеют сравнительно низкое давление водяных паров над насыщенными растворами; при определенной температуре им соответствует наиболее низкая относительная влажность воздуха. Это самые гигроскопичные соли среди указанных выше азотных удобрений. Наименее гигроскопичен сульфат аммония и практически совершенно негигроскопична калиевая селитра.

Влага поглощается только сравнительно небольшим слоем соли, непосредственно граничащим с окружающим воздухом. Однако даже такое увлажнение селитры сильно ухудшает физические свойства готового продукта. Скорость поглощения аммиачной селитрой влаги из воздуха с повышением его температуры резко увеличивается. Так, при 40 °С скорость поглощения влаги в 2,6 раза больше, чем при 23 °С.

Предложено много способов уменьшения гигроскопичности аммиачной селитры. Один из таких способов основан на смешении или сплавлении аммиачной селитры с другой солью. При выборе второй соли исходят из следующего правила: для понижения гигроскопичности давление водяных паров над насыщенным раствором смеси солей должно быть больше их давления над насыщенным раствором чистой аммиачной селитры.

Установлено, что гигроскопичность смеси двух солей, имеющих общий ион, больше, чем наиболее гигроскопичной из них (исключение составляют смеси или сплавы аммиачной селитры с сульфатом аммония и некоторые другие). Смешение же аммиачной селитры с негигроскопичными, но нерастворимыми в воде веществами (например, с известняковой пылью, фосфоритной мукой, дикальцийфосфатом и др.) не уменьшает ее гигроскопичности. Многочисленные опыты показали, что все соли, которые имеют такую же или большую растворимость в воде, чем аммиачная селитра, обладают свойством увеличивать ее гигроскопичность.

Соли же, способные уменьшать гигроскопичность аммиачной селитры, приходится добавлять в больших количествах (например, сульфат калия, хлористый калий, диаммонийфосфат), что резко снижает содержание в продукте азота.

Наиболее эффективным способом уменьшения поглощения влаги из воздуха является покрытие частиц селитры защитными пленками из не смачиваемых водой органических веществ. Защитная пленка в 3--5 раз снижает скорость поглощения влаги и способствует улучшению физических свойств аммиачной селитры.

Отрицательным свойством аммиачной селитры является ее способность слеживаться -- терять при хранении сыпучесть (рассыпчатость). При этом аммиачная селитра превращается в твердую монолитную массу, с трудом поддающуюся измельчению. Слеживаемость аммиачной селитры вызывается многими причинами.

Повышенное содержание влаги в готовом продукте. В частицах аммиачной селитры любой формы всегда содержится влага в виде насыщенного (маточного) раствора. Содержание NH4NO3 в таком растворе соответствует растворимости соли при температурах ее загрузки в тару. Во время остывания готового продукта маточный раствор часто переходит в пересыщенное состояние. При дальнейшем понижении температуры из пересыщенного раствора выпадает большое количество кристаллов размерами 0,2-- 0,3 мм. Эти новые кристаллы цементируют ранее не связанные частицы селитры, что приводит к превращению ее в плотную массу.

Низкая механическая прочность частиц селитры. Аммиачная селитра выпускается в виде частиц округлой формы (гранул), пластинок или мелких кристаллов. Частицы гранулированной аммиачной селитры имеют меньшую удельную поверхность и более правильную форму, чем чешуйчатой и мелкокристаллической, поэтому гранулы меньше слеживаются. Однако в процессе гранулирования образуется некоторое количество пустотелых частиц, отличающихся низкой механической прочностью.

При складировании мешки с гранулированной селитрой укладывают в штабеля высотой 2,5 м. Под давлением верхних мешков происходит разрушение наименее прочных гранул с образованием пылевидных частиц, которые уплотняют массу селитры, увеличивая ее слеживаемость. Практика показывает, что разрушение пустотелых частиц в слое гранулированного продукта резко ускоряет процесс его слеживания. Это наблюдается даже если при загрузке в тару продукт был охлажден до 45 °С и основная масса гранул имела хорошую механическую прочность. Установлено, что пустотелые гранулы разрушаются также вследствие рекристаллизации.

При повышении температуры окружающего воздуха гранулы селитры почти полностью теряют свою прочность, и такой продукт сильно слеживается.

Термическое разложение аммиачной селитры. Взрывоопасность. Огнестойкость. Аммиачная селитра с точки зрения взрывобезопасности относительно мало чувствительна к толчкам, трению, ударам, сохраняет устойчивость при попадании искр различной интенсивности. Примеси песка, стекла и металлические примеси не повышают чувствительности аммиачной селитры к механическим воздействиям. Она способна взрываться только под действием сильного детонатора или при термическом разложении в определенных условиях.

При продолжительном нагревании аммиачная селитра постепенно разлагается на аммиак и азотную кислоту:

NH4NO3=Np+HNO3 - 174598,32 Дж (1)

Этот процесс, протекающий с поглощением тепла, начинается при температуре выше 110°С.

При дальнейшем нагревании происходит разложение аммиачной селитры с образованием закиси азота и воды:

NH4NO3= N2О + 2Н2О + 36902,88 Дж (2)

Термическое разложение аммиачной селитры протекает по таким последовательным стадиям:

· гидролиз (или диссоциация) молекул NH4NO3;

· термическое разложение азотной кислоты, образующейся при гидролизе;

· взаимодействие двуокиси азота и аммиака, образующихся на первых двух стадиях.

При интенсивном нагревании аммиачной селитры до 220--240 °С ее распад может сопровождаться вспышками расплавленной массы.

Весьма опасен нагрев аммиачной селитры в замкнутом объеме или в объеме с ограниченным выходом газов, образующихся при термическом разложении селитры.

