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.

Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание раствора нитрата аммония, кристаллизация и гранулирование плава.

Газообразный аммиак из подогревателя 1 и азотная кислота из подогревателя 2 при температуре 80-90 0 С поступают в аппарат ИТП 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата 3 нейтрализуется в донейтрализаторе 4 аммиаком и поступает на упаривание в выпарной аппарат 5. Полученный плав, содержащий 99,7-99,8% селитры при температуре 175 0С проходит фильтр 21 насосом 20 подается в напорный бак 6, а затем в прямоугольную грануляционную башню 16.

Рис.5.1. Технологическая схема производства аммиачной селитры.

1- подогреватель аммиака, 2- подогреватель азотной кислоты, 3- аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации), 4- донейтрализатор, 5- выпарной аппарат, 6- напорный бак, 7,8- грануляторы, 9,23- вентиляторы, 10- промывной скруббер, 11- барабан, 12,14- транспортеры, 13- элеватор, 15- аппарат кипящего слоя, 16- грануляционная башня, 17- сборник, 18,20- насосы, 19- бак для плава, 21- фильтр для плава, 22- подогреватель воздуха.

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 метров при обтекании их потоком воздуха образуются гранулы, которые охлаждают в аппарате кипящего слоя 15. Это прямоугольный аппарат, имеющий три секции и решетку с отверстиями. Под решетку вентиляторами подают воздух. Создается псевдоожиженный слой гранул селитры, поступающих по транспортеру из грануляционной башни. Воздух после охлаждения попадает в грануляционную башню.

Гранулы аммиачной селитры транспортером 14 подадают на обработку поверхностно-активными веществами во вращающейся барабан 11. Затем готовое удобрение транспортером 12 направляют на упаковку.

Воздух, выходящий из грануляционной башни, загрязнен нитратом аммония, а соковый пар из нейтрализатора содержит нерореагировавший аммиак и азотную кислоту, а также частицы унесенной аммиачной селитры. Для очистки этих потоков в верхней части грануляционной башни расположены шесть параллельно работающих промывных скрубберов тарельчатого типа 10, орошаемых 20-30% раствором селитры, которая подается насосом 18 из сборника 17. Часть этого раствора отводится в нейтрализатор ИТН для промывки сокового пара, а затем подмешивается к раствору селитры, и, следовательно, используется для выработки продукции. Очищенный воздух отсасывается из грануляционной башни вентилятором 9 и выбрасывается в атмосферу.

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.

Основной метод

В промышленном производстве используется безводный аммиак и концентрированная азотная кислота:

Реакция протекает бурно с выделением большого количества тепла. Проведение такого процесса в кустарных условиях крайне опасно (хотя в условиях большого разбавления водой нитрат аммония может быть легко получен). После образования раствора, обычно с концентрацией 83 %, лишняя вода выпаривается до состояния расплава, в котором содержание нитрата аммония составляет 95--99,5 % в зависимости от сорта готового продукта. Для использования в качестве удобрения расплав гранулируется в распылительных аппаратах, сушится, охлаждается и покрывается составами для предотвращения слёживания. Цвет гранул варьируется от белого до бесцветного. Нитрат аммония для применения в химии обычно обезвоживается, так как он очень гигроскопичен и процентное количество воды в нём (щ(H2O)) получить практически невозможно.

Метод Габера

при давлении, высокой температуре и катализаторе

По способу Габера из азота и водорода синтезируется аммиак, часть которого окисляется до азотной кислоты и реагирует с аммиаком, в результате чего образуется нитрат аммония:

Нитрофосфатный метод

Этот способ также известен как способ Одда, названный так в честь норвежского города, в котором был разработан этот процесс. Он применяется непосредственно для получения азотных и азотно-фосфорных удобрений из широко доступного природного сырья. При этом протекают следующие процессы:

• 1. Природный фосфат кальция (апатит) растворяют в азотной кислоте:
• 2. Полученную смесь охлаждают до 0 °C, при этом нитрат кальция кристаллизуется в виде тетрагидрата -- Ca(NO3)2·4H2O, и его отделяют от фосфорной кислоты.

На полученный нитрат кальция и неудалённую фосфорную кислоту действуют аммиаком, и в итоге получают нитрат аммония:

Для получения практически неслеживающейся аммиачной селитры применяют ряд технологических приемов. Эффективным средством уменьшения скорости поглощения влаги гигроскопичными солями является их гранулирование. Суммарная поверхность однородных гранул меньше поверхности такого же количества мелкокристаллической соли, поэтому гранулированные удобрения медленнее поглощают влагу из воздуха. Иногда аммиачную селитру сплавляют с менее гигроскопичными солями, например с сульфатом аммония.

Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта (рис.4.1.).

Рисунок 4.1 Принципиальная схема производства нитрата аммония

В настоящее время в связи с освоением производства 18 - 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1171 т/сутки с упариванием в одну ступень (рис.4.2.) , а также на установках безупарочного метода (рис.4.4.).

Рисунок 4.2 Технологическая схема производства АС-72М: 1 - подогреватель аммиака; 2 - подогреватель кислоты; 3 - аппарат ИТН; 4 - донейтрализатор; 1 - выпарной аппарат; 6 - гидрозатвор-донейтрализатор; 7 - сборник плава; 8 - напорный бак; 9 - виброакустический гранулятор; 10 - грануляционная башня; 11 - транспортер; 12 - охладитель гранул «КС»; 13 - подогреватель воздуха; 14 - промывной скруббер

Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом сокового пара, нагретый до 120 - 160єС, и азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90єС поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 1. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку. Воздух из верхней части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат -основные аппараты в технологической схеме АС-72М.

Аппарат ИТН (рис.4.3.) имеет общую высоту 10 м и состоит из двух частей: нижней реакционной и верхней сепарационной. В реакционной части находится перфорированный стакан в который подают азотную кислоту и аммиак. При этом за счет хорошей теплоотдачи реакционной массы стенкам стакана, реакция нейтрализации протекает при температуре, более низкой, чем температура кипения кислоты. Образующийся раствор нитрата аммония закипает, и из него испаряется вода. За счет подъемной силы пара парожидкостная эмульсия выбрасывается из верхней части стакана и проходит через кольцевой зазор между корпусом и стаканом, продолжая упариваться. Затем она поступает в верхнюю сепарационную часть, где раствор, проходя ряд тарелок, отмывается от аммиака раствором нитрата аммония и конденсатом сокового пара. Время пребывания реагентов в реакционной зоне не превышает одной секунды, благодаря чему не происходит термического разложения кислоты и нитрата аммония. За счет использования теплоты нейтрализации в аппарате испаряется большая часть воды и образуется 90% раствор нитрата аммония.

