3. Технологічна схема виробництва.
3.1 Опис технологічної схеми.
В основу схеми
АК-72 покладений замкнутий енерготехнологічний
цикл з двоступеневою конверсією аміаку
і охолодженням нітрозних газів під тиском
0,42-0,47 МПа і абсорбцією оксидів азоту при
тиску 1,1-1,26 МПа.
Принципова технологічна схема процесу наведена на рис. 1.
1 - ресивер; 2 - випарник; 3, 24 -
фільтри; 4, 15 - підігрівачі; 5 - рекупераційна
турбіна; 6 - реактор каталітичного очищення;
7 - змішувач; 8 - топковий пристрій; 9 - продувна
колона; 10 - абсорбційна колона, 11, 14 - водяні
холодильники; 12, 23 - компресори; 13 - газовий
промивач; 16, 18 - холодильники нітрозних
газів; 17 - Деаераційна колона; 19 - котел-
утилізатор; 20 - контактний апарат; 21 - барабан
з сепараційним пристроєм; 22 - камера змішувача;
25 - труба для забору повітря.
Повітря забирається з атмосфери через
трубу 25, очищають від пилу в фільтрі 24,
стискають повітряним компресором 23 до
0,42 МПа і, розділивши на два потоки, подають
у контактний апарат і підігрівач аміаку.
Рідкий аміак (парорідинна суміш) через
ресивер 1 надходить у випарник 2, де випаровується
при 10-16 °С і тиску 0,6 МПа.
Після випарника газоподібний аміак очищають
від масла і механічних домішок у фільтрі
3 і направляють в підігрівач аміаку 4 ,
де він нагрівається до 80-120 ° С повітрям.
Очищене
повітря та аміак надходять в змішувальну
камеру 22 контактного апарату 20. Отримана
аміачно-повітряна суміш містить 9,6-10,0
% NH3.
Пройшовши тонку очстку на фільтрі, вбудованому
в контактний апарат, аміачно-повітряна
суміш надходить на двоступінчастий каталізатор
, що складається з трьох платиноідних
сіток і шару неплатинового каталізатора.
Нітрозні гази при температурі 840-860 °С
надходять в котел-утилізатор 19, розташований
під контактним апаратом, де за рахунок
їх охолодження отримують пар тиском 40
МПа з температурою 440 °С. Котел живлять
хімічно очищеною водою, деаерованій в
колоні 17. Деаерована вода проходить теплообмінник
16, де нагрівається нітрозними газами
до 150 °С , економайзер 18 і потім надходить
у барабан котла-утилізатора 21. Нітрозні
гази після котла-утилізатора охолоджуються
в економайзері 18 , віддають свою теплоту
в підігрівачі 15 і потім надходять у водяній
холодильник 14 для подальшого охолодження
до 55 0С. При охолодженні
нітрозних газів відбувається конденсація
парів води з утворенням 40-45 %-ної азотної
кислоти , яка подається в газовий промивач
13. Сюди ж надходять нітрозні гази.
У промивачі
відбувається одночасно з охолодженням
промивка нітрозних газів від нітрит-нітратних
солей і подальша конденсація азотної
кислоти. Кислота з нижньої частини промивача
подається в абсорбційну колону 10, а нітрозні
гази стискуються в компресорі 12 до 1,1-1,26
МПа, нагріваючись при цьому до 210-230 °С.
Після стиснення нітрозні гази охолоджують
в холодильнику 16 до 155-165 °С , в холодильнику
11 другого ступеня до 60-65 °С і подають у
абсорбционную колону 10 . На тарілках колони
розташовані змійовики для охолодження
кислоти. Зверху в колону надходить паровий
конденсат (Н2O ) з температурою не вище
40 °С. Знизу колони виводиться 58-60 % азотна
кислота; вона надходить у продувну колону
9 для видалення розчинених у ній оксидів
азоту і далі направляється у сховище
.
Відхідний
газ з абсорбційної колони нагрівається
в підігрівачі ( топковому пристрої ) 8,
змішується в змішувачі 7 з природним газом
і підігрітий до 480 °С направляється на
каталітичну очищення від оксидів азоту
в реактор. Каталізатором очищення служить
каталізатор АПК - 2 . Після каталітичного
розкладання вихлопні гази, що містять
до 0,008 % оксидів азоту при температурі
750 °С, надходять в рекупераційну турбіну
5, що входить до складу газотурбінного
агрегату. Тут теплова енергія вихлопних
газів перетворюється на механічну з одночасним
зниженням тиску газу до 0,95-1,05 МПа. Енергія,
що виробляється в газовій турбіні, використовується
для приводу компресорів 12 і 23 ( нітрозного
і повітряного).