В этих случаях разложение аммиачной селитры может протекать по многим реакциям, в частности, по следующим:

NH4NO3 = N2+2Н2О + Ѕ 02 + 1401,64 Дж/кг (3)

2NH4NO3 = N2 +2NO+ 4Н20 + 359,82 Дж/кг (4)

ЗNH4NO3= 2N2 + N0 + N02 + 6Н20 + 966,50 Дж/кг (5)

Из приведенных выше реакций видно, что аммиак, образующийся в начальный период термического разложения селитры, часто отсутствует в газовых смесях; в них протекают вторичные реакции, в ходе которых аммиак полностью окисляется до элементарного азота. В результате вторичных реакций резко увеличивается давление газовой смеси в замкнутом объеме и процесс разложения может закончиться взрывом.

Медь, сульфиды, магний, колчедан и некоторые другие примеси активируют процесс разложения аммиачной селитры при ее нагревании. В результате взаимодействия этих веществ с нагретой селитрой образуется неустойчивый нитрит аммония, который при 70--80 °С бурно разлагается со взрывом:

NH4NO3=N2+ 2Н20 (6)

С железом, оловом и алюминием аммиачная селитра не реагирует даже в расплавленном состоянии.

С повышением влажности и увеличением размера частиц аммиачной селитры чувствительность ее к взрыву сильно уменьшаетcя. В присутствии примерно 3% влаги селитра становится нечувствительной к взрыву даже при действии сильного детонатора.

Термическое разложение аммиачной селитры с повышением давления до определенного предела усиливается. Установлено, что при давлении около 6 кгс/см2 и соответствующей температуре происходит распад всей расплавленной селитры.

Решающее значение для уменьшения или предотвращения термического разложения аммиачной селитры имеет поддержание щелочной среды при упаривании растворов. Поэтому в новой технологической схеме производства неслеживающейся аммиачной селитры целесообразно добавлять к горячему воздуху небольшое количество аммиака.

Учитывая, что в определенных условиях аммиачная селитра может являться взрывоопасным продуктом, в процессе ее производства, при хранении и перевозке следует строго соблюдать установленный технологический режим и правила по технике безопасности.

Аммиачная селитра относится к негорючим продуктам. Поддерживает горение только закись азота, образующаяся при термическом разложении соли.

Смесь аммиачной селитры с измельченным древесным углем при сильном нагревании способна самовоспламеняться. Некоторые легко окисляемые металлы (например, порошкообразный цинк) в контакте с влажной аммиачной селитрой при небольшом нагреве также могут вызвать ее воспламенение. В практике наблюдались случаи самопроизвольного воспламенения смесей аммиачной селитры с суперфосфатом.

Бумажные мешки или деревянные бочки, в которых находилась аммиачная селитра, могут загораться даже под действием солнечных лучей. При возгорании тары с аммиачной селитрой возможно выделение окислов азота и паров азотной кислоты. При пожарах, возникающих от открытого пламени или вследствие детонации, аммиачная селитра расплавляется и частично разлагается. В глубину массы селитры пламя не распространяется , .

2 . Методы производства

аммиачный селитра нейтрализация кислота

В промышленности широко применяется только метод получения аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и разбавленной азотной кислоты.

Производство аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты является многостадийным. В связи с этим пытались получать аммиачную селитру непосредственно из аммиака, окислов азота, кислорода и паров воды по реакции

4Np + 4NO2 + 02 + 2Н20 = 4NH4NO3 (7)

Однако от этого способа пришлось отказаться, так как наряду с аммиачной селитрой образовывался нитрит аммония -- неустойчивый и взрывоопасный продукт.

В производство аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты внедрен ряд усовершенствований, которые позволили сократить капитальные затраты на строительство новых установок и уменьшить себестоимость готового продукта.

Для коренного усовершенствования производств аммиачной селитры потребовалось отказаться от сложившихся в течение многих лет представлений о невозможности работать без соответствующих резервов основного оборудования (например, выпарных аппаратов, грануляционных башен и др.), об опасности получения для гранулирования почти безводного плава аммиачной селитры.

В России и за рубежом твердо установлено, что только строительство агрегатов большой мощности, с использованием современных достижений науки и техники, может дать существенные экономические преимущества по сравнению с действующими производствами аммиачной селитры.

Значительное количество аммиачной селитры в настоящее время производится из отходящих аммиаксодержащих газов некоторых систем синтеза карбамида. По одному из способов его производства на 1 т карбамида получается от 1 до 1,4 т аммиака. Из такого количества аммиака можно выработать 4,6--6,5 т аммиачной селитры. Хотя работают и более совершенные схемы синтеза карбамида, аммиаксодержащие газы -- отходы этого производства--еще некоторое время будут служить сырьем для получения аммиачной селитры.

Способ производства аммиачной селитры из аммиаксодержащих газов отличается от способа ее получения из газообразного аммиака только на стадии нейтрализации.

В небольших количествах аммиачную селитру получают путем обменного разложения солей (конверсионные способы).

Эти способы получения аммиачной селитры основываются на выпадении одной из образующихся солей в осадок или на получении двух солей с разной растворимостью в воде. В первом случае растворы аммиачной селитры отделяют от осадков на вращающихся фильтрах и перерабатывают в твердый продукт по обычным схемам. Во втором случае растворы упаривают до определенной концентрации и разделяют их дробной кристаллизацией, которая сводится к следующему: при охлаждении горячих растворов выделяют большую часть аммиачной селитры в чистом виде, затем в отдельной аппаратуре проводят кристаллизацию из маточных растворов с получением загрязненного примесями продукта.

Все способы получения аммиачной селитры обменным разложением солей сложны, связаны с большим расходом пара и потерей связанного азота. Их обычно применяют в промышленности только в случае необходимости утилизации соединений азота, получаемых как побочные продукты.

