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

 

   Распределение и подготовка газообразного аммиака.

Узел подготовки газообразного  аммиака (УПА) включает в себя три  аппарата:

• аппарат подготовки газообразного аммиака (испаритель) поз. Т-204;
• фильтр газообразного аммиака;
• подогреватель газообразного аммиака.

Работа УПА может осуществляться:

• на жидком аммиаке, поступающего на установку САК со склада жидкого аммиака;
• на газообразном аммиаке давлением 1,4 МПа (14,0 кгс/см²), поступающего на установку САК с агрегата АМ-1;
• по смешанной схеме (на газообразном и жидком аммиаке).

Работа УПА на жидком аммиаке.

Жидкий аммиак, поступающий  из общецехового коллектора в аппарат  подготовки газообразного аммиака  поз. Т-204 под давлением 1,2 - 1,4 МПа (12,0 – 14,0 кгс/см²), испаряется при температуре не более 30 ⁰С и давлении в аппарате 1,05 - 1,15 МПа (10,5 - 11,5 кгс/см²) водяным паром с давлением не более 1,5 МПа (15,0 кгс/см²). Постоянное давление газообразного аммиака на выходе из испарителя поддерживается изменением количества пара, подаваемого на испарение жидкого аммиака. Заданный уровень жидкого аммиака в испарителе поддерживается автоматически.

Из аппарата газообразный аммиак поступает в фильтр, где  очищается от масла, механических примесей, влаги на фильтрующих элементах ФЭП, выполненных из фторопласта.

После очистки газообразный аммиак из аппарата направляется в  подогреватель, где нагревается  до температуры 80 - 110 ⁰С водяным паром с давлением не более 0,6 МПа (6,0 кгс/см²).

Сброс парового конденсата из испарителя осуществляется в общецеховой коллектор, из которого он направляется в сборники парового конденсата поз. Е-301/А,Б. Сброс парового конденсата из подогревателя осуществляется в общецеховой коллектор, из которого он поступает в деаэраторные колонки поз. К-301/1,2.

По мере испарения  жидкого аммиака концентрация масла  и механических примесей в кубовых остатках испарителя увеличивается. Во избежание этого предусматривается постоянный отвод (непрерывная продувка) жидкого аммиака из испарителя в общецеховой сборник кубовых остатков поз. Х-401 или аварийную ёмкость аммиака, где из кубовых остатков испаряется газообразный аммиак, который выдается в заводскую сеть 0,35 МПа (3,5 кгс/см²), а накопившееся масло и механические примеси периодически выводятся из сборника кубовых остатков в буферную емкость через маслосборник. Масло и капли жидкого аммиака, уловленные в фильтре, также непрерывно выводятся в общецеховой сборник кубовых остатков или аварийную ёмкость аммиака.

 

Работа УПА на газообразном аммиаке.

Газообразный аммиак после аммиачного компрессора агрегата АМ-1 поступает на установку САК с давлением до 1,5 МПа (15,0 кгс/см²) и температурой 135 – 165 ⁰С. Для защиты системы трубопроводов и аппаратов от повышения давления предусмотрен кратковременный сброс газообразного аммиака в заводскую сеть 0,35 МПа (3,5 кгс/см²) через запорно-регулирующий клапан пропускной способностью до 7000 м³/ч. Клапан автоматически открывается при повышении давления в трубопроводе на входе в установку САК выше установленного значения. Продолжительность сброса определяется временем изменения отбора газа на выходе из агрегата аммиака при аварийной остановке одного из агрегатов кислоты или при повышении давления в коллекторе на входе в установку САК по другим причинам. Этот же клапан, управляемый дистанционно, может использоваться для вывода на режим охладителя газообразного аммиака.

 При работе УПА только  на газообразном аммиаке снижение  температуры производится за счёт испарения жидкого аммиака впрыскиваемого в газ, для чего предусмотрен охладитель на общем трубопроводе. Температура аммиака после охладителя должна быть не менее 70 ⁰С, которая регулируется автоматически изменением расхода подаваемого на впрыск жидкого аммиака. Жидкий аммиак отбирается из общецехового трубопровода жидкого аммиака, который предварительно очищается на фильтрах поз. Ф-1.

Трубопровод газообразного аммиака  после охладителя разделяется на три потока - к УПА №8,9,10. Газообразный аммиак проходит через испаритель , который, в данном случае, выполняет  роль ресивера и брызгоотделителя, и направляется в фильтр, после  чего, при необходимости, подогревается в подогревателе поз. Т-205 до температуры 80 – 110 ⁰С. Давление аммиака 1,05 - 1,15 МПа (10,5 - 11,5 кгс/см²) в аппаратах УПА поддерживается автоматически с помощью регулирующего клапана на трубопроводе перед входом в испаритель.

 

Работа УПА по смешанной  схеме.

При нормальной работе агрегата АМ-1 и  установки САК работа УПА №8,9,10 осуществляется по смешанной схеме.

