Производство азотной кислоты

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:

2СН4 + 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 [14].



7. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ РЕАКТОРА

7.1 Расчет материального баланса реактора

1) Вычисляем необходимый объем воздуха:

(30)

2) Объемы поступающих с воздухом, нм3:

а) водяных паров

(31)

б) сухого воздуха

(32)

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

(33)

(34)

4) Находим объемы образующихся по реакции (14), нм?/ч:

а) окиси азота

(35)

б) паров воды

(36)

в) расходуемого при протекании этой реакции кислорода

(37)

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

а) азота

(38)

б) паров воды

(39)

в) расходуемого при протекании этой реакции кислорода

(40)

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

а) кислорода

(41)

б) азота

(42)

в) аргона

г) паров воды

(43)

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.

(44)

Приход:

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

Расход:

(50)

(51)

(52)

(53)

(54)

Заполним таблицу для материального баланса (таблица 6).

Таблица 6

Приход	Расход
Компонент	Количество	Компонент	Количество
	кг/ч	м?/ч		кг/ч	м?/ч
NH3	4477,679	5900	NO	7348,661	5487
O2	15608,571	10926	O2	5367,857	3757,5
N2	50729,691	40583,755	N2	50987,816	40790,255
Ar	929,116	520,305	Ar	928	520
H2O	1827,02	2273,625	H2O	8938,627	11123,625
Всего	73572,077	60203,68	Всего	73570,961	61678,38

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

(55)

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

а) аммиака

(56)

б) сухого воздуха

(57)

в) паров воды

(58)

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).

4) Определяем теплоту, вносимую аммиачно-воздушной смесью

(60)

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

(61)

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

6) Находим общий объем нитрозного газа, поступающего в котел утилізатор

(62)

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

а) окиси азота

(63)

б) кислорода

(64)

в) аргона

(65)

г) азота

(66)

д) паров воды

(67)



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:

(69)

/ч или

1880 кВт, где 800·10? и 1082·10? 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 · 10?(900 - t2)

отсюда:

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



(70)

12) Определяем теплопотери в окружающую среду

(71)

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

(72)

(73)

тогда:

(74)

Заполним таблицу для теплового баланса (таблица 7).

Таблица 7

Приход, кВт	Расход, кВт
Теплота, вносимая аммиачно-воздушной смесью	6369,2	Теплота на нагрев водяного пара в пароперегревателе	1880
		Теплота, уносимая нитрозными газами	20584,3
Теплота, выделяемая при протекании реакции (14) и (16)	17030,6
		Потери в окружающую среду	935,9
Всего	23399,8	Всего	23400,2

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:

17-23 - 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 [17].



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 м?/ч аммиака, он составил 54304 м?/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.

2. 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.

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

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

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

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

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

8. 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.

9. 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.

11. 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.

12. 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.

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

Размещено на Allbest.ur