Современный способ производства аммиачной селитры из газообразного аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты непрерывно совершенствуется.

3 . Основные стадии производства аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты

Процесс производства аммиачной селитры состоит из следующих основных стадий:

1. Получение растворов аммиачной селитры нейтрализацией азотной кислоты газообразным аммиаком или аммиаксодержащими газами.

2. Упаривание растворов аммиачной селитры до состояния плава.

3. Кристаллизация из плава соли в виде частиц округлой формы (гранул), чешуек (пластинок) и мелких кристаллов.

4. Охлаждение или сушка соли.

5. Упаковка в тару готового продукта.

Для получения малослеживающейся и водоустойчивой аммиачной селитры кроме указанных стадий необходима еще стадия приготовления соответствующих добавок.

3.1 П олучение растворов аммиачной селитры

3.1.1 Основы процесса нейтрализации

Растворы аммиачной селит ры получают в результате взаимодействия аммиака с азотной кислотой по реакции:

4NН3 + НNO3 = NН4NO3 + Q Дж (8)

Образование аммиачной селитры протекает необратимо и сопровождается выделением тепла. Количество тепла, выделяющегося при реакции нейтрализации, зависит от концентрации применяемой азотной кислоты и ее температуры, а также от температуры газообразного аммиака (или аммиаксодержащих газов). Чем выше концентрация азотной кислоты, тем больше выделяется тепла. При этом происходит испарение воды, что позволяет получать более концентрированные растворы аммиачной селитры. Для получения растворов аммиачной селитры применяют 42--58%-ную азотную кислоту.

Применение азотной кислоты концентрацией выше 58% для получения растворов аммиачной селитры при существующем оформлении процесса не представляется возможным, так как в этом случае в аппаратах-нейтрализаторах развивается температура, значительно превышающая температуру кипения азотной кислоты, что может привести к ее разложению с выделением окислов азота. При упаривании растворов аммиачной селитры за счет тепла реакции в аппаратах-нейтрализаторах образуется соковый пар, имеющий температуру 110--120 °С ,.

При получении растворов аммиачной селитры максимально возможной концентрации требуются относительно небольшие теплообменные поверхности выпарных аппаратов, и на дальнейшее упаривание растворов расходуется малое количество свежего пара. В связи с этим вместе с исходным сырьем стремятся подводить в нейтрализатор дополнительное количество тепла, для чего подогревают соковым паром аммиак до 70 °С и азотную кислоту до 60 °С (при более высокой температуре азотной кислоты происходит значительное ее разложение, и трубы подогревателя подвергаются сильной коррозии, если они изготовлены не из титана).

Применяемая в производстве аммиачной селитры азотная кислота должна содержать не более 0,20% растворенных окислов азота. Если кислота недостаточно продута воздухом для удаление растворенных окислов азота, они образуют с аммиаком нитрит аммония, быстро разлагающийся на азот и воду. При этом потери азота могут составить около 0,3 кг на 1 т готового продукта.

В соковом паре, как правило, содержатся примеси NН3, NHО3 и NН4NO3. Количество этих примесей сильно зависит от стабильности давлений, при которых должны подаваться в нейтрализатор аммиак и азотная кислота. Для поддержания заданного давления азотную кислоту подают из напорного бака, снабженного переливной трубой, а газообразный аммиак -- с помощью регулятора давления.

Нагрузка нейтрализатора также в значительной степени определяет потери связанного азота с соковым паром. При нормальной нагрузке потери с конденсатом сокового пара не должны превышать 2 г/л (в пересчете на азот). При превышении нагрузки нейтрализатора между аммиаком и парами азотной кислоты протекают побочные реакции, в результате которых в газовой фазе образуется, в частности, туманообразная аммиачная селитра, загрязняющая соковый пар, и увеличиваются потери связанного азота. Получаемые в нейтрализаторах растворы аммиачной селитры накапливаются в промежуточных емкостях с мешалками, донейтрализуются аммиаком или азотной кислотой, после чего направляется на упаривание.

3.1.2 Характеристика нейтрализационных установок

В зависимости от применя емого давления современные установки для получения растворов аммиачной селитры с использованием тепла нейтрализации подразделяются на установки, работающие при атмосферном давлении; при разрежении (вакууме); при повышенном давлении (несколько атмосфер) и на комбинированные установки, работающие под давлением в зоне нейтрализации и при разрежении в зоне отделения соковых паров от раствора (плава) аммиачной селитры.

Установки, работающие при атмосферном или небольшом избыточном давлении, отличаются простотой технологии и конструктивного оформления. Они также легко обслуживаются, пускаются в работу и останавливаются; случайные нарушения заданного ре-жима работы обычно быстро устраняются. Установки такого типа получили наиболее широкое распространение. Основным аппаратом этих установок является аппарат-нейтрализатор ИТН (использование тепла нейтрализации). Аппарат ИТН работает под абсолютным давлением 1,15--1,25 атм. Конструктивно он оформлен таким образом, что почти не происходит вскипания растворов- с образованием туманообразной аммиачной селитры.

Наличие циркуляции в аппаратах ИТН исключает перегрев в зоне реакции, что позволяет проводить процесс нейтрализации с минимальными потерями связанного азота.

В зависимости от условий работы производства аммиачной селитры соковый пар аппаратов ИТН используется для предварительного упаривания растворов селитры, для испарения жидкого аммиака, подогрева азотной кислоты и газообразного аммиака, направляемых в аппараты ИТН, и для испарения жидкого аммиака при получении газообразного аммиака, применяемого в производстве разбавленной азотной кислоты.

