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

6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O

6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

Соотношение NH₃ : NO_x = 1,0 : 1,4.

Очищенные хвостовые  газы смешиваются с оставшимся воздухом и поступают в универсальную камеру сгорания турбины. Подогрев осуществляется прямым контактом с топочными газами, полученными от сжигания природного газа в токе воздуха. В этой же камере и газоходе до турбины происходит термическое окисление аммиака до молекулярного азота.

Остаточное объёмное содержание в хвостовых газах: оксидов азота - не более 0,005 %, аммиака - не более 0,005 %, оксида углерода (II) СО – 0,02 %. Данные значения являются основными параметрами стадии селективной каталитической очистки хвостовых газов.

 

Рекуперация энергии  давления и тепла очищенных хвостовых  газов.

 

Очищенные хвостовые  газы после реактора каталитической очистки смешиваются с топочными газами в камере сгорания ГТТ-3М поз. М-101^с и с температурой не более 700 ⁰С поступают в газовую турбину ГТТ-3М поз. М-101^м.

Отработанные в турбине  газы с температурой не более 408 ⁰С и давлением не более 0,006 МПа (0,06 кгс/см²) направляются в котел-утилизатор хвостовых газов Г-400ПЭ. В котле вырабатывается перегретый пар давлением не более 1,5 МПа (15 кгс/см²) и температурой не более 230 - 250 ⁰С за счет охлаждения выхлопных газов до температуры не более 180 ⁰С. Перегретый пар выдаётся в общецеховой коллектор.

Топочные и очищенные  хвостовые газы после котла-утилизатора            Г-400ПЭ проходят экономайзеры и выбрасываются  в атмосферу через выхлопную трубу высотой 150.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.Сравнительная характеристика  и выбор основного оборудования

 

В абсорбционных процессах  участвуют две фазы – жидкая и  газовая и происходит переход  вещества из газовой фазы в жидкую.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 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).

 

 

 

 

 

Рисунок 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).

Рисунок 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 .

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Физико-химические свойства  азотной кислоты

 

Безводная HNO₃ – бесцветная жидкость (t_кип = 86⁰С) с плотностью 1.52 г/см³, дымящаяся на воздухе. Максимальную температуру кипения 121.9⁰С имеет 68.4% раствор HNO₃; при этой температуре в паре над кипящей жидкостью содержание молекул HNO₃ составляет тоже 68.4 %, и такой раствор азотной кислоты перегоняется без изменения состава.

Азотная кислота при  нагревании и освещении разлагается:

4HNO₃ = 4NO₂ + O₂ + 2H₂O (DH⁰ = +259.7 кДж)

Азотная кислота –  сильный окислитель, в концентрированных  растворах окисляет неметаллы до соответствующих им высших оксидов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Материальный  баланс.

6.1.Материальный балланс  системы до абсорбера

1. Выполним расчет  состава смеси газов, входящих  в аммиачно-воздушную смесь

а) общий расход газов

Q = 70 000 м³/ч = 19,44 м³/с

б) рассчитаем содержание аммиака в АВС

QNH3 = xNH3Q/100%

1

Q_NH3 = 9*19.44/100% = 1.75 м³/с

Тогда содержание воздуха  в АВС 

Q_В = 19,44 – 1,75 = 17,69 м³/с