Комбинированный выпарной аппарат высотой 16 м состоит из двух частей. В нижней кожухотрубной части диаметром 3м происходит упаривание раствора, проходящего через трубки, обогреваемые сначала перегретым паром, нагретым до 180єС воздухом. Верхняя часть аппарата служит для очистки выходящей из аппарата паровоздушной смеси и частичного упаривания поступающего в аппарат раствора нитрата аммония. Из выпарного аппарата выходит плав нитрата аммония концентрацией 99,7% с температурой около 180єС.

Грануляционная башня имеет прямоугольное сечение 11х8 м2 и высоту около 61 м. Через отверстие в нижней части в башню поступает наружный воздух и воздух из охладителя гранул. Поступающий в верхнюю часть башни плав нитрата аммония диспергируется с помощью трех виброакустических грануляторов, в которых струя плава превращается в капли. При падении капель с высоты около 10 м они затвердевают и превращаются в гранулы. Кристаллизация плава с влажностью 0,2% начинается при 167єС и заканчивается при 140 єС. Объем воздуха, подаваемого в башне, составляет в зависимости от времени года 300 - 100 м3/час. В установках АС - 72М применяется магнезиальная добавка против слеживаемости продукта (нитрат магния). Поэтому операции обработки гранул ПАВ, предусмотренной в схемах АС - 67 и АС - 72, не требуется. Принципиальными отличиями технологической схемы производства нитрата аммония безупарочным методом (рис.4.) являются: использование более концентрированной азотной кислоты; проведение процесса нейтрализации при повышенном (0,4МПа) давлении; быстрый контакт нагретых компонентов. В этих условиях на стадии нейтрализации образуется парожидкостная эмульсия, после разделения которой получают плав концентрацией 98,1%, что позволяет исключить отдельную стадию упаривания раствора.

Рисунок 4.4 Технологическая схема безупарочного метода: 1 - подогреватель азотной кислоты; 2 - подогреватель аммиака; 3 - реактор (нейтрализатор); 4 - сепаратор эмульсии; 1 - барабанный кристаллизатор; 6 - нож; 7 - барабанная сушка

Нагретые в нагревателях 1 и 2, обогреваемые паром, выходящим из сепаратора, эмульсии 4, азотная кислота и аммиак поступают в нейтрализатор 3, где в результате реакции образуется эмульсия из водного раствора нитрата аммония и водяного пара. Эмульсия разделяется в сепараторе 4 и плав нитрата аммония подается в барабанный кристаллизатор 1, в котором нитрат аммония кристаллизируется на поверхности металлического барабана, охлаждаемого изнутри водой.

Образовавшийся на поверхности барабана слой твердого нитрата аммония толщиной около 1 мм срезается ножом 6 и в виде чешуек поступает для просушивания в барабанную сушилку 7. Подобный продукт в виде чешуек используется для технических целей.

Охлажденный продукт направляют на склад, а затем на отгрузку навалом или на упаковку в мешки. Обработку диспергатором ведут в полом аппарате с центральнорасположенной форсункой, опрыскивающей кольцевой вертикальный поток гранул, или во вращающемся барабане. Качество обработки гранулированного продукта во всех применяемых аппаратах удовлетворяет требование ГОСТ 2-85.

Гранулированную аммиачную селитру хранят на складе в буртах высотой до 11 м. Перед отправкой потребителю селитру из склада подают на рассев. Нестандартный продукт растворяют, раствор возвращают на упарку. Стандартный продукт обрабатывают диспергатором НФ и отгружают потребителям.

Емкости для серной и фосфорной кислот и насосное оборудование для их дозирования скомпоновано в самостоятельный блок. Центральный пункт управления, электроподстанция, лаборатория, служебные и бытовые помещения расположены в отдельном здании.

Упаковка селитры производится в мешки с полиэтиленовым вкладышем массой 50 кг, также специализированные контейнеры - бигбеги, массой 500-800 кг. Транспортировка осуществляется как в подготовленной таре, так и насыпью. Возможно перемещение различными разновидностями транспорта, только исключен воздушный транспорт из-за повышенной пожарной опасностью.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Технологическая часть

1.4.1 Получение водного раствора аммиачной селитры концентрацией

Введение

В природе и в жизни человека азот имеет исключительно важное значение, он входит в состав белковых соединений, 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. Основными из них являются: углерод, кислород, азот, фосфор, магний, кальций, железо. Первые два элемента растения получают из воздуха и воды, остальные извлекают из почвы .

Особенно большая роль в минеральном питании растений принадлежат 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 находящегося в атмосфере диоксида углерода СО2 .

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

Значительное количество азота, содержащегося в почве, ежегодно выносится с урожаем растительных культур, а часть теряется в результате вымывания азотосодержащих веществ грунтовыми и дождевыми водами. Поэтому для повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо систематически пополнять запасы азота в почве путем внесения азотных удобрений. Под различные культуры в зависимости от характера почв, климатических и других условий требуется вносить различное количество азота.

В ассортименте азотных удобрений значительное место занимает аммиачная селитра. Производство которой в последние десятилетия увеличилось более чем на 30%.

Еще в начале ХХ столетия выдающийся ученый - агрохимик Прянишников Д.Н. назвал аммиачную селитру удобрением будущего. На Украине впервые в мире начали в огромных количествах применять аммиачную селитру в качестве удобрения под все технические культуры (хлопчатник, сахарную и кормовую свеклу, лен, кукурузу), а в последние годы и под овощные культуры. .

Аммиачная селитра имеет ряд преимуществ перед другими азотными удобрениями. Она содержит 34 - 34,5 % азота и в этом отношении уступает только карбамиду [(NH2)2CO], содержащему 46% азота. Аммиачная селитра NН4NО3 является универсальным азотным удобрением, так как одновременно содержит аммиачную группу NН4 и нитратную группу NО3 формы азота.

Весьма важно, что формы азота аммиачной селитры используется растениями в разное время. Аммонийный азот NН2, непосредственно участвует в синтезе белка, быстро усваивается растениями в период роста; нитратный азот NО3 усваивается относительно медленно, поэтому действует более продолжительное время.

Аммиачная селитра используется также в промышленности. Она входит в состав большой группы устойчивых в разных условиях аммиачно-селитренных взрывчатых веществ в качестве окислителя, разлагаясь в определенных условиях только на газообразные продукты. Таким взрывчатым веществом представляет собой смесь аммиачной селитры с тринитротолуолом и другими веществами. Аммиачная селитра обработанная гидрокарбонатной пленкой типа Fе(RСОО)3 RСООН, в больших количествах используется для взрывных работ в горнорудной промышленности, при строительстве дорог, гидротехнических и других крупных сооружениях.

Небольшое количество аммиачной селитры применяется для производства закиси азота, используемой в медицинской практике.