При работе на смешанной схеме впрыск жидкого аммиака в трубопровод  газообразного аммиака с целью  снижения температуры газообразного аммиака не требуется. Газообразный аммиак с температурой на входе в установку САК 135 – 165 ⁰С поступает в УПА №8,9,10. В испаритель также подаётся жидкий аммиак, уровень которого поддерживается автоматически. В аппарате происходит испарение жидкого аммиака за счёт тепла газообразного аммиака. В этом же аппарате происходит смешение газообразного аммиака с агрегата АМ-1 и газообразного аммиака, полученного испарением жидкого. Подача перегретого пара для испарения жидкого аммиака не требуется. Давление аммиака 1,05 - 1,15 МПа (10,5 - 11,5 кгс/см²) в аппаратах УПА поддерживается автоматически с помощью регулирующего клапана на трубопроводе газообразного аммиака перед входом в испаритель. Далее, т.н. смешанный, газообразный аммиак поступает в фильтр и подогреватель, где подогревается до температуры 80 – 110 ⁰С. Непрерывная продувка аппаратов осуществляется аналогично работе УПА на жидком аммиаке. 

Работа УПА по смешанной схеме  позволяет произвести быстрый перевод  работы УПА только на жидкий аммиак в случае прекращения подачи газообразного аммиака с агрегата АМ-1. Также может быть произведён перевод работы УПА с жидкого аммиака на смешанную схему без остановки технологической части агрегата.

 

На линии аммиака перед смесителем осуществляется отбор газообразного аммиака на селективную каталитическую очистку в количестве 20 - 80 м³/ч, который подаётся в реактор .

 

Основными параметрами стадии являются: температура газообразного аммиака  после подогревателя - не менее 80 ⁰С и давление после испарителя - не менее 7,3 кгс/см².

 

Подготовка аммиачно-воздушной  смеси.

Сжатый воздух после  нагнетателя ГТТ-3М подается в  подогреватель воздуха, встроенный в окислитель поз. Х-201, где нагревается за счет тепла нитрозных газов до температуры не более 240 ⁰С, после чего поступает в смеситель. Количество воздуха, поступающего в смеситель, регулируется сбросом части воздуха в камеру сгорания ГТТ-3М.

В смесителе воздух смешивается  с газообразным аммиаком. Объемная доля аммиака в аммиачно-воздушной  смеси поддерживается постоянной с помощью автоматической схемы соотношения «аммиак-воздух», равной             9,5 - 10,6 %. После смешивания в аппарате аммиачно-воздушная смесь фильтруется на патронных фильтрах из материала УСТВ (количество фильтров -   130 шт.) и с температурой 170 - 230 ⁰С поступает в контактный аппарат поз. Р-201.

Основными параметрами  стадии являются: температура аммиачно-воздушной  смеси – 170 - 230 ⁰С и объёмное соотношение «аммиак-воздух» -  9,5 - 10,6 %.

 

Конверсия аммиака и  охлаждение нитрозных газов.

В контактном аппарате аммиак окисляется кислородом воздуха до оксида азота (II) на платиновых катализаторных сетках и оксидном катализаторе второй ступени окисления аммиака ИК-42-1М. В качестве несущей подложки для пакета платиновых сеток может использоваться блочный кордиеритовый носитель сотовой структуры АОК-63-81. Реакция окисления аммиака протекает при температуре 880 - 910 ⁰С с кислородом, содержащемся в аммиачно-воздушной смеси по реакциям:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O  + 908 кДж

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O  + 1099 кДж

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O  + 1260 кДж

Основной является первая реакция, вторая и третья реакции - побочные, увеличивающие прямые потери аммиака. Степень конверсии аммиака (выход NO от исходного аммиака) должна быть не менее 93,5 %.

Образующиеся при окислении аммиака нитрозные газы с температурой 880 - 910 ⁰С поступают в котел-утилизатор нитрозного газа Г-420БПЭ. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до температуры 250 - 285 ⁰С происходит испарение питательной воды с получением насыщенного пара давлением 1,5 МПа (15,0 кгс/см²), который после паросборника котла-утилизатора поступает в пароперегреватель, расположенный в контактном аппарате после катализаторных сеток. Уровень воды в котле-утилизаторе регулируется автоматически. Температура получаемого перегретого пара после пароперегревателя котла– 230 - 250 ⁰С. Перегретый пар в количестве до 25 т/ч выдаётся в общецеховой коллектор. В газовом тракте котла-утилизатора частично идет реакция окисления оксида азота II (NO) в оксид азота IV (NO₂) с выделением тепла:

2NO + O₂ = 2NO₂  + 124 кДж

Из котла-утилизатора  поз. Т-201 нитрозный газ поступает  в совмещённый аппарат – окислитель с подогревателем воздуха. В объеме окислителя происходит также реакция окисления оксида азота II в оксид азота IV с повышением температуры нитрозных газов не более 340 ⁰С. В нижней части окислителя установлен фильтр для улавливания катализаторной пыли (платины) из газовой фазы.

