Производство азотной кислоты

 

2. Технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты

 

 Производство азотной  кислоты рассмотрим по схеме  АК–72. В основу схемы положен  замкнутый энерготехнологический  цикл с двухступенчатой конверсией  аммиака и охлаждением нитрозных газов под давлением 1.42 – 0.47 МПа и абсорбцией оксидов азота при давлении 1.1 – 1.26 МПа; продукция выпускается в виде 60% - ной HNO₃. Первый агрегат АК–72 мощностью 380 тыс. т/год был пущен в 1976 г.

Принципиальная технологическая  схема процесса приведена на рисунке 3. Воздух забирают из атмосферы через трубу 25, очищают от пыли в фильтре 24, сжимают воздушным компрессором 23 до 0.42 МПа и, разделив на два потока, подают в контактный аппарат и подогреватель аммиака. Жидкий аммиак (парожидкостная смесь) через ресивер 1 поступает в испаритель 2, где испаряется при 10 – 16˚C и давлении 0.6 МПа. После испарителя газообразный аммиак очищается от масла и механических примесей в фильтре 3 и направляется в подогреватель аммиака 4, где нагревается до 80 – 120˚C воздухом.

Очищенный воздух и аммиак поступают  в смесительную камеру 22 контактного  аппарата 20. Образующаяся аммиачно-воздушная  смесь содержит 9.6 – 10.0 об. % NH₃. Пройдя тонкую очистку в фильтре, встроенном в контактный аппарат, аммиачно-воздушная смесь поступает на двухступенчатый катализатор, состоящий из двух платиноидных сеток и слоя неплатинового катализатора. Нитрозные газы при температуре 840 – 860˚C поступают в котел-утилизатор 19, расположенный под контактным аппаратом, где за счет их охлаждения получают пар давлением 40 МПа с температурой 440˚C. Котел питают химически очищенной водой, деаэрированной в колонне 17. Деаэрированная вода проходит теплообменник 16, где нагревается нитрозными газами до 150˚C, экономайзер 18 и затем поступает в барабан котла-утилизатора 21.

Нитрозные газы после  котла-утилизатора охлаждаются в  экономайзере 18, отдают свою теплоту  в подогревателе 15 и затем поступают  в водяной холодильник 14 для дальнейшего  охлаждения до 55˚C. При охлаждении нитрозных  газов происходит конденсация паров воды с образованием 40 – 45%-ной азотной кислоты, которая подается в газовый промыватель 13. Сюда же поступают нитрозные газы. В промывателе происходит одновременно с охлаждением, промывка нитрозных газов от нитрит-нитратных солей и дальнейшая конденсация азотной кислоты. Кислота из нижней части промывателя подается в абсорбционную колонну 10, а нитрозные газы сжимаются в компрессоре 12 до 11 – 12.6 МПа, нагреваясь при этом до 210 – 230˚C. После сжатия нитрозные газы охлаждают в холодильнике 16 до 155 – 165˚C, в холодильнике 11 второй ступени до 60 – 65˚C и подают в абсорбционную колонну 10. На тарелках колонны расположены змеевики для охлаждения кислоты. Сверху в колонну поступает паровой конденсат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3 – Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72:

 

1 – ресивер; 2–испаритель; 3,24 – фильтры; 4, 15 – подогреватели; 5 – рекуперационная турбина; 6 – реактор каталитической очистки; 7 – смеситель; 8 – топочное устройство; 9 –продувочная колонна; 10 – абсорбционная колонна; 11, 14 – водяные холодильники; 12, 23 – компрессоры; 13 – газовый промыватель; 16, 18 – холодильники нитрозных газов; 17 – деаэрационная колонна; 19 – котел-утилизатор; 20 – контактный аппарат;   21 – барабан   с   сепарационным   устройством;   22 – смесительная камера; 25 – труба для забора воздуха

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(H₂O) с температурой не выше 40˚C. Снизу колонны выводится 58 – 60%-ная азотная кислота; она поступает в продувочную колонну 9 для удаления растворенных в ней оксидов азота и далее направляется в хранилище.