Наряду с увеличением объема производства аммиачной селитры путем строительства новых и модернизации действующих предприятий поставлена задача улучшить ее качество, т.е. получить готовый продукт со 100% рассыпчатостью. Это может быть достигнуто путем дальнейшего изыскания различных добавок, влияющих на процессы полимерных превращений, а также за счет использования доступных и дешевых ПАВ, обеспечивающих гидрофобизацию поверхности гранул и защищающих ее от воздействия атмосферной влаги - создание медленно действующей аммиачной селитры .

селитра производство гранула

1. Технологическая часть

1.1 Технико-экономическое обоснование, выбор места и точки строительства

Руководствуясь принципами рационального ведения хозяйства при выборе места строительства, учитываем близость сырьевой базы, топливо - энергетических ресурсов, близость потребителей выпускаемой продукции, наличие трудовых ресурсов, транспорта, равномерное размещение предприятий на территории страны. Исходя из приведенных принципов размещения предприятий, строительство проектируемого цеха гранулированной аммиачной селитры осуществляю в городе Ровно. Так как из сырья необходимого для производства аммиачной селитры, только природный газ используемый для производства синтетического аммиака, поставляется в город Ровно.

Источником водоснабжения служит бассейн реки Горынь. Энергия, потребляемая производством, вырабатывается Ровенской ТЭЦ. Кроме того, Ровно - крупный город с населением 270 тысяч человек, способный обеспечить проектируемый цех трудовыми ресурсами. Набор рабочей силы предусмотрено также производить из прилагаемых к городу районов. Инженерными кадрами цех обеспечивается выпускниками Львовского политехнического института, Днепропетровского политехнического института, Киевского политехнического института, рабочими кадрами цех будет обеспечен местными профессионально-техническими училищами.

Транспортировка готовой продукции потребителям будет производиться железнодорожным транспортом и автотранспортом.

О целесообразности строительства проектируемого цеха в городе Ровно свидетельствует и тот факт, что на территориях Ровенской, Волынской, Львовской областях с хорошо развитым сельским хозяйством являющимся основным потребителем продукции проектируемого цеха гранулированной аммиачной селитры, как минерального удобрения.

Следовательно, близость сырьевой базы, энергетических ресурсов, рынка сбыта, а также наличие рабочей силы, свидетельствует о целесообразности строительства проектируемого цеха в городе Ровно.

Близость крупной железнодорожной станции с большим разветвлением железнодорожных путей дает возможность дешево транспортировать

1.2 Выбор и обоснование способа производства

В промышленности широко применяется только метод получения аммиачной селитры из синтетического аммиака и разбавленной азотной кислоты.

Во многих производствах аммиачной селитры вместо ранее применяющихся, плохо работающих аппаратов, были внедрены специальные промыватели. В результате этого содержание в соковых парах аммиака или аммиачной селитры снизилось почти в три раза. Нейтрализаторы устаревших конструкций, имеющие низкую производительность (300 - 350 т/сутки), повышенные потери и недостаточный коэффициент использования тепла реакций были реконструированы. Большое количество маломощных горизонтальных выпарных аппаратов было заменено на вертикальные с падающей или сползающей пленкой, и на аппараты с большей теплообменной поверхностью, что позволило увеличить производительность выпарных стадий почти вдвое, уменьшить расход вторичного и свежего греющего пара в среднем на 20%.

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

Значительное количество аммиачной селитры на отдельных заводах производится из отходящих аммиакосодержащих газов систем карбамида с частичными жидкостными рециклами, где на одну тонну выпускаемого карбамида расходуется от 1 до 1,4 тонны аммиака. Из такого же количества аммиака модно выработать 4,5 - 6,4 тонны аммиачной селитры .

Способ получения аммиачной селитры из аммиакосодержащих 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) по реакциям:

Са(NО3)2 + (NН4)2СО3 = 2NН4NО3 + vСаСО3 (1.1)

Мg(NО3)2 +(NН4)2СО3 = 2NН4NО3 + vМgСО3 (1.2)

Ва(NО3)2 +(NН4)2SО4 = 2NН4NО3 + vВаSО4 (1.3)

Эти способы получения аммиачной селитры основываются на выпадении одной из образующихся солей в осадок. 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.

Несмотря на относительную простоту технологического процесса получения аммиачной селитры схемы ее производства за рубежом имеют существенные различия, отличающиеся друг от друга как по виду добавок и способу их приготовления, так и по способу гранулирования плава.

Способ «Нукло» (США).

Особенностью этого способа производства гранулированной аммиачной селитры является добавление к высококонцентрированном плаву (99,8% нитрата аммония перед его грануляцией в башне, около 2% специальной добавки, получившей название «Нукло». Она представляет собой тонкоизмельченный сухой порошок бетонированной глины с размером частиц не более 0,04 мм .

Способ «Нитро - ток».

Этот процесс разработан английской фирмой «Файзоне». Основное отличие этого способа от других состоит в том, что капли плава аммиачной селитры одновременно охлаждаются, гранулируются и опудриваются сначала в облаке пыли опудривающей добавки, а затем в псевдоожиженном слое этой же добавки .

Способ фирмы «Ай - Си - Ай» (Англия).

Этот способ получения аммиачной селитры отличается тем, что в качестве добавки, улучшающей физико-химические свойства готового продукта, применяется раствор нитрата магния, что позволяет получить продукт высокого качества из плава нитрата аммония, Содержащего до 0,7% воды .

Безупарочный способ производства аммиачной селитры был взят в 1951 году в США «Штенгелем патент» позже реализуемый в промышленности. Сущность способа заключается в том, что подогретая 59%-ная азотная кислота нейтрализуется подогретым газовым аммиаком в небольшом объеме под давлением 0,34 МПа.

Кроме описанных схем выше за рубежом имеется много других схем производства аммиачной селитры, однако они мало отличаются друг от друга.

Следует отметить, что в отличии от работающих и строящихся цехов в Украине и ближнем зарубежье, во всех зарубежных установках продукт после грануляционной башни проходит стадию рассева и опудривания, что способствует улучшению качества товарного продукта, но существенно усложняет технологическую схему. На отечественных установках отсутствие операции рассева продукта компенсируется более совершенной конструкцией грануляторов, дающих продукт с минимальным содержанием фракции менее 1 мм. Громоздкие вращающиеся барабаны для охлаждения гранул, широко использованные за рубежом, в Украине не применяются и заменены аппаратами для охлаждения в псевдоожиженном слое .

Производство гранулированной аммиачной селитры в цехе характеризуется: получением продукта высокого качества, высоким коэффициентом использования тепла нейтрализации, применение одноступенчатой выпарки с «сползающей пленкой», максимальным использованием отходов, путем возвращения их в процесс, высоким уровнем механизации, хранения и погрузки продукции. Это достаточно высокий уровень производства.

1.3 Характеристика сырья и готового продукта

Для производства аммиачной селитры применяется 100%-ный аммиак и разбавленная азотная кислота НNО3 концентрацией 55 - 56%.