Из окислителя нитрозный  газ разделяется на два потока, один из которых поступает в подогреватель воздуха, где за счет нагрева воздуха охлаждается до температуры 185 - 195 ⁰С. Другой поток, являясь байпасом подогревателя воздуха, через заслонку с ручным приводом соединяется с первым потоком нитрозного газа после выхода его из подогревателя воздуха.

После объединения в  общий поток нитрозный газ  с температурой до    260 ⁰С поступает в подогреватель хвостовых газов, откуда охлаждённый хвостовыми газами до температуры 152 – 187 ⁰С, поступает в холодильники-конденсаторы.

В холодильниках-конденсаторах за счёт охлаждения оборотной водой происходит дальнейшее охлаждение нитрозных газов до температуры не более 50 ⁰С, а также конденсация водяных паров с образованием         40 – 55 % азотной кислоты, которая подаётся в абсорбционную колонну на тарелки с соответствующей массовой долей кислоты. Оборотная вода с температурой не более 35 ⁰С возвращается в оборотный цикл ВОЦ-7/2.

Основными параметрами  стадии являются: температура под  сетками КА - 880 – 910 ⁰С и степень конверсии NH₃ - не менее 93,5 %.

 

 

Абсорбция оксидов азота.

Нитрозный газ из холодильников-конденсаторов  поступает под первую тарелку абсорбционной колонны. В колонне размещены 47 ситчатых тарелок с отверстиями диаметром 2 мм и шагом между ними 10 мм. Нитрозный газ, проходя через отверстия в тарелках, барботирует через слой кислоты, ограниченный переливным устройством, создавая при этом пенный режим с большой поверхностью контакта фаз. Реакции в абсорбционной колонне происходят в двух фазах: жидкой и газообразной.

В жидкой фазе на тарелках:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂  + 116 кДж

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂  + 59 кДж

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O  + 76 кДж

В газовом объёме:

2NO + O₂ = 2NO₂  + 124 кДж

2NO₂ = N₂O₄  + 57 кДж

Для обеспечения полного  окисления оксида азота II (NO) в оксид азота IV (NO₂) и избытка кислорода (О₂) на выходе из колонны не менее 1,7 % в трубопровод нитрозного газа перед подогревателем хвостовых газов подается добавочный воздух.

Нитрозный газ поступает  в «куб» колонны под первую тарелку, проходит последовательно тарелки снизу вверх. На 46 тарелку для орошения абсорбционной колонны подается химочищенная вода или паровой конденсат с температурой не более 35 ⁰С. Образование азотной кислоты происходит, начиная с верхней тарелки. По мере прохождения через тарелки сверху вниз происходит увеличение массовой доли азотной кислоты. На выходе из абсорбционной колонны массовая доля азотной кислоты должна быть не менее 57 %.

Отвод реакционного тепла  процесса абсорбции производится оборотной  водой, проходящей по охлаждающим трубчатым  змеевикам, уложенным на тарелках абсорбционной колонны.

Азотная кислота после  абсорбционной колонны направляется в отдувочную колонну, где производится ее отдувка от растворенных оксидов азота горячим добавочным воздухом после нагнетателя ГТТ-3М. Отдутая (отбеленная) азотная кислота из продувочной колонны выдается на склад азотной кислоты. В отдувочной колонне автоматически поддерживается заданный уровень кислоты, что предотвращает от пропусков газа (воздуха) в хранилища поз. Е-501/А,Б,В,Г. Добавочный воздух из продувочной колонны с удалёнными из кислоты окислами азота поступает в трубопровод нитрозных газов перед абсорбционной колонной.

Выходящий из абсорбционной  колонны хвостовой газ с объемной долей окислов азота не более 0,11 %, объёмной долей кислорода не менее 1,7 % и с температурой не более 35 ⁰С после отделения от влаги в центробежном сепараторе поступает в подогреватель, где подогревается теплом нитрозных газов до температуры не более 150 ⁰С.

Во избежание коррозии абсорбционной колонны нитрозилхлоридом (NOCl) предусмотрен периодический вывод кислоты с повышенным содержанием хлоридов с тарелок № 14, 17, 18, 19 в трубопровод продукционной кислоты после отдувочной колонны.

Основными показателями стадии являются: степень абсорбции - не менее 99 % и концентрация продукционной азотной кислоты - не менее 57 %.

 

 

Каталитическая селективная  очистка хвостовых газов.

Хвостовые газы после  подогревателя хвостовых газов  с температурой не более 150 ⁰С поступают в межкамерное пространство камеры сгорания реактора (между внутренней «жаровой» частью и наружным корпусом камеры), где подогреваются до температуры 230 - 320 ⁰С топочными газами, полученными при сгорании природного газа в КСР, при их смешении, и направляются в реактор каталитической очистки. Для сгорания природного газа в КСР подаётся воздух после нагнетателя ГТТ-3М.

Восстановление оксидов  азота происходит в реакторе на катализаторе АВК-10М (АВК-С) аммиаком, поступающим по трубопроводу от смесителя в камеру смешения в количестве 20 - 80 м³/ч в зависимости от нагрузки на агрегате по следующим реакциям: