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

Расстояние между тарелками

Диаметр колонны, м	Расстояние между тарелками, мм
До 0.8 0.8 - 1.6 1.6 - 2.0 2.0 - 2.4 Более 2.4	200 - 350 350 - 400 400 - 500 500 - 600 Более 600

 

К тарелкам предъявляются  следующие требования: они должны иметь высокий к.п.д. (обеспечивать хороший контакт между жидкостью и паром), обладать малым гидравлическим сопротивлением, устойчиво работать при значительном колебании расходов пара и жидкости. Тарелки должны быть просты по конструкции, удобны в эксплуатации, иметь малый вес и быть нечувствительными к различным осадкам и отложениям, что особенно важно при работе с загрязненными жидкостями. Наибольшее применение находят колпачковые, ситчатые и клапанные тарелки.

Провальные тарелки (рис.4а) имеют перекрещивающее всё сечение колонны основание, выполненное в виде листа со щелями (отверстиями), но у них нет специальных переливных устройств для стока жидкости, При нормальной работе на всей плоскости тарелки образуется устойчивый барботажный слой, при этом место стока жидкости распределяются более или менее равномерно по сечению колонны.

Колпачковые тарелки (рис. 4б) наиболее часто применяют в  ректификационных установках. Пары с  предыдущей тарелки попадают в паровые  патрубки колпачков и барботируют  через слой жидкости, в которую частично погружены колпачки. Колпачки имеют отверстия или зубчатые прорези, расчленяющие пар на мелкие струйки для увеличения поверхности его соприкосновения с жидкостью. Переливные трубки служат для подвода и отвода жидкости и регулирования её уровня на тарелке. Основной областью массообмена и теплообмена между парами и жидкостью, как показали исследования, является слой пены и брызг над тарелкой, создающийся в результате барботажа пара. Высота этого слоя зависит от размеров колпачков, глубины их погружения, скорости пара, толщины слоя жидкости на тарелке, физических свойств жидкости и др.

Тарелки, собранные из S–образных элементов (рис. 4в), обеспечивают движение пара и гладкости в одном  направлении, способствуя выравниванию концентрации жидкости на тарелке. Площадь живого сечения на тарелке составляет 12 - 20 % от площади сечения колонны. Коробчатое поперечное сечение элемента создает значительную жесткость, позволяющую устанавливать его на опорное кольцо без промежуточных опор в колоннах диаметром до 4,5 м.

 

Рисунок 4 Конструкции тарелок:

а – провальная; б –  колпачковая; в - из S-образных элементов; г – клапанная;

д - ситчатая

1 – основание тарелки; 2 – переливы; 3 – колпачок;

4 - S-образный элемент; 5 - клапан

 

Клапанные тарелки (рис. 4г) показали высокую эффективность при значительных интервалах нагрузок благодаря возможности саморегулирования. В зависимости от нагрузки клапан перемещается вертикально, изменяя площадь живого сечения для прохода пара, причем максимальное сечение определяется высотой устройства, ограничивающего подъем. Площадь живого сечения отверстий для пара составляет 10 - 15 % площади сечения колонны. Скорость пара составляет 1,2 м/с. Клапаны изготавливают в виде пластин круглого или прямоугольного сечения с верхним или нижним ограничителем подъема.

Ситчатые тарелки (рис.4д) имеют отверстия диаметром 2-8 мм, через которые проходит газ, барботирующий  затем через слой жидкости на тарелке. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством. При нормальных нагрузках по газу жидкость через отверстия не протекает, так как она поддерживается снизу давлением газа. При низких нагрузках по газу давление газа не может удержать слой жидкости, соответствующий высоте перелива. При этом уровень жидкости устанавливается ниже перелива и жидкость проходит через те же отверстия, через которые движется газ.

Как видно, существует большое  количество конструкций тарелок, и  это сильно затрудняет выбор оптимального варианта. При выборе конструкции  тарелки наряду с общими требованиями, таких как интенсивность работы аппарата, его стоимость, выдвигаются требования, обусловленные спецификой производства: большой интервал устойчивости работы при изменении нагрузок по фазам, возможность использования тарелок в среде загрязнённых жидкостей, возможность защиты от коррозии. Также следует учитывать и такие факторы, как промышленный опыт эксплуатации, возможность быстрого изготовления.