Отходящий газ из абсорбционной  колонны нагревается в подогревателе (топочном устройстве) 8, смешивается в смесителе 7 с природным газом и подогретый до 480˚C направляется на каталитическую очистку от оксидов азота в реактор 6. Катализатором очистки служит алюмопалладиевый катализатор АПК-2. После каталитического разложения выхлопные газы, содержащие до 0.008 об. % оксидов азота при температуре 750˚C, поступают в рекуперационную турбину 5, входящую в состав газотурбинного агрегата. Здесь тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую с одновременным снижением давления газа до 0.95 – 1.05 МПа. Энергия, вырабатываемая в газовой турбине, используется для привода компрессоров 12 и 13 (нитрозного и воздушного).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Схема контактного аппарата

 

Контактный аппарат  является основным и наиболее сложным  аппаратом на стадии конверсии аммиака  при производстве азотной кислоты.

На рисунке 4 изображена схема контактного аппарата для  окисления аммиака под атмосферным давлением с верхней подачей аммиачно-воздушной смеси. В верхней части аппарата расположен картонный фильтр 2 для тонкой очистки аммиачно-воздушной смеси. Катализаторные сетки опираются на колосники; ниже на решетке расположен слой металлических колец 5, выполняющий роль аккумуляторов теплоты, необходимой для быстрого розжига аппарата после кратковременной остановки; кроме того, эти кольца служат для улавливания наиболее крупных частиц платины, уносимых газом. Конвертор установлен на верхней части котла-утилизатора. Производительность его 48 – 50 т HNO₃ в сутки.

Для сокращения потерь платины  производят ее улавливание и возвращение  на изготовление катализаторов. Наиболее распространено улавливание частиц платины фильтрованием нитрозных  газов. Для этого используют разнообразные конструкции механических фильтров и фильтрующие материалы. В основном для набивки фильтров применяют непрерывное стекловолокно. В настоящее время разработаны и опробованы массы на основе оксида кальция, которые химически связывают пары платины. При этом способе улавливания сорбент устанавливается непосредственно в контактном аппарате за катализаторными сетками и работает в условиях процесса окисления аммиака. Платиноидную пыль извлекают из кислоты, из шлама, периодически собирают из аппаратов и газоходов, протирая их внутреннюю поверхность гигроскопической ватой, смоченной спиртом.

Сочетание химического  связывания (массы на основе оксида кальция) и обычных механических фильтров с насадкой из волокнистых  материалов позволяет довести степень улавливания платины до 85 – 90%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 4 – Контактный аппарат, совмещенный с картонным  фильтром:

                      1 – аварийная мембрана; 2 – картонные  фильтры; 3 - распредели-    

             тельная решетка; 4 – катализаторные  сетки; 5 – слой колец; 6 –  

              жаростойкая футеровка

 

 

 

 

 

 

 

 

Р а с ч  е т н а я    ч а  с т ь

 

Исходные данные: А = 9 %, В = 7.1 %, С = 69 %, D = 14.9 %, X = 2 %.

 

1. Материальный баланс

 

Расчет ведем на 100 кмоль нитрозных газов. Схематически процесс образования азотной кислоты можно представить следующим образом:

 

H₂O_газ → H₂O_жид.                                                                                                                                         (1)

 

2NO + O₂ → 2NO₂                                                                                       (2)

 

3NO₂ + H₂O → 2HNO₃ + NO                                                                      (3)

___________________________

 

2NO + 1.5O₂ + H₂O → 2HNO₃                                                                    (4)

 

 Рассчитываем количество  отдельных газов в нитрозном  газе, используя данные, приведенные  в условии задания:

 

NO – 9.0 кмоль; O₂ – 7.1 кмоль; N₂ – 69.0 кмоль; H₂O – 14.9 кмоль

 

Часть водяного пара, которая  содержится в нитрозных газах, конденсируется в холодильнике и конденсат расходуется  на образование моногидрата HNO₃ и 40%-го раствора HNO₃.

По уравнению реакции (3) рассчитываем количество воды, которое  расходуется на образование азотной кислоты. Для этого обозначим через S – количество кмоль H₂O, вступивших в реакцию, а через r – количество кмоль воды, сконденсировавшихся в реакторе. Тогда масса 40%-ной HNO₃ будет равняться:     (2 · S · 63) + 18 ·(r – S) кг,  и она будет содержать (2·S·63) кг 100% HNO₃. После расчетов получим, что S = 0.087·r кмоль.

