Каталитическое окисление аммиака

Для очистки от посторонних  газов и механических загрязнений  воздух промывается водой в скруббере, фильтруется через матерчатые фильтры  и совместно с аммиаком подается в систему вентилятором, в улите  которого происходит смешение воздуха  и аммиака в нужном соотношении. До поступления на катализатор газовую  смесь еще раз фильтруют через  поролитовый или картонный фильтр, размещенные в верхней части  контактного аппарата. Контактный аппарат  монтируется непосредственно на котле-утилизаторе. На выходе из котла-утилизатора  температура нитрозных газов  снижается с 800 до 160⁰С. Дальнейшее охлаждение нитрозных газов производится в двух последовательно включенных водяных холодильниках. На выходе из скоростного холодильника при температуре 40⁰С отделяется конденсат, содержащий 2-3% азотной кислоты. Поскольку при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

охлаждении газов содержащаяся в них окись азота быстро окисляется и температура снова повышается, газы проходят второй холодильник, в  котором отделяется конденсат, содержащий уже 25-30% азотной кислоты. Охлажденные  нитрозные газы с помощью вентилятора  подаются в абсорбционную систему, состоящую из 6-8 башен. В последнюю  по ходу газа башню подается вода. Каждая башня системы орошается кислотой соответствующей концентрации. Циркуляция орошающей кислоты осуществляется при помощи центробежных насосов, подающих ее в башни через водяные холодильники. Нитрозный вентилятор подсасывает  в систему воздух в таком количестве, чтобы содержание кислорода в  выхлопных газах поддерживалось в пределах 3,5-5%. Степень поглощения окислов азота в башнях кислотной  абсорбции составляет 92-94%. Остатки  окислов азота улавливаются далее  в щелочных башнях. Между системами  кислой и щелочной абсорбции установлена  пустотелая окислительная башня, предназначенная  для повышения степени окисленности NO до 50-60%.

Основным недостатком  систем, работающих под атмосферным  давлением, является необходимость  использования значительных реакционных  объемов при относительно малой  производительности установки.

Схема азотнокислой установки, работающей под давлением 8 ат, приведена  на рис.2. Воздух, очищенный от примесей в башне-скруббере и матерчатом фильтре, сжимается в турбокомпрессоре, на одном валу с которым находится рекуперационная турбина. Сжатый до 8 ат при температуре 110-120⁰С воздух поступает через фильтр на смешение с аммиаком в смеситель, часть воздуха направляется в абсорбционную колонну.

Газообразный аммиак, выходящий  из испарителя 20, проходит фильтр 19 и  поступает в смеситель 18.

Окисление аммиака кислородом воздуха осуществляется в контактном аппарате 17, после чего полученные нитрозные  газы охлаждаются в паровом котле 16 и смешанные с добавочным воздухом поступают в холодильник-конденсатор 13. В холодильнике-конденсаторе в  результате охлаждения нитрозных газов  до 40-50⁰С и конденсации паров воды образуется 50-53%-ная азотная кислота, которая, пройдя фильтр для улавливания частиц платины 15, отводится из системы или направляется на тарелку, соответствующую концентрации этой кислоты.

Нитрозные газы из сепаратора 14 направляются под первую тарелку  абсорбционной колонны 10 сетчатого  или колпачкового типа. Колонна орошается  чистым конденсатом, подаваемым насосом 2. Для отвода выделяющегося тепла  на тарелках в несколько рядов  уложены змеевики, по которым циркулирует  охлаждающая вода. Выхлопные газы из колонны проходят брызгоуловитель 11, подогреватель 8, где нагреваются  паром или нитрозными газами.

Пуск системы производится под разрежением, создаваемым паровым  эжектором 9. Продукционная 54-58%-ная  кислота, содержащая 2-4% растворенных окислов  азота, подвергается продувке в отдельном  аппарате.

В системе описанного типа рекуперируется до 40% энергии, затраченной  на сжатие воздуха. К основным недостаткам  установок, работающих под повышенным давлением, следует отнести повышенный расход электроэнергии и значительные потери платинового катализатора.

Экономичность установок  данного типа в значительной степени  определяется применяемым давлением. Поскольку разница в производственных затратах при изменении давления невелика, рекомендуется выбирать систему  с наименьшими капитальными затратами. Минимальными капитальными затратами, по зарубежным данным, характеризуются  установки, работающие под давлением 6-9 ат. Изменение давления в этом интервале не сказывается существенно  на экономике процесса.

Большое распространение  в нашей стране и в странах  Западной Европы получили комбинированные  схемы производства разбавленной азотной  кислоты, в которых, в определенной мере, устраняются недостатки, присущие системам, работающим под атмосферном и повышенным давлением.

Сущность комбинированного способа заключается в том, что  окисление аммиака и охлаждение нитрозных газов проводят под  атмосферным давлением, а переработку  окислов азота в кислоту - под  повышенным давлением. Благодаря этому  сокращаются потери платинового  катализатора при относительно небольших  реакционных объемах.

По сравнению с рассмотренными схемами новым видом оборудования комбинированных систем являются турбокомпрессоры для сжатия нитрозных газов, изготовляемые  из кислотостойкой стали. Кроме того, после компрессора может быть установлен окислительный объем; при  этом тепло окисления окиси азота  используется для подогрева выхлопных  газов, направляемых в рекуперационную  турбину.