Растворы аммиачной селитры из аммиаксодержащих газов получают на установках, основные аппараты которых работают при разрежении (испаритель) и при атмосферном давлении (скруббер-нейтрализатор). Такие установки громоздки и в них трудно поддерживать стабильный режим работы вследствие непостоянства состава аммиаксодержащих газов. Последнее обстоятельство отрицательно сказывается на точности регулирования избытка азотной кислоты, в результате чего в получаемых растворах аммиачной селитры часто содержится повышенное количество кислоты или аммиака.

Установки нейтрализации, работающие под абсолютным давлением 5--6 атм., мало распространены. Они требуют значительного расхода электроэнергии для сжатия газообразного аммиака и подачи в нейтрализаторы азотной кислоты под давлением. Кроме того, на этих установках возможны повышенные потери аммиачной селитры вследствие уноса брызг растворов (даже в сепараторах сложной конструкции брызги не удается полностью улавливать).

В установках, основанных на комбинированном методе, сочетаются процессы нейтрализации азотной кислоты аммиаком и получения плава аммиачной селитры, который можно непосредственно направлять на кристаллизацию (т. е. из таких установок исключаются выпарные аппараты для концентрирования растворов селитры). Для установок такого типа требуется 58--60%-ная азотная кислота, которую промышленность выпускает пока сравнительно в небольших количествах. Кроме того, часть аппаратуры должна быть выполнена из дорогостоящего титана. Процесс нейтрализации с получением плава селитры приходится проводить при весьма высоких температурах (200--220 °С). Учитывая свойства аммиачной селитры, для осуществления процесса при высоких температурах необходимо создать особые условия, предотвращающие термическое разложение плава селитры.

3.1.3 Установки нейтрализации, работающие при атмосферном давлении

В состав этих установок вхо дят аппараты-нейтрализаторы ИТН (использование теплоты нейтрализации) и вспомогательная аппаратура.

На рисунке 1 изображена одна из конструкций аппарата ИТН, применяемая на многих действующих производствах аммиачной селитры.

З1 - завихритель; ВС1 - внешний сосуд (резервуар); ВЦ1 - внутренний цилиндр (нейтрализационная часть); У1 - устройство для распределения азотной кислоты; Ш1 - штуцер для слива растворов; О1 - окна; У2 - устройство для распределения аммиака; Г1 - гидрозатвор; С1 - сепаратор-ловушка

Рисунок 1 - Аппарат-нейтрализатор ИТН с естественной циркуляцией растворов

Аппарат ИТН представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд (резервуар) 2, в котором помещен цилиндр (стакан) 3 с полками 1 (завихритель) для улучшения смешения растворов. В цилиндр 3 подведены трубопроводы для ввода азотной кислоты и газообразного аммиака (реагенты подаются противотоком); трубы заканчиваются устройствами 4 и 7 для лучшего распределения кислоты и газа. Во внутреннем цилиндре происходит взаимодействие азотной кислоты с аммиаком. Этот цилиндр носит название нейтрализационной камеры.

Кольцевое пространство между сосудом 2 и цилиндром 3 служит для циркуляции кипящих растворов аммиачной селитры. В нижней части цилиндра имеются отверстия 6 (окна), соединяющие нейтрализационную камеру с испарительной частью ИТН. Из-за наличия этих отверстий производительность аппаратов ИТН несколько снижается, зато достигается интенсивная естественная циркуляция растворов, что приводит к уменьшению потерь связанного азота.

Выделяющийся из раствора соковый пар отводится через штуцер в крышке аппарата ИТН и через ловушку-сепаратор 9. Образующиеся в цилиндре 3 растворы селитры в виде эмульсии -- смеси с соковым паром поступают в сепаратор через гидрозатвор 5. Из штуцера нижней части ловушки-сепаратора растворы аммиачной селитры направляются в донейтрализатор-мешалку для дальнейшей обработки. Гидрозатвор, имеющийся в испарительной части аппарата, позволяет поддерживать в нем постоянный уровень раствора и препятствует выходу сокового пара без промывки от увлекаемых им брызг раствора.

Паровой конденсат образуется на тарелках сепаратора вследствие частичной конденсации сокового пара. При этом теплота конденсации отводится оборотной водой, проходящей по змеевикам, уложенным на тарелках. В результате частичной конденсации сокового пара получается 15--20%-ный раствор NН4NO3, который направляется на упаривание вместе с основным потоком раствора аммиачной селитры.

На рисунке 2 представлена схема одной из установок нейтрализации, работающих при давлении, близком к атмосферному.

НБ1 - напорный бак; С1 - сепаратор; И1 - испаритель; П1 - подогреватель; СК1 - сборник для конденсата; ИТН1 - аппарат ИТН; М1 - мешалка; ЦН1 - центробежный насос

Рисунок 2 - Схема установки нейтрализации, работающей при атмосферном давлении

Чистая или с добавками азотная кислота подается в напорный бак снабженный постояннодействующим переливом избытка кислоты в хранилище.

Из напорного бака 1 азотная кислота направляется непосредственно в стакан аппарата ИТН 6 или через подогреватель (на рисунке не показан), где нагревается теплом сокового пара, отводимого через сепаратор 2.

Газообразный аммиак поступает в испаритель 3 жидкого аммиака, затем в подогреватель 4, где нагревается теплом вторичного пара из расширителя или горячим конденсатом греющего пара выпарных аппаратов, и далее направляется по двум параллельным трубам в стакан аппарата ИТН 6.

В испарителе 3 брызгоунос жидкого аммиака испаряется и происходит отделение загрязнений, обычно сопутствующих газообразному аммиаку. При этом образуется слабая аммиачная вода с примесью смазочного масла и катализаторной пыли цеха синтеза аммиака.

Получаемый в нейтрализаторе раствор аммиачной селитры через гидравлический затвор и брызгоуловитель-ловушку непрерывно поступает в мешалку-донейтрализатор 7, откуда после нейтрализации избыточной кислоты направляется на упаривание.