 

 

 

 

 

 

 

 

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

 

Процесс получения разбавленной азотной кислоты из аммиака осуществляется либо при атмосферном давлении, либо при повышенном давлении; причем химическая и принципиальная схемы этих процессов  не отличаются друг от друга.

Химическая  схема производства включает три основные реакции:

а) контактное окисление  аммиака до окиси азота

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

б) окисление окиси  азота до двуокиси азота

2NO + O₂ = 2NO₂ + 124 кДж

в) абсорбция двуокиси азота водой с образованием азотной  кислоты и окиси азота (которая  возвращается в процесс)

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O

Суммарная реакция образования  азотной кислоты из аммиака выражается в виде уравнения

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O

Принципиальная  схема производства азотной кислоты из аммиака включает шесть основных операций (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема  производства азотной кислоты

1 – очистка воздуха  и аммиака; 2 – окисление аммиака  на катализаторе; 3, 4 – охлаждение  нитрозных газов с использованием  тепла и в холодильнике; 5 –  окисление окислов азота и  образование азотной кислоты; 6 – очистка отходящих газов.

Аммиак и воздух смешиваются  и фильтруются 1, а затем направляются для окисления аммиака 2. за счет тепла реакции газовая смесь нагревается, поэтому ее направляют на охлаждение 3 и 4, здесь происходит окисление окислов азота до двуокиси азота (реакция б). Дальнейшее окисление окиси азота осуществляется одновременно с образованием азотной кислоты (реакция в) в процессе абсорбции двуокиси азота водой 5. Отходящие газы подвергаются очистке 6, после чего выводятся в атмосферу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Физико-химические основы  производства

 

2.1. Контактное окисление  аммиака. Между аммиаком и кислородом  могут протекать следующие реакции:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 907 кДж

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O + 1105 кДж

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O + 1270 кДж

Эти реакции практически  необратимы, поэтому направление  процесса определяется соотношением скоростей  реакций.

В отсутствии катализатора окисление аммиака идет в основном с образованием элементарного азота  по реакции 3; эта реакция является термодинамически наиболее устойчивой, поскольку она сопровождается наибольшим выделением тепла. Константа равновесия этой реакции имеет наибольшее значение, что видно из приведенных ниже данных, (рассчитанных при 900⁰С):

Для получения азотной  кислоты необходимо обеспечить возможно более полное окисление аммиака по реакции 1, поэтому применяют катализаторы, избирательно ускоряющие эту реакцию. Такими катализаторами могут служить платина и ее сплавы с металлами платиновой группы (родием, палладием), а также окислы железа и никеля с добавками окислов марганца, кобальта и др. Платина и ее сплавы являются наиболее активными катализаторами окисления аммиака, в течение длительного времени они сохраняют высокую активность, устойчивость и обладают хорошей механической прочностью, поэтому большинство заводов, производящих азотную кислоту, работают с применением платиновых катализаторов.

Процесс контактного  окисления аммиака начинается со стадии активированной адсорбции кислорода  на поверхности катализатора с образованием комплекса, который в дальнейшем разрушается с освобождением катализатора и образования NO и H₂O (рис. 4).

Рис. 4. Схема окисления  аммиака на поверхности платины (сплошными линиями обозначены ранее  возникшие связи, пунктирными –  вновь образующиеся связи)

Чистая платина при  высокой температуре процесса быстро разрушается, поэтому в качестве катализатора применяют сплав платины  и родия. Так как стоимость  родия более высокая, чем платины, применяют сплавы, содержащие 5-10% родия. Добавление к платине родия повышает не только прочность, но и активность катализатора:

Содержание родия в  сплаве с платиной, %	0	2	10	15
Степень превращения, %	96,1	98,3	99,3	99,0

Платино-родиевые катализаторы применяют в виде сеток из тонкой проволоки диаметром 0,06-0,09 мм. В процессе эксплуатации поверхность сеток сильно разрыхляется, сетки становятся хрупкими, а их гладкие и блестящие нити – губчатыми и матовыми. При этом поверхность сеток увеличивается (рис. 5) и возрастает каталитическая активность платинового катализатора.