Аммиак NН3 - бесцветный газ с резким специфическим запахом.

Реакционноспособное вещество, вступающее в реакции присоединения, замещения и окисления.

Хорошо растворим в воде.

Плотность по воздуху при температуре 0°С и давлении 0,1 МПа - 0,597.

Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственных помещений 20 мг/м3, в воздухе населенных мест 0,2 мг/м3.

Из смеси с воздухом аммиак образует взрывоопасные смеси. Нижний предел взрываемости аммиачно-воздушной смеси 15% (объемная доля), верхний предел 28% (объемная доля).

Аммиак раздражающе действует на верхние дыхательные пути, слизистые оболочки носа и глаз, попадая на кожу человека вызывает ожоги.

Класс опасности IV.

Выпускается по ГОСТ 6621 - 70.

Азотная кислота НNО3 - жидкость обладающая едким запахом.

Плотность по воздуху при температуре 0°С и давлении 0,1МПа-1,45г/дм3.

Температура кипения 75°С.

Смешивается с водой во всех отношениях с выделением тепла.

Азотная кислота попадая на кожный покров или слизистые оболочки вызывает ожоги. Животные и растительные ткани под воздействием азотной кислоты разрушаются. Пары азотной кислоты, аналогично оксидам азота, вызывают раздражение внутренних дыхательных путей, одышку, отек легких.

Предельно допустимая концентрация паров азотной кислоты в воздухе производственных помещений в пересчете на NО2 - 2 мг/м3.

Массовая концентрация паров азотной кислоты в воздухе населенных мест не более 0,4 мг/м3.

Класс опасности II.

Выпускается по ОСТ 113 - 03 - 270 - 76.

Аммиачная селитра NН4NО3 - белое кристаллическое вещество выпускаемое в гранулированном виде с содержанием азота до 35%

Выпускается по ГОСТ 2 - 85 и отвечает следующим требованиям (см. таблицу 1.1)

Таблица 1.1 - Характеристика аммиачной селитры выпускаемой по ГОСТ 2 - 85

Наименование показателя	Норма для марки
Суммарная массовая доля нитратного и аммонийного азота в пересчете:
на NН4NО3 в сухом веществе, %, не менее
на азот в сухом веществе, %, не менее
Массовая доля воды, %, не более
рН 10% водного раствора, не менее
Массовая доля веществ не растворимых в 10% растворе азотной кислоты, %, не более
Гранулометрический состав
Массовая доля гранул размером:
от 1 до 3 мм, %, не менее
от 1 до 4 мм, %, не менее
В том числе:
гранул от 2 до 4 мм, %, не менее
гранул размерами менее 1 мм, %, не более
гранул размером более 5 мм, %
Статическая прочность гранул
Н/гранулу (кг/ гранулу), не менее
Рассыпчатость, %, не менее

Аммиачная селитра относится к взрывоопасным и огнеопасным веществам. Гранулы аммиачной селитры устойчивы к трению, ударам и толчкам, при воздействии детонаторов или в замкнутом пространстве аммиачная селитра взрывается. Взрывоопасность аммиачной селитры возрастает в присутствии кислот органических веществ, масел, опилок, древесного угля. Наиболее опасными металлическими примесями к аммиачной селитре являются кадмий и медь.

Взрывы аммиачной селитры могут быть вызваны:

а) воздействием детонаторов достаточной мощности;

б) влияние неорганических и органических примесей в частности мелкодисперсной меди, кадмия, цинка, порошкообразного древесного угля, масла;

в) термическим разложением в замкнутом пространстве.

Пыль аммиачной селитры с примесью органических веществ увеличивает взрывоопасность соли. Ткань пропитанная селитрой и нагретая до 100°С может вызвать пожар. Тушат селитру при загорании водой. В связи с тем, что при загорании аммиачной селитры образуются оксиды азота, то при тушении необходимо пользоваться противогазами.

NН4NО3 =N2О = 2Н2О = 3600 кДж (1.4)

NН4NО3 =0,5N2 + NО = 2Н2О = 28,7 кДж (1.5)

Наличие свободной кислотности в растворе увеличивает способность к химическому и термическому разложению.

Отрицательным свойством аммиачной селитры является ее способность слеживаться - терять при хранении свою сыпучесть.

Факторы способствующие слеживаемости:

б) неоднородность и низкая механическая прочность гранул. При складировании в штабеля высотой 2,5 метра, под давлением верхних мешков происходит разрушение наименее прочных гранул с образованием пылевых частиц;

в) изменение кристаллических модификаций;

г) гигроскопичность способствует слеживаемости. Наиболее эффективным средством предотвращения слеживаемости, является упаковка ее в герметичную тару (полиэтиленовые мешки).

Предельно допустимая концентрация аммиачной селитры в виде пыли в производственных помещений не более 10 мг/м3.

Средства защиты органов дыхания - раствор.

Аммиачная селитра употребляется в сельском хозяйстве в качестве азотного удобрения, а также в промышленности для различных технических целей .

Гранулированная аммиачная селитра используется как сырье в больших количествах на предприятиях военной промышленности вырабатывающих взрывчатые вещества и их полуфабрикаты.

1.4 Физико-химические основы технологического процесса

Процесс получения гранулированной аммиачной селитры включает в себя следующие стадии:

получение водного раствора аммиачной селитры концентрацией не менее 80% при нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком;

выпаривание 80% раствора аммиачной селитры до состояния плава;

упаривание слабых растворов аммиачной селитры с узлов растворения и систем улавливания;

гранулирование соли из плава;

охлаждение гранул в «кипящем слое» воздухом;

обработка гранул жирными кислотами;

транспортировка, упаковка, и хранение.

1.4.1 Получение водного раствора аммиачной селитры концентрацией не менее 80% при нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком

Раствор аммиачной селитры получают в нейтрализаторах, позволяющих использовать тепло реакции для частичного выпаривания раствора. Он получил наименование аппарата ИТН (использование тепла нейтрализации).

Реакция нейтрализации протекает с большей скоростью и сопровождается выделением большого количества тепла.

NН3 = НNО3 = NН4NО3 = 107,7 кДж/моль (1.6)

Тепловой эффект реакции зависит от концентрации и температуры азотной кислоты и газообразного аммиака.

Рисунок 1.1 - Теплота нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком (при 0,1 МПа и 20°)

Процесс нейтрализации в аппарате ИТН осуществляется под давлением 0,02 МПа, температура поддерживается не более 140°С Этими условиями обеспечивается получение достаточно концентрированного раствора с минимальным уносом аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры с соковым паром, образующего в результате испарения воды из раствора. Нейтрализация ведется в слабокислотной среде, так как потери аммиака, азотной кислоты и селитры с соковым паром меньше, чем в слабощелочной среде .

За счет разности удельных весов растворов в испарительной и нейтрализационной частях аппарата ИТН происходит постоянная циркуляция раствора. Более плотный раствор из отверстия нейтрализационной камеры непрерывно поступает в нейтрализационную часть. Наличие циркуляции раствора способствует лучшему перемешиванию реагентов в нейтрализационной части, повышению производительности аппарата и исключает перегрев раствора в зоне нейтрализации. При повышении температуры в реакционной части до 145°С срабатывает блокировка с прекращением подачи аммиака и азотной кислоты и подачей кислого конденсата.

1.4.2 Выпаривание 80% раствора аммиачной селитры до состояния плава

Выпаривание 80 - 86% раствора аммиачной селитры производится в выпарных аппаратах за счет тепла конденсации насыщенного пара давлением 1,2 МПа и температурой 190°С. пар подается в верхнюю часть межтрубного пространства выпарного аппарата. Выпарной аппарат работает под вакуумом 5,0ч6,4 104 Па по принципу «сползания» пленки раствора по стенкам вертикальных труб.

В верхней части аппарата расположен сепаратор, который служит для отделения плава аммиачной селитры от сокового пара.

Для получения аммиачной селитры высокого качества плав аммиачной селитры должен иметь концентрацию не менее 99,4% и температуру 175 - 785°С.

1.4.3 Упаривание слабых растворов аммиачной селитры с узлов растворения и систем улавливания

Упаривание слабых растворов и растворов полученных в результате пуска и остановки цеха происходит по отдельной системе.

Слабые растворы полученные на узлах растворения и улавливания через регулирующий клапан подаются в нижнюю часть аппарата упаривающего только слабые растворы. Упаривание слабых растворов аммиачной селитры производится в выпарном аппарате «пленочного типа», работающего по принципу «сползания» пленки внутри вертикальных труб. Парожидкостная эмульсия, образующая в трубчатке выпарного аппарата, поступает в сепаратор - промыватель, где происходит разделение сокового пара и раствора аммиачной селитры. Соковый пар проходит ситчатые тарелки промывателя выпарного аппарата, где происходит улавливание брызг аммиачной селитры и затем направляется в поверхностный конденсатор .

Теплоносителем является пар вторичного вскипания поступающий с расширителя пара с давлением (0,02 - 0,03) МПа и температурой 109 - 112°С, подаваемый в верхнюю межтрубную часть выпарного аппарата. Вакуум в выпарном аппарате поддерживается 200 - 300 мм рт. ст. С нижней тарелки слабый раствор концентрацией около 60% и температурой 105 - 112°С выводится в сборник - донейтрализатор.

1.4.4 Гранулирование соли из плава

Для получения аммиачной селитры в гранулированном виде кристаллизацию ее из плава концентрацией не менее 99,4% проводят в башнях представляющих собой железобетонное сооружение, цилиндрической формы диаметром 10,5 метров. Плав с температурой 175 - 180°С и концентрацией не менее 99,4% аммиачной селитры поступает в динамический гранулятор вращающийся со скоростью 200 - 220 об/мин, имеющего отверстия диаметром 1,2 - 1,3 мм. Распыленный через отверстия плав, за время падения с высоты 40 метров, формируется в шарикообразные частицы.

Воздух для охлаждения гранул движется противотоком снизу вверх. Для создания тяги воздуха устанавливается четыре осевых вентилятора производительностью 100000 нм3/час каждый. В грануляционной башне гранулы слегка подсушиваются. Их влажность на 0,15 - 0,2% меньше влажности поступающего плава.

Это объясняется тем, что даже при 100%-ной относительной влажности поступающего в башню воздуха, давление водяного пара над горячими гранулами больше парциального давления влаги в воздухе.

1.4.5 Охлаждение гранул в «кипящем слое» воздухом

Гранулы аммиачной селитры с конусов гранбашни поступают на охлаждение в аппарат с «кипящим слоем». Охлаждение гранул от температуры 100-110°С до температуры 50°С происходит в аппарате, который расположен непосредственно под гранбашней. На перфорированной решетки установлен переточный патрубок для регулирования высоты «кипящего слоя» и равномерной выгрузки селитры. Под перфорированную решетку подается воздух до 150000 нм3/час, который охлаждает аммиачную селитру и частично подсушивает. Влажность гранул аммиачной селитры уменьшается на 0,05 - 0,1% по сравнению с гранулами поступающими с конусов.

1.4.6 Обработка гранул жирными кислотами

Обработка гранул жирными кислотами производится с целью предотвращения слеживаемости аммиачной селитры в процессе длительного хранения или транспортировки навалом.

Процесс обработки заключается в том, что тонко распыленные форсунками жирные кислоты наносятся на поверхность гранул из расчета 0,01 - 0,03%. Конструкция форсунок обеспечивает создание эллипсовидного сечения факела раствора. Конструкция крепления форсунок обеспечивает возможность перемещения и фиксирования их в различном положении. Обработка гранул жирными кислотами осуществляется в местах пересыпки гранул с транспортных лент на транспортные ленты.

1.4.7 Транспортировка, упаковка, и хранение

Гранулированная аммиачная селитра с кипящего слоя поступает по транспортерам на пересыпку №1, обрабатывается жирными кислотами и по транспортерам второго и третьего подъема подается в навесные бункера, откуда поступает в автоматические весы, отвешивающие порции по 50 кг и далее в упаковочный агрегат. С помощью упаковочной машины аммиачная селитра упаковывается в полиэтиленовые клапанные мешки и сбрасывается на транспортеры которые фасованную продукцию направляют на погрузочные машины для погрузки в вагоны и автомашины. Хранение готовой продукции в складах предусмотрено при отсутствии вагонов или автотранспорта.

Складированная аммиачная селитра в штабели должна защищаться от влаги и разных перепадов температур. Высота штабелей не должна превышать 2,5 метра, так как под давлением верхних мешков может произойти разрушение наименее прочных гранул в нижних мешках с образованием пылевых частиц. Скорость поглощения аммиачной селитрой влаги из воздуха с повышением температуры резко увеличивается. Так при 40°С скорость поглощения влаги в 2,6 раза больше чем при 23°С.

На складах запрещено хранить совместно с аммиачной селитрой: масло, опилки, древесный уголь, металлические примеси порошков кадмия и меди, цинка, соединения хрома, алюминия, свинца, никеля, сурьмы, висмута.

Хранение пустой мешкотары находится врозь с хранящейся затаренной аммиачной селитры согласно требований пожарной безопасности и техники безопасности.

1.5 Охрана водного и воздушного бассейнов. Отходы производства и их утилизация

В условиях бурного развития производств минеральных удобрений, широкой химизации народного хозяйства, все более актуальным становятся проблемы защиты окружающей среды от загрязнения и охраны здоровья трудящихся.