3.2 Опис основного обладнання.
1. Апарат для очищення
атмосферного повітря - прямокутний
апарат, корпус виготовлений з двошарової
сталі, всередині розміщені фільтри грубого
очищення ФГО - 1, 8 і 90 фільтрів тонкого
очищення. Працює при розрідженні 5 кПа,
витрата повітря до 220 тис.м3/ч.
2. Випарники аміаку
ИТГ-500 - кожухотрубчаті багатоходові
теплообмінники з вуглецевої сталі. У
трубках циркулює вода, в міжтрубному
просторі - випаровується рідкий аміак.
Тиск в міжтрубному просторі 1,6 МПа, температура
до -25 °С; в трубках - 1,0 МПа, температура
до 30 °С
3. Газотурбінний турбокомпресорний
агрегат ГТТ-12. До складу агрегату
входять повітряний осьовий компресор,
відцентровий нагнітач нитрозного газу,
газова турбіна, що включає турбіни високого
і низького тиску, парова турбіна.
4 . Контактний апарат.
Під контактним апаратом розміщені пароперегрівач
і випарний пакет котла - утилізатора.
У сорочку апарату подається повітря,
який змішується з аміаком в змішувачі,
вбудованим в контактний апарат. Усередині
апарату під контактними сітками розміщені
52 фільтра тонкого очищення аміачно-повітряної
суміші. Платиноїдні сітки укладають на
колосникову конструкцію. Розрахунковий
тиск 0,394 МПа, тиск гідровипробування 0,739
МПа, температура на каталізаторі 850-880
°С.
5. Холодильники-конденсатори
являють собою кожухотрубчасті теплообмінники
з водяною сорочкою. Нітрозні гази подаються
в трубки, оборотна вода - в міжтрубний
простір.
6. Газовий промивач
- вертикальний апарат колонного типу,
виконаний із сталі. Складається з двох
паралельно працюючих секцій.
7. Абсорбційна колона.
У колоні розміщені 45 тарілок сітчатого
типу, 25 нижніх тарілок забезпечені охолоджуючими
змійовиками. З 1-ої по 10-у тарілки мають
дві зони контакту фаз, перелив здійснюється
через патрубки з «парасольками»; з 11-
ої по 25-у тарілки мають перегородки для
організації спрямованого потоку рідини,
з 26- ої по 45-у тарілки характеризуються
спіральним струмом рідини і переливом
в приймальний кишеню нижележащей тарілки.
8. Реактор каталітичного
очищення-горизонтальний циліндричний
апарат. У кільцевий простір між зовнішнім
і внутрішнім корпусом зверху вниз надходить
вихлопний газ при температурі 480-500 °С
, у внутрішній корпус - суміш його з природним
газом. У внутрішньому корпусі розміщується
двоступінчастий каталізатор.
9. Підігрівач вихлопного
газу ПВГ-1200 складається з конвективного
та радіаційного теплообмінників. У конвективному
теплообміннику здійснюється нагрівання
від 50 до 310 °С, в радіаційному - від 310 до
500 °С. У поді корпусу встановлені пальники
для природного газу. Каракас виконаний
з вуглецевої сталі, шахта радіаційної
частини футерована цеглою, конвективної
частини - шамотною цеглою.
10 . Котел - утилізатор
призначений для утилізації тепла нітрозних
газів з виробленням енергетичного пари
тиском 3,92 МПа і температурою 440 °С. Включає
два випарних пакета, два пароперегрівача,
розміщених в корпусах контактних апаратів,
один економайзер, де живильна вода підігрівається
від 150 до 250°С , а температура нітрозних
газів знижується до 200-230 °С.
4. Розрахунки технологічних процесів
4.1 Розрахунок
матеріального балансу.
Початкові дані:
- Концентрація азотної кислоти
– 53%
- температура конденсації
газу – 30 °С
- ступінь конверсії аміаку
– 95%
Дані про склад газу на вході
в холодильник наведено в таблиці 4.1.
Таблиця 4.1. Склад
газу на вході в холодильник-конденсатор.