Выделяющийся в аппарате ИТН соковый пар, пройдя сепаратор 2, направляется для использования в качестве греющего пара в выпарные аппараты первой ступени.

Конденсат сокового пара из подогревателя 4 собирается в сборнике 5, откуда расходуется на разные производственные нужды.

Перед пуском нейтрализатора выполняются подготовительные работы, предусмотренные в рабочих инструкциях. Отметим только некоторые из подготовительных работ, связанных с нормальным ведением процесса нейтрализации и с обеспечением техники безопасности.

Прежде всего, требуется залить в нейтрализатор раствор аммиачной селитры или паровой конденсат до пробоотборного краника.

Затем необходимо наладить непрерывную подачу азотной кислоты в напорный бак и ее перелив в складское хранилище склада. После этого требуется принять газообразный аммиак из цеха синтеза аммиака, для чего необходимо на короткое время открыть задвижки на линии отвода в атмосферу сокового пара и вентиль выхода раствора в мешалку-донейтрализатор. Этим предупреждается создание в аппарате ИТН повышенного давления и образование небезопасной аммиачно-воздушной смеси при пуске аппарата.

В этих же целях до пуска нейтрализатор и взаимосвязанная с ним коммуникация продуваются паром.

После достижения нормального режима работы соковый пар из аппарата ИТН направляется на использование в качестве греющего пара,].

3.1.4 Установки нейтрализации, работающие при разрежении

Совместная переработка амм иаксодержащих газов и газообразного аммиака нецелесообразна, так как связана с большими потерями аммиачной селитры, кислоты и аммиака из-за наличия в аммиаксодержащих газах значительного количества примесей (азот, метан, водород и др.)- Эти примеси, барботируя через образующиеся кипящие растворы аммиачной селитры, уносили бы с соковым паром связанный азот. Кроме того, соковый пар, загрязненный примесями, нельзя было бы использовать в качестве греющего пара. Поэтому аммиаксодержащие газы, как правило, перерабатывают отдельно от газообразного аммиака.

В установках, работающих при разрежении, использование тепла реакции осуществляется вне нейтрализатора-- в вакуум-испарителе. Здесь горячие растворы аммиачной селитры, поступающие из нейтрализатора, кипят при температуре, соответствующей вакууму в аппарате. В состав таких установок входят: нейтрализатор скрубберного типа, вакуум-испаритель и вспомогательное оборудование.

На рисунке 3 представлена схема установки нейтрализации, работающей с применением вакуум-испарителя.

НР1 - нейтральзатор скрубберного типа; Н1 - насос; В1 - вакуум-испаритель; В2 - вакуум-сепаратор; НБ1 - напорный бак азотной кислоты; Б1 - бак (затворсмеситель); П1 - промыватель; ДН1 - донейтрализатор

Рисунок 3 - Схема установки нейтрализации с вакуум-испарителем

Аммиаксодержащие газы при температуре 30--90 °С под давлением 1,2--1,3 атм подаются в нижнюю часть скруббера-нейтрализатора 1. В верхнюю часть скруббера из бака- затвора 6 поступает циркуляционный раствор селитры, в который обычно непрерывно подается из бака 5 азотная кислота, иногда предварительно нагретая до температуры не выше 60 °С. Процесс нейтрализации проводится при избытке кислоты в пределах 20-50 г/л. В скруббере 1 обычно поддерживается температура на 15--20 °С ниже температуры кипения растворов, что позволяет предотвращать разложение кислоты и образование тумана аммиачной селитры. Заданная температура поддерживается благодаря орошению скруббера раствором из вакуум-испарителя, который работает при разрежении 600 мм рт. ст., поэтому раствор в нем имеет более низкую температуру, чем в скруббере.

Получаемый в скруббере раствор селитры засасывается в вакуум-испаритель 5, где при разрежении 560--600 мм рт. ст. происходит частичное испарение воды (упаривание) и повышение концентрации раствора.

Из вакуум-испарителя раствор стекает в бак-гидрозатвор 6, откуда большая его часть снова поступает на орошение скруббера 1, а остальное количество направляется в донейтрализатор 8. Соковый пар, образующийся в вакуум-испарителе 3, через вакуум-сепаратор 4 направляется в поверхностный конденсатор (на рисунке не показан) или в конденсатор смесительного типа. В первом случае конденсат сокового пара используется в производстве азотной кислоты, во втором -- для различных других целей. Разрежение в вакуум-испарителе создается благодаря конденсации сокового пара. Несконденсировавшиеся пары и газы отсасываются из конденсаторов вакуум-насосом и отводятся в атмосферу.

Отработанные газы из скруббера 1 поступают в аппарат 7, где промываются конденсатом для удаления капель раствора селитры, после чего также удаляются в атмосферу. В мешалке-донейтрализаторе растворы нейтрализуются до содержания 0,1--0,2 г/л свободного аммиака и вместе с потоком раствора селитры, полученного в аппаратах ИТН, направляются на упаривание.

На рисунке 4 представлена более совершенная схема вакуум-нейтрализации.

ХК1 - холодильник-конденсатор; СН1 - скруббер-нейтрализатор; С1, С2 - сборники; ЦН1, ЦН2, ЦН3 - центробежные насосы; П1 - промыватель газов; Г1 - гидрозатвор; Л1 - ловушка; В1 - вакуум-испаритель; БД1 - бак-донейтрализатор; В2 - вакуум-насос; П2 - промыватель сокового аппарата; К1 - конденсатор поверхностный

Рисунок 4 - Схема вакуум-нейтрализации:

Газы дистилляции направляются в нижнюю часть скруббера нейтрализатора 2, орошаемого раствором из сборника 3 с помощью циркуляционного насоса 4.