Для нахождения r необходимо использовать табличные данные парциального давления воды свыше 40%, что составляет при 30˚C и нормальном давлении 2.7 кПа [3,с.530]. Рассчитывают парциальное давление водяного пара в нитрозных газах в кПа по формуле:

 

(14.9 – r)·P

        100 – 1.3045·r

 

и делают перерасчет по пропорции: при давлении 101.3 кПа парциальное  давление воды – 2.7 кПа, отсюда

 

;

 

;

 

r =12.68 кмоль

 

Решая уравнения (2) и (3), получим  расход NO и O₂ на образование азотной кислоты. Данные расчетов заносим в таблицу 1.

 

       Таблица 1 – Состав нитрозных газов после охлаждения

 

Компонент	Состав, кмоль	Состав, %
Оксид азота, NO2	9 – 0.174·12.68 = 6.79	8.14
Кислород, O2	7.1 – 0.1305·12.68 = 5.45	6.54
Азот, N2	69.0	82.67
Вода, H2O	14.9 – 12.68 = 2.22	2.65
Всего	100 – 1.3045·12.68 = 83.46	100

 

Количество образовавшегося  моногидрата HNO₃ определяем по уравнению (3) и получаем 2.2 кмоль HNO₃, или 2.2·63 = 138.6 кг. В пересчете на 40%-ю азотную кислоту это составляет 346.5 кг. То есть из 100 кмоль нитрозных газов, поступающих в холодильник, образуется 346.5 кг 40%-й HNO₃.

 

2. Энергетический баланс

 

       Тепловой эффект реакции рассчитаем по уравнению

 

2NO_(Г) + 1.5O_2(Г) + H₂O_(Г) = 2HNO_3(Г)

 

Теплоту образования  веществ принимаем в кДж/моль: HNO₃ = +206000, H₂O= 242000, NO = -90500.

По закону Гесса: Q_p = ΣQ_к – ΣQ_н

 

Q_p = 206000·2 – (242000 – 90500·2) = 351000 кДж.

 

В пересчете на 2.2 кмоль HNO₃ тепловой эффект составляет 386100 кДж.

Полученная величина теплового эффекта относится  к температуре 298К. В связи с  небольшим отклонением по температуре (478 К), разница в тепловом эффекте  будет незначительной и нет надобности пересчитывать 

 

тепловой эффект реакции по закону Кирхгоффа.

Определяем теплоту, которая  приходит с нитрозными газами при 180˚C (478 К), по формуле:

 

Q₁ = m · c · t,

 

где с – теплоемкость газов при температуре 180˚C (478 К), в кДж/моль·˚C, рассчитываемая по формуле:

 

С = а₀ + а₁·Т + а₂/Т²

 

Подставляя значения в формулу, получим теплоту, приходящую с нитрозными газами:

 

Q_NO = 9 · 29.4 · 180 = 47628 кДж;

Q_O2 = 7.1 · 30.0 · 180 = 38340 кДж;

Q_N2 = 69 · 28.9 · 180 = 358938 кДж;

Q_H2O = 14.9 · 33.7 · 180 = 90383 кДж.

Q₁ = ΣQ_i = 535289 кДж.

Теплоту конденсации  водяного пара рассчитываем по формуле:

 

Q₂ = m₁ · r₁;

 

где m₁ – масса воды, сконденсировавшейся в холодильнике, за исключением воды, которая вступила в реакцию, m₁ = 209.7кг

       r₁ – теплота парообразования (конденсации воды), по [3,c. 449] r₁=2260 кДж/кг.

Тогда, подставив значения в формулу, получим:

 

Q₂ = 209.7 · 2260 = 473922 кДж.

 

Общий приход тепла составляет:

 

Q = Q_p + Q₁ + Q₂.

 

Q = 386100 + 535289 + 473922 = 1395311 кДж

 

Теплоту, которая выносится из реактора нитрозными газами при 30˚C (330 К), рассчитываем с использованием табличных величин теплоемкости [1, c.38, приложение Б], а именно:

 

Q^'_NO = 6.79 · 28.6 · 30 = 5826 кДж;

 

Q^'_O2 = 5.45 · 29.4 · 30 = 4807 кДж;

 

Q^'_N2 = 69.0 · 28.4 · 30 = 58788 кДж;

 

Q^'_H2O = 2.22 · 32.7 · 30 = 2178 кДж.

 

Q^'₁ =ΣQ^'_1i = 71599 кДж.