Компонент |
Нітрозні гази |
m, кг |
ρ, кг/м3 |
V, м3 |
NО |
505,251 |
1,350 |
374,26 |
O2 |
624,6576 |
1,440 |
433,79 |
N2 |
4322,115 |
1,260 |
3430,25 |
H2О |
551,7396 |
0,810 |
681,16 |
∑ |
6003,7632 |
|
|
За діаграмою ( рис 4.2) визначаємо
ступінь перетворення оксидів азоту в
азотну кислоту. При n=95% та заданій концентрації
кислоти вона становить 42.5%. Враховуючи
неповноту конденсації враховуємо, що
ступінь перетворення оксидів азоту на
азотну кислоту становить 42,2%.
Рис. 4.2 Діаграма залежності
концентрації кислоти від ступеня абсорбції.
4.1.1 Кількість NO що
перейшов у HNO3 становить:
nNO=(m/M)*0,422=505,5/30*0.422=7,11
моль
4.1.2 На утворення
HNO3 за рівнянням
2NO+H2O + 1,5O2=2HNO3
4.1.3Необхідна така
кількість води:
nH2O=
nH2O= =3,55 моль.
4.1.4 Кількість води,
що сконденсувалася знайдемо за формулою:
==53
звідки nH2Oконд =22 моль.
4.1.5 Загальна кількість
води що сконденсувалася:
nH2Oзаг= nH2O+ nH2Oконд=22,0+3,55=25,55
моль.
4.1.6 Кількість води що
залишилася в газі:
nH2Oгаз= - nH2Oзаг=5,1 моль
4.1.7 Утворилося азотної
кислоти:
nHNO3=X+ nH2O
nHNO3=22,0+7,11=29,11
моль
4.1.8 Кількість кисню, необхідна
для окиснення NO та утворення азотної
кислоти визначаємо за рівнянням реакції:
2NO+H2O + 1,5O2=2HNO3
n1O2=X*0,75=5, 332 моль.
4.1.9 Кількість кисню необхідного
для окиснення NO в NO2 за реакцією
2NO+O2=NO2
приймаючи ступінь окиснення
оксиду азоту 27% дорівнює:
n2O2= (nNOзаг- nNO)*0,27*0,5=(16,848-7,11)*0,27*0,5=1,315
моль
4.1.20 Кількість кисню, що
залишилась в газі:
nO2газ=- n1O2- n2O2=19,52-1,315-5,332=12,87
моль
4.1.21 Утворилося NO2:
n NO2= n1O2*0,27=5,27 моль
4.1.22 Кількість NO, що залишилось
у газовій суміші:
n NOост=*0,27=19,52*0,27=14,24 моль
4.1.23 Маса азотної кислоти, що
сконденсувалася:
mHNO3конд= nNO*63=7,11*63=447,93
кг
4.1.24 Маса води, що сконденсувалася:
mH2Oконд= nH2Oконд*18=22*18=397,22
кг
Матеріальний баланс холодильник-конденсатора
наведений у таблиці 4.3
Компонент |
ВХІД |
ВИХІД |
|
m, кг |
ρ, кг/м3 |
V, м3 |
m, кг |
ρ, кг/м3 |
V, м3 |
|
NО |
505,25 |
1,35 |
374,26 |
427,5 |
1,35 |
316,6 |
|
O2 |
624,66 |
1,44 |
433,79 |
205,92 |
1,31 |
157,2 |
|
N2 |
4322,1 |
1,26 |
3430,3 |
4322,1 |
1,435 |
3011,8 |
|
HNO3 |
|
|
|
447,93 |
|
|
|
NO2 |
|
|
|
242,22 |
|
|
|
H2О |
551,74 |
0,81 |
681,16 |
551,74 |
82,944 |
681,16 |
|
∑ |
6003,8 |
|
|
6003,8 |
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
|
Перелік використаної
літератури:
- Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры, Л., Машиностроение, 1970. – 752 с.
- Справочник азотчика: Физико-химические свойства газов и жидкостей. Производство технологических газов. Очистка технологических газов. Синтез аммиака, 2-е изд., перераб., М.: Химия, 1986. – 512 с.
М.Бонне, Н.Д.Заичко, М.М.Караваев и др. Производство азотной кислоты в агрегатах большой единичной мощности.: М.: Химия, 1985.-400с.
Технология связанного
азота/Под ред. В.И. Атрощенко -Киев:
Высшая школа. Головное
изд.,1985 –327с.
5. Лащинский А.А., Толчинский А.Р.
Основы конструирования и расчета
химической аппаратуры, Л., Машиностроение,
1970. – 752 с.