Расчет абсорбционной колонны в производстве неконцентрированной азотной кислоты ОАО «Череповецкий Азот»

Министерство Образования Российской Федерации

Череповецкий Государственный  Университет

Институт металлургии и химии

Кафедра Химических Технологий и Оборудования

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

 

 

к курсовому проекту

по предмету: Проектирование оборудования

 

на тему: Расчет абсорбционной колонны в производстве неконцентрированной азотной кислоты ОАО «Череповецкий Азот»

 

 

 

Разработал                                                            Шувалова А.С.

                                                                               гр. 3 ЗХТ-51

 

Руководитель                                                       Котенко В.А.

 

 

Проект защищен___________ с оценкой___________

 

 

 

2008

Министерство образования Российской Федерации

Череповецкий Государственный  Университет

Институт металлургии и химии

Кафедра химических технологий и оборудования

 

                 Утверждаю

                     Зав. кафедрой ХТиО

        «____»________2008г.

ЗАДАНИЕ

на курсовой проект

по дисциплине «Оборудование заводов  и основы проектирования»

 

Студентки          Шуваловой Анастасии Сергеевны   группы   3   ЗХТ-51

Специальность   240301 – «Химическая  технология неорганических веществ»

 

Тема проекта: «Рассчитать абсорбционное отделение установки получения НАК»

 

Исходные данные:

1. Давление – 0,73МПа

2. Производительность – 14,8 т/ч

3. Расход АВС – 70 000 м³/ч

4. Содержание NH₃ в АВС – 10% об.

5. Степень превращения NH₃ – 0,94

6. Степень окисления окислов  азота перед окислением – 0,5

7. Степень окисления окислов  азота после окисления – 0,8

8. Температура газа на входе  в холодильник – 165⁰С

9. Температура газа на выходе  из холодильника – 50⁰С

10. Степень конденсации водяных  паров – 94%

11. Степень абсорбции – 99%

12. Конечная концентрация продукционной  кислоты – 57%

 

Содержание пояснительной записки:

1. Химическая и принципиальная  схемы производства неконцентрированной азотной кислоты из аммиака.

2. Физико-химические основы производства.

3. Технологическая схема производства  разбавленной азотной кислоты.

4. Сравнительная характеристика  и выбор основного оборудования.

5. Физико-химические свойства азотной  кислоты.

6. Материальный баланс.

7. Тепловой баланс.

8. Конструктивный расчет аппарата.

9. Охрана окружающей среды.

10. Охрана труда.

11. Автоматизация производства.

 

Содержание графического материала:

1. Технологическая схема отделения  производства НАК.

2. Колонна абсорбционная. Общий  вид.

3. Кожухотрубный холодильник.

 

Дата выдачи задания: сентябрь 2007 г.

Срок сдачи проекта: Январь 2008 г.

Руководитель проекта: Котенко  В.А.

Содержание

 

	Введение……………………………………………………………………	4
1.	Химическая и принципиальная схемы производства разбавленной азотной  кислоты из аммиака…………………………………………..	6
2.	Физико-химические основы производства……………………………….	7
2.1	Контактное окисление  аммиака……………………………………...	7
2.2	Окисление окиси азота…………………………………………..	12
2.3	Абсорбция двуокиси азота………………………………………………...	13
3.	Технологическая схема  производства разбавленной азотной  кислоты.	14
4.	Физико-химические свойства азотной кислоты………………………….	18
5.	Технологический расчет аппарата………………………………………...	19
5.1	Материальный баланс……………………………………………………...	19
5.2	Тепловой баланс……………………………………………………………	21
6.	Конструктивный расчет аппарата…………………………………………	25
	Вывод………………………………………………………………………..	27
	Литература……………………………………………………………….	28

 

Введение

 

Азотная кислота принадлежит  к числу важнейших кислот и  по объему производства занимает второе место после серной кислоты. Мощность всех заводов мира, производящих азотную  кислоту, в 1974 г. составляла около 40 млн. т.