Ровенский химический завод следуя примерам других крупных химических производств, добился того, что химически грязные стоки не сбрасываются, как раньше в реку, а очищаются в специальных сооружениях цеха биохимочистки и возвращаются в систему оборотного водоснабжения для дальнейшего использования.

Введен в действие ряд целенаправленных и локальных сооружений, предназначенных для очистки сточных вод, сжигания кубовых остатков и утилизации твердых отходов. Общий объем капитального вложенных вложений на эти цели превышает 25 млрд. гривен.

Цех биохочистки занесен в книгу славы Государственного комитета Совета Министров Украины по охране природы за успехи. Очистные сооружения предприятия разместились на площади в 40 гектаров. В прудах которые заполнены очищенной водой резвятся карпы, толстолобики, нежные аквариумные рыбки. Они индикатор качества очистки и лучшее доказательство безвредности сточных вод.

Лабораторные анализы показывают, что вода в буферных прудах не хуже взятой из реки. С помощью насосов она снова поступает на нужды производства. Цех биохимочистки доведен до мощности по очистке химикатов до 90 тысяч кубометров в сутки.

На заводе постоянно совершенствуется служба контроля за содержанием вредных веществ в сточных водах, почве, в воздухе производственных помещений, на территории предприятия и окресностях населенных пунктов и города. Более 10 лет активно действует санитарный контроль, осуществляющий работу промышленно-санитарной лаборатории. Днем и ночью они внимательно следят за санитарно-гигиеническим состоянием внешней и производственной среды, за условиями труда.

Отходами производства гранулированной аммиачной селитры являются: паровой конденсат в количестве 0,5 м3 на тонну продукта, который выводится в общезаводскую сеть; конденсат сокового пара в количестве 0,7 м3 на тонну продукта. В конденсате сокового пара содержится:

аммиака NН3 - не более 0,29 г/дм3;

азотной кислоты НNО3 - не более 1,1 г/дм3;

аммиачной селитры NН4NО3 - не более 2,17 г/дм3.

Конденсат сокового пара направляется в цех азотной кислоты для орошения колонн в отделении очистки.

Выбросы из трубы осевых вентиляторов в атмосферу:

массовая концентрация аммиачной селитры NН4NО3-не более 110 м2/м3

суммарный объем отходящих газов - не более 800 м3/час.

Выбросы из общецеховой трубы:

массовая концентрация аммиака NН3 - не более 150 м2/м3

массовая концентрация аммиачной селитры NН4NО3-не более 120 м2/м3

Меры обеспечивающие надежность охраны водных ресурсов и воздушного бассейна. В случае аварийной ситуации и остановок на ремонт, для исключения загрязнений водооборотного цикла аммиаком, азотной кислотой и аммиачной селитрой, а также для предотвращения попадания вредных веществ в почву предусмотрен слив раствора из отделения абсорбции и выпарки в три дренажные емкости объемом V = 3 м3 каждая, кроме того в эти же емкости собираются утечки с уплотнений циркуляционных насосов отделений абсорбции и выпарки. Из этих емкостей раствор откачивается в сборник слабых растворов поз. 13 откуда затем поступает в отделение выпарки слабых растворов.

Для предотвращения попадания вредных веществ в почву при появлении пропусков на оборудовании и коммуникациях оборудован поддон из кислотоупорного материала .

На грануляционной башне очистка осуществляется путем промывки загрязненного воздуха слабым раствором аммиачной селитры и дальнейшей фильтрацией паровоздушного потока. В отделении расфасовки аммиачной селитры имеется установка очистки воздуха от пыли аммиачной селитры после упаковочных полуавтоматов и транспортеров. Очистка осуществляется в циклоне типа ЦН - 15.

1.6 Описание технологической схемы производства с элементами новой техники, технологии и аппаратурного оформления

Азотная кислота и аммиак подаются в нейтрализационную камеру аппарата ИТН противотоком. Азотная кислота концентрацией не менее 55% из цеха азотной кислоты поступает по двум трубопроводам диаметром 150 и 200 мм в напорный бак (поз. 1) имеющий перелив, через который возвращается избыток кислоты из напорного бака на склад азотной кислоты. Из бака (поз. 1) азотная кислота по коллектору направляется в аппарат ИТН (поз. 5). Аппарат ИТН представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 2612 мм и высотой 6785 мм в котором помещен стакан диаметром 1100 мм и высотой 5400 мм (нейтрализационная камера). В нижней части нейтрализационной камеры имеется восемь прямоугольных отверстий (окон) размером 360х170 мм, соединяющих нейтрализационную камеру с испарительной частью аппарата ИТН (кольцевое пространство между стенками аппарата и стенкой нейтрализационной камеры). Количество азотной кислоты поступающей в аппарат ИТН (поз. 5) регулируется автоматически системой рН метр в зависимости от количества газообразного аммиака, поступающего в аппарат ИТН (поз. 5) с коррекцией по кислотности.

Газообразный аммиак NН3 с давлением не выше 0,5 МПа из заводской сети через регулирующий клапан после дросселяции до 0,15 - 0,25 МПа поступает в отделитель испаритель капель жидкого аммиака поз. 2, где отделяется также от масла с целью предотвращения попадания их в аппарат ИТН (поз. 5). Затем газообразный аммиак подогревается до температуры не ниже 70°С в подогревателе аммиака (поз. 4), где в качестве теплоносителя используется паровой конденсат из расширителя пара (поз. 33). Подогретый газообразный аммиак из (поз. 3) через регулирующий клапан по трубопроводам поступает в аппарат ИТН (поз. 5). Газообразный аммиак NН3 вводится в аппарат ИТН (поз. 5) по трем трубопроводам, два после регулирующего клапана параллельными потоками заходят в нейтрализационную камеру аппарата ИТН, где объединяются в один и заканчиваются барбатером. По третьему трубопроводу аммиак подается через барбатер вниз гидрозатвора в количестве до 100 нм3/час для поддержания нейтральной среды на выходе из аппарата ИТН. В результате реакции нейтрализации образуется раствор аммиачной селитры и соковый пар.

NН3 + НNО3 = NН4NО3 + 107,7 кДж/моль (1.6)

Раствор переливается через верхнюю часть нейтрализационной камеры в испарительную часть аппарата, где упаривается до концентрации 80 - 86%, за счет тепла реакции нейтрализации, а пар, смешиваясь с соковым паром полученным в испарительной части выводится из аппарата с температурой 140°С в промыватель (поз. 12), предназначенный для промывки сокового пара от брызг раствора аммиачной селитры и аммиака. Промыватель (поз. 12) представляет собой цилиндрический вертикальный аппарат, внутри которого расположены три ситчатые тарелки над которыми установлены брызгоотбойники. На двух вертикальных тарелках установлены змеевики, через которые проходит охлажденная промывная вода. Соковый пар проходит через ситчатые тарелки барботируя через слой раствора образовавшегося на тарелках в результате охлаждения. Слабый раствор аммиачной селитры стекает с тарелок в нижнюю часть, откуда выводится в бак слабых растворов (поз. 13).

Несконденсировавшийся промытый соковый пар поступает в поверхностный конденсатор (поз 15) в межтрубное пространство. В трубное пространство конденсатора (поз. 15) подается промышленная вода, отводящая тепло конденсации.

Конденсат (поз. 15) самотеком стекает в сборник кислого конденсата (поз. 16), а инертные газы через свечу сбрасываются в атмосферу.

Раствор аммиачной селитры из испарительной части через гидрозатвор поступает в сепаратор - расширитель (поз. 6) для выделения из него сокового пара и выводится в сборник - донейтрализатор (поз. 7), для нейтрализации избыточной кислотности (4 г/л). В сборник - донейтрализатор (поз. 7) предусмотрена подача газообразного аммиака. Из сборников - донейтрализаторов (поз. 7) и поз. 8) раствор аммиачной селитры концентрацией 80 - 88% (среда щелочная не более 0,2 г/л) и температурой не более 140°С насосами поз. 9 подается в отделение грануляции в напорный бак (поз. 11).

В качестве буферной емкости установлены два дополнительных сборника - донейтрализатора (поз. 8) для обеспечения ритмичной работы цеха и насосов (поз. 9), а также установлен насос (поз. 10). Насос (поз. 10) подключен таким образом, что им можно подавать раствор из сборника - донейтрализатора (поз. 7) в сборник - донейтрализатор (поз. 8) и наоборот.

Конденсат сокового пара со сборников кислого конденсата (поз. 16) откачивается в сборник (поз. 18) откуда насосами (поз, 19) откачивается в цех азотной кислоты на орошение.

Пар поступает в цех с давлением 2 МПа и температурой 300°С, проходит через диафрагму и регулирующий клапан, редуцируется до 1,2 МПа и поступает пароувлажнитель (поз. 32) в нижнюю часть аппарата, внутри которого имеется две ситчатые тарелки, а в верхней части установлено отбойное устройство - волнистая насадка. Здесь пар увлажняется и с температурой 190°С и давлением 1,2 МПа поступает в выпарной аппарат (поз. 20). Паровой конденсат из (поз. 32) в виде парожидкостной эмульсии с давлением 1,2 МПа и температурой 190°С через регулирующий клапан поступает в расширитель пара (поз. 3), где за счет снижения давления до 0,12 - 0,13 МПа образуется пар вторичного вскипания с температурой 109 - 113°С используемый для обогрева выпарного аппарата слабых растворов селитры (поз. 22). Паровой конденсат с нижней части расширителя пара (поз. 33) самотеком поступает на обогрев подогревателя аммиака (поз. 4) в межтрубное пространство, откуда после отдачи тепла с температурой 50°С поступает в сборник парового конденсата (поз. 34), откуда насосами (поз. 35) через регулирующий клапан выдается в заводскую сеть.

Напорный бак (поз. 11) имеет переливную трубу в (поз. 7). Напорные и переливная трубы проложены с пароспутниками и изолированы. Из напорного бака (поз. 11) раствор аммиачной селитры поступает в нижнюю трубную часть выпарного аппарата (поз. 20), где происходит упаривание раствора за счет тепла конденсации насыщенного пара давлением 1,2 МПа и температурой 190°С, подаваемого в верхнюю часть межтрубного пространства. Выпарной аппарат (поз. 20) работает под вакуумом 450 - 500 мм рт. ст. по принципу «Сползания» пленки раствора по стенкам вертикальных труб. В верхней части выпарного аппарата расположен сепаратор, который служит для отделения плава аммиачной селитры от сокового пара. Плав из (поз. 20) выводится в гидрозатвор - донейтрализатор (поз. 24), куда подается газообразный аммиак для нейтрализации избыточной кислотности. В случае прекращения отбора перелив направляется в (поз. 7). Соковый пар из выпарного аппарата (поз. 20) поступает в промыватель образующимся конденсатом сокового пара от брызг аммиачной селитры. Внутри промывателя расположены ситчатые тарелки. На верхних двух тарелках уложены змеевики с охлаждающей водой, на которых происходит конденсация пара. В результате промывки образуется слабый раствор аммиачной селитры, который направляется через гидрозатвор (поз. 27) в напорный бак (поз. 28) отделения нейтрализации. Соковый пар после промывателя (поз. 26) направляется на конденсацию в поверхностный конденсатор (поз. 29) в межтрубное пространство, а охлаждающая вода в трубное пространство. Образующийся конденсат самотеком направляется в сборник кислого раствора (поз. 30). Инертные газы отсасываются вакуум-насосами (поз. 37).

Плав аммиачной селитры из гидразатвора - донейтрализатора (поз. 24) с концентрацией 99,5% NН4NО3 и температурой 170 - 180°С с избытком аммиака не более 0,2 г/л подается насосами (поз. 25) в напорный бак (поз. 38) откуда самотеком поступает в динамические грануляторы (поз. 39) через которые распыляясь по грануляционной башне (поз. 40)за время падения формулируется в частицы круглой формы. Грануляционная башня (поз. 40) представляет собой железобетонное сооружение цилиндрической формы диаметром 10,5 м и высотой полой части 40,5 метров. Снизу грануляционной башни подается воздух вентиляторами (поз. 45), протягивается осевыми вентиляторами (поз. 44). Большая часть воздуха засасывается через окна и зазоры конусов гранбашни. Падая по стволу гранулы аммиачной селитры охлаждаются до 100 - 110°С и с конусов гранбашни поступают на охлаждение в аппарат с «кипящим слоем» (поз. 41) который расположен непосредственно под гранбашней. В местах промывания течки к перворированной решетки устроены передвижные перегородки позволяющие регулировать высоту «кипящего слоя» на серке.

При чистке башни и аппарата «КС» от аммиачной селитры и пылевых налипаний собранную массу сбрасывают в растворитель (поз. 46), куда подается пар давлением 1,2 МПа и температурой 190°С для растворения. Полученный раствор аммиачной селитры сливается с (поз. 46) в сборник (поз. 47) и насосами (поз. 48) откачивается в сборник слабых растворов (поз. 13). В этот же сборник поступает и слабый раствор аммиачной селитры после промывателя (поз. 12).

Слабые растворы NН4NО3 собранные в (поз. 13) насосами (поз. 14) направляются в напорный бак (поз. 28) откуда самотеком через регулирующий клапан подаются в нижнюю часть выпарного аппарата слабых растворов(поз. 22).