В сборник 3 через гидрозатвор 6 поступают растворы из скруббера-нейтрализатора 2, а также растворы после ловушки вакуум-испарителя 10 и промывателя сокового пара 14.

Через напорный бак (на рисунке не показан) азотная кислота раствор из промывателя газов 5, орошаемого конденсатом сокового пара, непрерывно поступают в сборник 7. Отсюда растворы циркуляционным насосом 8 подаются в промыватель 5, пройдя который возвращаются в сборник 7.

Горячие газы после промывателя 5 охлаждаются в холодильнике-конденсаторе 1 и выбрасываются в атмосферу.

Горячие растворы аммиачной селитры из гидрозатвора 6 засасываются с помощью вакуум-насоса 13 в вакуум-испаритель 10, где концентрация NH4NO3 увеличивается на несколько процентов.

Выделяющиеся в вакуум-испарителе 10 соковые пары, пройдя ловушку 9, промыватель 14 и поверхностный конденсатор 15, вакуум-насосом 13 выбрасываются в атмосферу.

Раствор аммиачной селитры с заданной кислотностью отводится из нагнетательной линии насоса 4 в бак-донейтрализатор. Здесь раствор нейтрализуется газообразным аммиаком и насосом 12 направляется на выпарную станцию.

3.1. 5 Основное оборудование

Нейтрализаторы ИТН. Применяется несколько типов нейтрализаторов, отличающихся главным образом размерами и конструкцией устройств для распределения аммиака и азотной кислоты внутри аппарата. Часто применяются аппараты следующих размеров: диаметр 2400 мм, высота 7155 мм, стакан -- диаметр 1000 мм, высота 5000 мм. Эксплуатируются также аппараты диаметром 2440 мм и высотой 6294 мм и аппараты, из которых удалена ранее предусмотренная мешалка (рисунок 5).

ЛК1 - люк; П1 - полки; Л1 - линия для отбора проб; Л2 - линия вывода растворов; ВС1 - внутренний стакан; С1 - сосуд внешний; Ш1 - штуцер для слива растворов; Р1 - распределитель аммиака; Р2 - распределитель азотной кислоты

Рисунок 5 - Аппарат-нейтрализатор ИТН

В отдельных случаях для переработки небольших количеств аммиаксодержащих газов используются аппараты ИТН диаметром 1700 мм и высотой 5000 мм.

Подогреватель газообразного аммиака -- кожухотрубный аппарат из углеродистой стали. Диаметр корпуса 400--476 мм, высота 3500--3280 мм. Трубчатка часто состоит из 121 трубки (диаметр трубки 25x3 мм) с общей поверхностью теплообмена 28 м2. Газообразный аммиак поступает в трубки, а греющий пар или горячий конденсат -- в межтрубное пространство.

Если для обогрева применяется соковый пар из аппаратов ИТН, то подогреватель выполняется из нержавеющей стали 1Х18Н9Т.

Испаритель жидкого аммиака представляет собой аппарат из углеродистой стали, в нижней части которого расположен паровой змеевик, а в средней -- тангенциальный ввод газообразного аммиака.

В большинстве случаев испаритель работает на свежем паре давлением (избыточным) 9 атм. Внизу испарителя аммиака имеется штуцер для периодической продувки от накапливающихся загрязнений.

Подогреватель азотной кислоты -- кожухотрубный аппарат диаметром 400 мм, длиной 3890 мм. Диаметр трубок 25x2 мм, длина 3500 мм; общая поверхность теплообмена 32 м2. Обогрев ведется соковым паром абсолютным давлением 1,2 атм.

Нейтрализатор скрубберного типа -- вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1800--2400 мм, высотой 4700--5150 мм. Применяются также аппараты диаметром 2012 мм и высотой 9000 мм. Внутри аппарата для равномерного распределения циркуляционных растворов по сечению расположено несколько дырчатых тарелок или насадка из керамических колец. В верхней части аппаратов, оборудованных тарелками, уложен слой колец размерами 50x50x3 мм, являющийся отбойником брызг растворов.

Скорость газов в свободном сечении скруббера при диаметре 1700 мм и высоте 5150 мм составляет около 0,4 м/сек. Орошение аппарата скрубберного типа растворами осуществляется при помощи центробежных насосов производительностью 175--250 м3/ч.

Вакуум-испаритель -- вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1000--1200 мм и высотой 5000--3200 мм. Насадка -- керамические кольца размерами 50x50x5 мм, уложенные правильными рядами.

Промыватель газа -- вертикальный цилиндрический аппарат из нержавеющей стали диаметром 1000 мм, высотой 5000 мм. Насадка-- керамические кольца размерами 50x50x5 мм.

Мешалка-донейтрализатор -- цилиндрический аппарат с мешалкой, вращающейся со скоростью 30 об/мин. Привод осуществляется от электродвигателя через редуктор (рисунок 6).

Ш1 - штуцер для установки измерителя уровня; В1 - воздушник; Э1 - электродвигатель; Р1 - редуктор; ВМ1 - вал мешалки; Л1 - лаз

Рисунок 6 - Мешалка-донейтрализатор

Диаметр часто применяемых аппаратов 2800 мм, высота 3200 мм. Они работают под атмосферным давлением, служат для донейтрализации растворов аммиачной селитры и в качестве промежуточных емкостей для растворов, направляемых на упаривание.

Поверхностный конденсатор -- вертикальный кожухотрубный двухходовой (по воде) теплообменник, предназначенный для конденсации сокового пара, поступающего из вакуум-испарителя. Диаметр аппарата 1200 мм, высота 4285 мм; поверхность теплопередачи 309 м2. Он работает при разрежении примерно 550-- 600 мм рт. ст.; имеет трубки: диаметр 25x2 мм, длина 3500 м общее число 1150 шт.; вес такого конденсатора -- около 7200 Кг

В отдельных случаях для ликвидации выбросов в атмосферу сокового пара, сбрасываемого при продувках из выпарных аппаратов, ловушек аппаратов ИТН и гидрозатворов, устанавливается поверхностный конденсатор со следующей характеристикой: диаметр корпуса 800 мм, высота 4430 мм, общее количество трубок 483 шт., диаметр 25x2, общая поверхность 125 м2.