Азотная кислота широко применяется в народном хозяйстве: 75 – 80% всей производимой в стране кислоты расходуется на получение комплексных (сложных) минеральных удобрений и самых разнообразных солей (нитратов), а 10 – 15% - на получение взрывчатых веществ и синтетических красителей. Азотная кислота и жидкая четырехокись азота используются в качестве окислительных компонентов ракетного топлива, а двуокись азота находит применение для стерилизации семян перед внесением их в почву.

Безводная азотная кислота HNO₃ представляет собой тяжелую бесцветную жидкость плотностью при 20⁰С r = 1,51 г/см³, дымящую на воздухе. Она замерзает при –41,6⁰С и кипит при 82,6⁰С. Безводная азотная кислота заметно разлагается даже при комнатной температуре, при нагревании разложение усиливается:

2HNO₃ = 2NO₂ + H₂O + 0.5O₂

Азотная кислота является сильным окислителем. Большинство  металлов (за исключением Pt, Rh, Ir, Au) растворяется в азотной кислоте, но на поверхности железа концентрированная азотная кислота образует плотный слой оксида железа, который защищает металл от дальнейшего разрушения. Благодаря способности железа пассивироваться азотной кислотой, его часто используют для изготовления разнообразной аппаратуры, соприкасающейся с азотной кислотой, в частности, концентрированную азотную кислоту (особенно с добавлением 10% H₂SO₄, такую кислоту называют меланжем) перевозят обычно в стальных цистернах.

Азотную кислоту выпускают двух видов: разбавленную 45 – 55% и концентрированную 97 – 98,5%.

До ХХ в. азотную кислоту  получали главным образом разложением натриевой селитры NaNO₃ (добываемой в Чили) серной кислотой.

В связи с ограниченными  природными запасами селитры в ряде стран проводились исследования по разработке способа фиксации азота  из атмосферного воздуха. Лишь в начале ХХ в. удалось окислить азот воздуха в пламени электрической дуги при температуре 3500-4000⁰С. Однако дуговой метод не получил распространения вследствие большого расхода электроэнергии.

В конце ХIХ и начале ХХ вв. за рубежом проводились исследования процесса получения азотной кислоты из аммиака, а также были сделаны попытки освоить этот процесс в промышленных условиях.

Существуют два способа  производства азотной кислоты:

1) получение разбавленной  азотной кислоты с последующим  ее концентрированием (в случае  необходимости);

2) непосредственное получение  концентрированной азотной кислоты.

Наибольшее распространение  получил первый способ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литературный  обзор

Аппараты, служащие для  проведения абсорбции – абсорбционной  колонны - состоят из собственно колонны, где осуществляется противоточное контактирование газа и жидкости, и устройств, в которых происходит поглощение газа жидкостью (абсорбентом). Колонна представляет собой вертикально стоящий полый цилиндр, внутри которого установлены контактные устройства различной конструкции или помещен фигурный кусковой материал - насадка.

Назначение тарелок  и насадки - развитие межфазной поверхности  и улучшение контакта между жидкостью  и паром. Тарелки, как правило, снабжаются устройством для перелива жидкости. Конструкции трёх типов переливных тарелок показаны на рис. 1а, б, в.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.  Конструкции переливных тарелок:

а – колпачковая тарелка; б – тарелка из S-элементов («Юнифлакс»);

в – ситчатая тарелка

 

 

 

 

 

В качестве насадки ректификационных колонн обычно используются кольца, наружный диаметр которых равен их высоте. Наиболее распространены кольца Рашига (рис. 2, 1) и их различные модификации (рис. 2, 2-4)

 

 

 

 

Рис. 2. Насадки

 

При абсорбционных процессах  массообмен происходит на поверхности соприкосновения фаз. Поэтому абсорбционные аппараты должны иметь развитую поверхность соприкосновения между газом и жидкостью. Исходя из способа создания этой поверхности, абсорбционные аппараты можно подразделить на следующие группы:

а) Поверхностные   абсорберы,   в   которых   поверхностью   контакта между фазами является зеркало жидкости  (собственно поверхностные абсорберы) или поверхность текущей пленки жидкости (пленочные абсорберы). К этой же группе относятся насадочные абсорберы (рис.3в), в которых жидкость стекает по поверхности загруженной в абсорбер насадки из тел различной формы  (кольца, кусковой материал и т. д.), и механические пленочные абсорберы. Для поверхностных абсорберов поверхность контакта в известной степени определяется геометрической поверхностью элементов  абсорбера   (например, насадки), хотя во многих случаях и не равна ей.

б) Барботажные абсорберы (рис.3а,б), в  которых поверхность контакта  развивается  потоками  газа,  распределяющегося  в  жидкости  в  виде  пузырьков  и  струек.  Такое движение  газа   (барботаж)   осуществляется путем пропускания его через заполненный жидкостью аппарат (сплошной барботаж)  либо в аппаратах колонного типа с различного типа тарелками. Подобный характер взаимодействия газа и жидкости наблюдается также в насадочных абсорберах с затопленной насадкой.

В эту же группу входят барботажные абсорберы с  перемешиванием жидкости механическими мешалками. В барботажных абсорберах поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходами газа и жидкости).

Рис. 3. Типовые конструкции абсорбционных колонн:

а - колпачковая; б - ситчатая; в –  насадочная

 

в) Распыливающие абсорберы, в которых поверхность контакта образуется путем распыления жидкости в массе газа на мелкие капли. Поверхность контакта определяется гидродинамическим режимом (расходом жидкости). К этой группе относятся абсорберы, в которых распыление жидкости производится форсунками (форсуночные, или полые, абсорберы), в токе движущегося с большой скоростью газа (скоростные прямоточные распыливающие абсорберы) или вращающимися механическими устройствами (механические распыливающие абсорберы).

Приведенная классификация абсорбционных аппаратов  является условной, так как отражает не столько конструкцию аппарата, сколько характер поверхности контакта. Один и тот же тип аппарата в зависимости от условий работы может оказаться при этом в разных группах. Например, насадочные абсорберы могут работать как в пленочном, так и в барботажном режимах. В аппаратах с барботажными тарелками возможны режимы, когда происходит значительное распыление жидкости и поверхность контакта образуется в основном каплями.

Из различных  типов аппаратов в настоящее  время наиболее распространены насадочные и барботажные тарельчатые абсорберы. При выборе типа абсорбера нужно в каждом конкретном случае исходить из физико-химических условий проведения процесса с учетом технико-экономических факторов.

Конструкции тарельчатых  колонн весьма разнообразны. Это объясняется чрезвычайно большим ассортиментом перерабатываемого сырья, широким диапазоном производительности и различным гидравлическим режимом колонн. В качестве конструкционного материала для изготовления колонных аппаратов наиболее широко применяют углеродистую и кислотостойкую сталь. В некоторых случаях по условиям коррозии и очистки тарелок целесообразно использовать чугун. Колонны из цветных металлов выполняются реже. В настоящее время осваиваются тарельчатые колонны из неметаллических материалов керамики, графита, фторопласта и т.д. В химической и нефтеперерабатывающей промышленности находят применение тарельчатые колонны различных размеров: от небольших диаметром 300 - 400 мм до крупнотоннажных высокопроизводительных установок с колоннами диаметром 5, 8 и даже 12 м. Высота колонны зависит от числа тарелок и расстояния между нами. Чем меньше расстояние, тем ниже колонна, однако при уменьшении расстояния между тарелками увеличивается унос брызг и возникает опасность переброса жидкости с нижних тарелок на верхние, что существенно уменьшает к.п.д. установки. Поэтому расстояние между тарелками обычно не принимают менее 200 - 300 мм. По соображениям конструктивного порядка и возможности ремонта и очистки тарелок расстояния между ними принимают по таблице .