Выпарной аппарат работает по принципу «сползания» пленки внутри вертикальных труб. Соковый пар проходит ситчатые тарелки промывателя выпарного аппарата, где происходит упаривание брызг аммиачной селитры и направляется в поверхностный конденсатор (поз. 23), где конденсируется и самотеком поступает в (поз. 30). А инертные газы пройдя ловушку (поз. 36) отсасываются вакуум-насосом (поз. 37) Вакуум поддерживается 200 - 300 мм. рт. столба. С нижней тарелки выпарного аппарата (поз. 22) раствор аммиачной селитры с концентрацией около 60% и температурой 105 - 112°С выводится в сборник (поз. 8). Теплоносителем является пар вторичного выпаривания поступающий с расширителя(поз. 33) с температурой 109 - 113°С и давлением 0,12 - 0,13 МПа. Пар подается в верхнюю межтрубную часть выпарного аппарата, конденсат выводится в сборник парового конденсата (поз. 42).

Гранулированная аммиачная селитра из грануляционной башни (поз. 40) транспортерами (поз. 49) подается на узел пересыпки, где происходит обработка гранул жирными кислотами. Жирные кислоты насосами (поз. 58) из железнодорожных цистерн перекачиваются в сборник (поз. 59). Который снабжен змеевиком с поверхностью обогрева 6,4 м2. Перемешивание осуществляется насосами (поз. 60) и этими же насосами жирные кислоты подаются на форсунки узла дозирования, через которые распыляются сжатым воздухом давлением до 0,5 МПа и температурой не ниже 200°С. Конструкция форсунок обеспечивает создание эллипсовидного сечения факела раствора. Обработанная гранулированная аммиачная селитра пересыпается на транспортеры (поз. 50) второго подъема с которых ведется сброс аммиачной селитры в бункера (поз. 54) в случаях бестарной погрузки. С транспортеров (поз. 50) аммиачная селитра поступает на транспортеры (поз. 51) откуда сбрасывается в навесные бункера (поз. 52). После навесных бункеров амселитра поступает в автоматические весы (поз. 53) отвешивающие порции по 50 килограмм и далее в упаковочный агрегат. С помощью упаковочной машины аммиачная селитра упаковывается в клапанные полиэтиленовые мешки и сбрасывается реверсивные транспортеры (поз. 55), откуда поступает на складские транспортеры (поз. 56), а с них на погрузочные машины (поз. 57). С погрузочных машин (поз. 57) аммиачная селитра загружается в вагоны или автотранспорт. Хранение готовой продукции в складах предусмотрено при отсутствии железнодорожного транспорта и автотранспорта.

Готовый продукт - гранулированная аммиачная селитра должен соответствовать требованию государственного стандарта ГОСТ 2 - 85.

Проектом предусмотрен сбор просыпей аммиачной селитры после упаковочных машин. Установлен дополнительно транспортер (поз. 62) и элеватор (поз. 63). Аммиачная селитра просыпанная во время затарки в мешки через склизи ссыпается по текам на транспортер (поз. 62), откуда поступает на элеватор (поз. 63). С элеватора аммиачная селитра поступает в навесные бункера (поз. 52) где смешивается с основным потоком выработанной аммиачной селитры.

1.7 Материальные расчеты производства

Материальные расчеты производства рассчитываем на 1 тонну готовой продукции - гранулированной аммиачной селитры.

Материальный растет нейтрализации

Исходные данные:

Потери аммиака и азотной кислоты на одну тонну аммиачной селитры определяется исходя из уравнения реакции нейтрализации.

Процесс проводится в аппарате ИТН с естественной циркуляцией раствора аммиачной селитры.

Для получения одной тонны соли по реакции

NН3 + НNО3 = NН4NО3 + 107,7 кДж/моль

Расходуется 100% НNО3

Расходуется 100% NН3

где: 17, 63, 80 молекулярные массы аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры.

Практический расход NН3 и НNО3 будет несколько выше теоретического, так как в процессе нейтрализации неизбежны потери реагентов с соковым паром, через неплотности коммуникаций, вследствие набольшего разложения реагирующих компонентов. Практический расход реагентов с учетом потерь в производстве составит:

787,5 1,01 = 795,4 кг

Расходуется 55% НNО3 составит:

Потери кислоты составят:

795,4 - 787,5 = 7,9 кг

Расход 100% NН3

212,4 1,01 = 214,6 кг

Потери аммиака составят:

214,6 - 212,5 = 2,1 кг

В 1446,2 кг 55% НNО3 содержится воды:

1446,2 - 795,4 = 650,8 кг

Общее количество поступающих реагентов аммиака и кислоты в нейтрализатор составит:

1446,2 + 214,6 = 1660,8?1661 кг

В аппарате ИТН происходит испарение воды за счет тепла нейтрализации, и концентрация получаемого раствора аммиачной селитры достигает 80%, поэтому из нейтрализатора выйдет раствора аммиачной селитры:

В этом растворе содержится воды:

1250 - 1000 = 250 кг

При этом испаряется воды в процессе нейтрализации

650,8 - 250 = 400,8 ? 401 кг

Таблица 1.2 - Материальный баланс нейтрализации

Материальный расчет отделения выпарки

Исходные данные:

Давление пара - 1,2 МПа

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Физико-химические свойства аммиачной селитры. Основные стадии производства аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты. Установки нейтрализации, работающие при атмосферном давлении и работающие при разрежении. Утилизация и обезвреживание отходов.

курсовая работа , добавлен 31.03.2014


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


Свойства этилен-пропиленовых каучуков, особенности их синтеза. Технология получения, физико-химические основы процесса, катализаторы. Характеристика сырья и готовой продукции. Материальный и энергетический баланс реакционного узла, контроль производства.

курсовая работа , добавлен 24.10.2011


Расчеты производственной рецептуры и технологического процесса для производства хлеба домашнего округлой формы: производственной рецептуры, мощность печи, выход изделия. Расчет оборудования для хранения и подготовки сырья, для запасов и готовой продукции.

курсовая работа , добавлен 09.02.2009


Основные стадии процесса получения каучука и приготовления катализатора. Характеристика сырья и готовой продукции по пластичности и вязкости. Описание технологической схемы производства и его материальный расчет. Физико-химические методы анализа.

курсовая работа , добавлен 28.11.2010


Характеристика ассортимента продукции. Физико-химические и органолептические показатели сырья. Рецептура сыра плавленого колбасного копчёного. Технологические процесс производства. Технохимический и микробиологический контроль сырья и готовой продукции.

курсовая работа , добавлен 25.11.2014


Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции. Описание технологического процесса и его основные параметры. Материальные и энергетические расчеты. Техническая характеристика основного технологического оборудования.

курсовая работа , добавлен 05.04.2009


Характеристика перерабатываемого сырья и готовой продукции. Схема технологического процесса производства солода: приёмка, первичная очистка и хранение ячменя, ращение и сушка солода. Устройство и принцип действия линии производства ячменного солода.