Рис. 5. Зависимость выхода окиси азота от температуры:

1 – при 10⁵ Па; 2 – при 8*10⁵ Па

Оптимальное время соприкосновения  аммиачно-воздушной смеси с платиновым катализатором τ составляет около 10^-4 с. С увеличением τ выход окиси азота по реакции 1 снижается (рис. 6) вследствие протекания побочных реакций. Для обеспечения оптимального времени соприкосновения газа с катализатором его готовят в виде сеток, наложенных друг на друга. При этом увеличивается общая поверхность платиновых сеток и возрастает активность катализатора. В реакторах, работающих при атмосферном давлении, достаточно 3-4 сеток, а реакторов, работающих под давлением 0,7-0,9 МПа, - 16-20 сеток.

Рис. 6. Зависимость степени  окисления аммиака от времени  соприкосновения при 900⁰С, постоянном отношении О₂:NH₃ = 2 и содержании NH₃ = 11%

Платиновый катализатор  очень чувствителен к примесям, обычно присутствующим в воздухе и аммиаке. Наиболее сильное влияние оказывает  фосфористый  водород. При содержании его в аммиачно-воздушной смеси 2*10^-5% степень окисления аммиака снижается на 80%, при этом отравление катализатора является необратимым. Вредное действие оказывают также соединения серы и некоторые другие вещества; при содержании в газовой смеси 1% сероводорода активность платины на несколько процентов.

С целью уменьшения вредных  примесей в воздухе, используемом для  приготовления аммиачно-воздушной  смеси, его подводят через заборную трубу высотой 100-150 м, установленную  вне завода. Несмотря на эти меры, небольшое количество примесей все  же попадает в реактор окисления аммиака, вследствие чего активность катализатора постепенно снижается. Поэтому сетки периодически подвергают регенерации (обработке) соляной кислотой концентрацией 10-15% при температуре 50-70⁰С. В системах, работающих при атмосферном давлении, сетки регенерируются через 6-8 мес., а в системах, работающих при повышенном давлении, - через каждые 15-20 сут.

В процессе работы поверхность  платинового катализатора разрушается  и мельчайшие частицы платины  увлекаются газовым потоком. В дальнейшем некоторая доля извлекается, но значительная часть платины теряется, и эти потери тем больше, чем выше давление и температура процесса и чем меньше содержание родия в катализаторе. В установках работающих при атмосферном давлении и температуре 800⁰С, потери платино-родиевого катализатора составляют 0,04-0,06 г на 1 т HNO₃ (рис. 7). В системах, работающих под давлением 0,8 МПа и при 900⁰С, потери достигают 0,3-0,4 г платины на 1 т HNO₃.

Рис. 7. Зависимость потерь платины новых контактных сеток  от температуры:

1 – платиновые сетки; 2 – платино-родиевые сетки (10% Rh)

Когда потери сеток составят примерно 30%, их направляют на переплавку. Платино-родиевые сетки в установках, работающих при атмосферном давлении, служат около 1,5 лет.

Принципиальная схема  современного конвертора с платиновыми сетками показана на рис. 8. Платиновые сетки расположены горизонтально на колосниковых решетках или на переплетенных нитях (металлических струнах); поток аммиачно-воздушной смеси направлен сверху вниз. Диаметр сеток, работающих при атмосферном давлении, составляет от 2 до 4 м, а в аппаратах, работающих под давление, - от 0,5 до 2 м.

Рис. 8. Принципиальная схема  аппарата с катализаторной сеткой

Платина является очень  дорогим металлом, поэтому ведутся  настойчивые поиски неплатиновых катализаторов для окисления аммиака. Наиболее активные из них – окисные катализаторы: железохромовый, хромоникелевый, кобальто-никелевый и др.

Поскольку степень превращения  на таких катализаторах невысока, применяют двухступенчатые катализаторы, состоящие из платиновой сетки в качестве катализатора первой ступени и неплатинового слоя (например, железохромовый) – в качестве катализатора второй ступени. Толщина второго слоя 50-65 мм, он расположен на расстоянии 10-15мм от платиновой сетки (рис. 9).