В настоящее время в  нашей стране приняты системы  с давлением конверсии аммиака  в 1 ат и давлением абсорбции 3,5 ат.

 

Основная аппаратура систем для производства разбавленной серной кислоты.

 

Контактные  аппараты. В промышленности получили распространение комбинированные агрегаты для окисления аммиака под атмосферным давлением (рис.3). Агрегат состоит из картонного фильтра I, контактного аппарата II, котла-утилизатора 7 и экономайзера 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аммиачно-воздушная смесь  поступает в агрегат сверху и, пройдя кассеты картонного фильтра 2, через окна центральной трубы  попадает во входной конус контактного  аппарата. Для поддержания одинаковой температуры и равномерного распределения  нагрузки на поверхности катализатора газовая смесь проходит распределительную  решетку 3. Внизу цилиндрической части  аппарата на колосниковой решетке расположены  платиноидные катализаторные сетки 4, а под ними - неплатиновые сетки 5. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Ниже катализатора расположен слой фарфоровых колец 6, выполняющих  роль аккумулятора тепла.

Нижняя часть контактного  аппарата, футерованная жаростойким  кирпичом, непосредственно соединяется  с верхней частью котла утилизатора  III.

Нитрозные газы, пройдя котел, экономайзер и охладитель, отводятся  из нижней части аппарата. Питательная  вода подается в трубки нижней части  экономайзера. В верхней части  котла отводится пар под давлением 40 ат с температурой 450⁰С. Агрегат изготавливается из  хромоникелевой стали.

На рис.4 показан один из типов контактных аппаратов, работающих под давлением до 9 ат. Аппарат  состоит из верхнего конуса 7,нижнего  конуса (чаши) 11 и хвостовой присоединительной  трубы 1.Нижний конус и труба снабжены водяной рубашкой 3. Между конусами на колосниках из нихрома находятся  катализаторные сетки. Для изготовления контактных аппаратов применяются  нержавеющие хромоникелевые стали  и нихром. Размеры аппаратов квадратного  сечения 350х350 мм диаметр аппаратов  до 500 мм круглого сечения

Абсорбционные колонны. Для абсорбции окислов азота под атмосферным давлением применяют насадочные абсорбционные колонны из нержавеющей стали. Диаметр их достигает 8м; высота 29 м (рис 5). Колонна состоит из сварного корпуса 4, заполненного кольцами Рашига, колосниковой решетки 2 и разбрызгивающего устройства 1 . Нитрозный газ поступает вниз колонны, а отводится в верхней части его. Орошающая кислота движется противотоком по отношению к газовому потоку. Для абсорбции нитрозных газов под повышенным давлением применяются абсорбционные колонны тарельчатого типа с колпачковыми или ситчатыми тарелками. Устройство колонны с ситчатыми тарелками показано на рис.6.

Колонна представляет собой  сварной цилиндрический вертикальный сосуд диаметром 3 м и высотой 45 м, изготовленный из стали марки  IXI8H9Т. Ситчатые тарелки 1 в количестве 40 шт. расположены по высоте колонны на различных расстояниях друг от друга. Отверстия диаметром 2 мм размещены на тарелках в шахматном порядке. При прохождении через такую тарелку газа снизу вверх и жидкости сверху вниз на тарелке образуется пена с большой поверхностью раздела фаз, что способствует интенсификации массообмена. Для перетока жидкости с тарелки на тарелку служат переливные патрубки 4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для отвода тепла, выделяющегося  в процессе абсорбции нитрозных  газов, на тарелках размещены охлаждающие  змеевики 2, в которых циркулирует  вода. Общая охлаждающая поверхность  в колонне достигает 500 м².

 

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ  ТЕХНОЛОГИИ.

 

К современным тенденциям развития технологии производства азотной  кислоты относятся: обеспечение  наибольшей надежности конструкций  аппаратуры и машинных агрегатов; повышение  степени кислой абсорбции, а также  степени использования тепла  химических реакций и к.п.д. энергии  сжатых газов; увеличение скорости процесса на всех его этапах, снижение вредных  выбросов в атмосферу.

Кроме того существенное влияние  на экономику производства оказывает  мощность применяемых установок, повышение  которой приводит к снижению затрат на строительство азотно-кислотных  систем. Повышение мощности установок  вызывает необходимость повышения  давления (в особенности на стадии абсорбции).

Важной проблемой развития производства азотной кислоты является повышение ее концентрации, что позволяет  упростить методы получения аммиачной  селитры и других азотных удобрений.

Существенное снижение себестоимости  азотной кислоты может быть достигнуто при уменьшении потерь платинового  катализатора. С этой целью проводятся испытания эффективных фильтров для улавливания платиновой пыли, испытываются катализаторы с повышенным содержанием Pd и Rh, внедряются в производство комбинированные катализаторы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

 

1. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. М.: Химия, 1970. 496с.
2. Софронов А.Л. Технология связанного азота. Пермь.1973.
3. Справочник азотчика, т.1. М.: Химия, 1986.
4. Справочник азотчика, т.2. М.: Химия 1987.
5. Атрощенко В.И. и др. Курс технологии связанного азота. М.: Химия, 1969. 384с.
6. Ведерников М.И., Кобозев В.С., Рудой И.В. Технология соединений связанного азота. М.: Химия, 1967. 418с.