Вакуум-насосы. Применяются разные типы насосов. Насос типа ВВН-12 имеет производительность 66 м3/ч, скорость вращения вала 980 об/мин. Насос предназначен для создания вакуума в вакуум-нейтрализационной установке.

Центробежные насосы. Для циркуляции раствора аммиачной селитры на установке вакуум-нейтрализации часто применяются насосы марки 7ХН-12 производительностью 175--250 м3/ч. Установочная мощность электродвигателя 55 квт .

4 . Материальные и энергетические расчеты

Произведем расчет материального и теплового баланса процесса. Расчеты нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком выполняю на 1 т продукта. Исходные данные беру из таблицы 2, используя методику пособий , , .

Принимаем, что процесс нейтрализации будет протекать в следующих условиях:

Начальная температура, °С

газообразного аммиака...........................................................................50

азотной кислоты......................................................................................20

Таблица 2 - Исходные данные

Материальный расчет

1 Для получения 1 т селитры по реакции:

Np+HNO3=NH4NO3 +Q Дж (9)

теоретически требуется следующее количество сырья (в кг):

17 - 80 х = 1000*17/80 = 212,5

азотной кислоты

63 - 80 х = 1000*63/80 = 787,5

Где 17, 63 и 80 - молекулярные массы аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры соответственно.

Практический расход Np и HNO3 несколько выше теоретического, так как в процессе нейтрализации неизбежны потери реагентов с соковым паром через неплотности коммуникаций вследствие небольшого разложения реагирующих компонентов и селитры и т.д.

2. Определим количество аммиачной селитры в товарном продукте: 0,98*1000=980 кг/ч

980/80=12,25 кмоль/ч,

а также количество воды:

1000-980=20 кг/ч

3. Рассчитаю расход азотной кислоты (100%-ной) на получение 12,25 кмоль/ч селитры. По стехиометрии ее расходуется столько же (кмоль/ч), сколько образовалось селитры: 12,25 кмоль/ч, или 12,25*63=771, 75 кг/ч

Поскольку в условиях задана полная (100%-ная) конверсия кислоты, это и будет ее поданное количество.

В процессе участвует разбавленная кислота - 60%-ная:

771,75/0,6=1286,25 кг/ч,

в том числе воды:

1286,25-771,25=514,5 кг/ч

4. Аналогично, расход аммиака (100%-ного) на получение 12,25 кмоль/ч, или 12,25*17=208,25 кг/ч

В пересчете на 25%-ную аммиачную воду это составит 208,25/0,25= 833 кг/ч, в том числе воды 833-208,25=624,75 кг/ч.

5. Найду общее количество воды в нейтрализаторе, поступившее с реагентами:

514,5+624,75=1139,25 кг/ч

6. Определим количество водяного пара, образовавшегося про упаривании раствора селитры (20 кг/ч остается в товарном продукте): 1139,25 - 20=1119,25 кг/ч.

7. Составим таблицу материального баланса процесса производства аммиачной селитры.

Таблица 3 - Материальный баланс процесса нейтрализации

8. Рассчитаем технологически показатели.

· теоретические расходные коэффициенты:

по кислоте - 63/80=0,78 кг/кг

по аммиаку - 17/80=0,21 кг/кг

· фактические расходные коэффициенты:

по кислоте - 1286,25/1000=1,28 кг/кг

по аммиаку - 833/1000=0,83 кг/кг

В процессе нейтрализации проходила только одна реакция, конверсия сырья равняла 1 (т.е. произошло полное превращение),потери отсутствовали, значит фактически выход равен теоретическому:

Qф/Qт*100=980/980*100=100%

Энергетический расчет

Приход тепла. В процессе нейтрализации приход тепла складывается из тепла, вносимого аммиаком и азотной кислотой, и тепла, выделяющегося при нейтрализации.

1. Тепло, вносимое газообразным аммиаком, составляет:

Q1=208,25*2,18*50=22699,25 кДж,

где 208,25 - расход аммиака, кг/ч

2,18 - теплоемкость аммиака, кДж/(кг*°С)

50 - температура аммиака, °С

2. Тепло вносимое азотной кислотой:

Q2=771,75*2,76*20=42600,8 кДж,

где 771,25 - расход азотной кислоты, кг/ч

2,76 - теплоемкость азотной кислоты, кДж/(кг*°С)

20 - температура кислоты, °С

3. Теплоту нейтрализации предварительно рассчитывают на 1 моль образующейся аммиачной селитры по уравнению:

HNO3*3,95pO(жидк) +Np(газ) =NH4NO3*3,95pO(жидк)

где HNO3*3,95pO соответствует азотной кислоте.

Тепловой эффект Q3 этой реакции находим из следующих величин:

а) теплота растворения в воде азотной кислоты:

HNO3+3,95 pO=HNO3*3,95pO (10)

б) теплота образования твердого NH4NO3 из 100%-ной азотной кислоты и 100%-ного аммиака:

HNO3 (жидк) +Np(газ) =NH4NO3(тв) (11)

в) теплота растворения аммиачной селитры в воде с учетом расхода реакционного тепла на упаривание получаемого раствора от 52,5% (NH4NO3 *pO) до 64% (NH4NO3 *2,5pO)

NH4NO3 +2,5pO= NH4NO3*2,5pO, (12)

где NH4NO3*4pO соответствует концентрации 52,5% NH4NO3

Величина NH4NO3*4pO рассчитывается из соотношения

80*47,5/52,5*18=4pO,

где 80 - молярный вес NH4NO3

47,5 - концентрация HNO3 , %

52,5 - концентрация NH4NO3 , %

18 - молярный вес pO

Аналогично рассчитывается величина NH4NO3*2,5pO, соответствующая 64%-ному раствору NH4NO3

80*36/64*18=2,5pO

По реакции (10) теплота растворения q азотной кислоты в воде равна 2594,08 Дж/моль. Для определения теплового эффекта реакции (11) требуется из теплоты образования нитрата аммония вычесть сумму теплот образования Np(газ) и HNO3 (жидк).

Теплота образования этих соединений из простых веществ при 18°С и 1 атм имеет следующие значения (в Дж/моль):

Np(газ):46191,36

HNO3 (жидк):174472,8

NH4NO3(тв):364844,8

Общий тепловой эффект химического процесса зависит только от теплот образования исходных взаимодействующих веществ и конечных продуктов. Из этого следует, что тепловой эффект реакции (11) составит:

q2=364844,8-(46191,36+174472,8)=144180,64 Дж/моль

Теплота q3 растворения NH4NO3 по реакции (12) равна 15606,32 Дж/моль.

Растворение NH4NO3 в воде протекает с поглощение тепла. В связи с этим теплота растворения принимается в энергетическом балансе со знаком минус. Концентрирование же раствора NH4NO3 протекает соответственно с выделением тепла.

Таким образом, тепловой эффект Q3 реакции

HNO3 +*3,95pO(жидк)+ Np(газ) =NH4NO3*2,5pO(жидк)+1.45 pO(пар)

составит:

Q3=q1+q2+q3= -25940,08+144180,64-15606,32=102633,52 Дж/моль

При выработке 1 т аммиачной селитры тепло реакции нейтрализации составит:

102633,52*1000/80=1282919 кДж,

где 80 - молекулярный вес NH4NO3

из приведенных выше расчетов видно, что суммарный приход тепла составит: с аммиаком 22699,25, с азотной кислотой 42600,8, за счет тепла нейтрализации 1282919 и всего 1348219,05 кДж.

Расход тепла. При нейтрализации азотной кислоты аммиаком тепло отводится из аппарата получаемым раствором аммиачной селитры, расходуется на испарение воды из этого раствора и теряется в окружающую среду.

Количество тепла, уносимого раствором аммиачной селитры, составляет:

Q=(980+10)*2,55 tкип,

где 980 - количество раствора аммиачной селитры, кг

10 - потери Np и HNO3 ,кг

tкип - температура кипения раствора аммиачной селитры, °С

Температуру кипения раствора аммиачной селитры определяем при абсолютном давлении в нейтрализаторе 1,15 - 1,2 атм; этому давлению соответствует температура насыщенного водяного пара 103 °С. при атмосферном же давлении температура кипения раствора NH4NO3 составляет 115,2 °С. температурная депрессия равна:

T=115,2 - 100=15,2 °С

Вычисляем температуру кипения 64%-ного раствора NH4NO3

tкип = tнас. пара+?t*з =103+15,2*1,03 = 118,7 °С,

Подобные документы

Характеристика выпускаемой продукции, исходного сырья и материалов для производства. Технологический процесс получения аммиачной селитры. Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком и выпаривание до состояния высококонцентрированного плава.

курсовая работа , добавлен 19.01.2016


Автоматизация производства гранулированной аммиачной селитры. Контуры стабилизации давления в линии подачи сокового пара и регулирования температуры конденсата пара из барометрического конденсатора. Контроль давления в линии отвода к вакуум-насосу.

курсовая работа , добавлен 09.01.2014


Аммиачная селитра как распространённое и дешёвое азотное удобрение. Обзор существующих технологических схем его производства. Модернизация производства аммиачной селитры с получением сложного азотно-фосфатного удобрения на ОАО "Череповецкий "Азот".

дипломная работа , добавлен 22.02.2012


Описания грануляторов для гранулирования и смешивания сыпучих материалов, увлажненных порошков и паст. Производство комплексных удобрений на основе аммиачной селитры и карбамида. Упрочнение связей между частицами сушкой, охлаждением и полимеризацией.

курсовая работа , добавлен 11.03.2015


Назначение, устройство и функциональная схема аммиачной холодильной установки. Построение в термодинамической диаграмме цикла для заданного и оптимального режимов. Определение холодопроизводительности, потребляемой мощности и расхода электроэнергии.

контрольная работа , добавлен 25.12.2013


Сущность процесса сушки и описание его технологической схемы. Барабанные атмосферные сушилки, их строение и основной расчёт. Параметры топочных газов, подаваемых в сушилку, автоматическая регулировка влажности. Транспортировка сушильного агента.

курсовая работа , добавлен 24.06.2012


Обзор современных методов производства азотной кислоты. Описание технологической схемы установки, конструкция основного аппарата и вспомогательного оборудования. Характеристика исходного сырья и готовой продукции, побочные продукты и отходы производства.

дипломная работа , добавлен 01.11.2013


Промышленные способы получения разбавленной азотной кислоты. Катализаторы окисления аммиака. Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси. Типы азотнокислотных систем. Расчет материального и теплового баланса реактора.

курсовая работа , добавлен 14.03.2015


Технологический процесс, нормы технологического режима. Физико-химические свойства диаммоний-фосфата. Технологическая схема. Прием, распределение фосфорной кислоты. Первая и второая стадии нейтрализации фосфорной кислоты. Гранулирование и сушка продукта.

курсовая работа , добавлен 18.12.2008


Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов для получения азотной кислоты. Выбор и обоснование принятой схемы производства. Описание технологической схемы. Расчеты материальных балансов процессов. Автоматизация технологического процесса.