Производство азотной кислоты

Степень поглощения диоксида азота водными растворами азотной кислоты определяется такими факторами как температура, давление, концентрация кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышении давления степень превращения диоксида азота растет. При концентрации азотной кислоты выше 65% поглощение практически прекращается.

Следует также  отметить, что степень окисления NO зависит от свободного объема, а количество поглощаемых оксидов азота – от поверхности контакта фаз. Поэтому одно из основных требований, предъявляемых к абсорбционной аппаратуре – создание максимального свободного объема при одновременно сильно развитой поверхности поглощения. Поэтому реактор образования азотной кислоты – абсорбционная колонна с копачковыми или ситчатыми тарелками. Пространство между тарелками работает как газофазный окислитель основного количества выделившегося NO. Барботаж в новом слое жидкости на тарелке обеспечивает интенсивный массообмен с газом, способствуя поглощению компонентов газофазной смеси и тем самым образованию HNO₃ и жидкофазному окислению NO. Достаточно большой объем газовой фазы между тарелками позволяет достичь высоких степеней газофазного окисления NO в NO₂, можно считать, что в абсорбционной колонне протекает превращение, описываемые следующим брутто-уравнениями:

4NO₂ + 2H₂O + O₂ ® 4 HNO₃

Для отвода избыточного  тепла на тарелках установлены плоские  змеевидные холодильники с циркулирующей в них водой.

Технология  процесса.

Современные установки, работающие под повышенным давлением (от 0,2 до 1 МПа) разработаны по принципу энерготехнологических схем, в которых  энергия отходящих газов (связанная  с их высокой температурой и давлением) и теплота реакции окисления аммиака, используются для сжатия воздуха и нитрозных газов, а также получения технологического пара. Этими же схемами предусмотрено более полное использование низкопотенциальной энергии. Принципиальная технологическая схема получения разбавленной азотной кислоты под повышенным давлением приведена на рисунке.

Рис. 2 Схема  производства азотной кислоты под  давлением:

1 – фильтр  воздуха; 2 – реактор каталитической  очистки; 3 – топочное устройство; 4 – подогреватель метана; 5 – подогреватель аммиака; 6 – смеситель аммиака и воздуха; 7 – холодильник-конденсатор; 8 – сепаратор; 9 – абсорбционная колонна: 10 - продувочная колонна; 11 – подогреватель отходящих газов; 12 – подогреватель воздуха; 13– сосуд для окисления нитрозных газов; 14 – контактный аппарат; 15 – котел-утилизатор; 16, 18 – двухступенчатый турбокомпрессор: 17 – газовая турбина.

Атмосферный воздух проходит тщательную очистку в двухступенчатом  фильтре (1). Очищенный воздух сжимается двухступенчатым воздушным компрессором (16, 18). В первой ступени (18) воздух сжимается до 0,35 МПа, при этом он нагревается до 165 – 175°С за счет адиабатического сжатия. После охлаждения воздух направляется на вторую ступень сжатия (16), где его давление доводят до 0,7 – 0,8 МПа.

Основной поток  воздуха после сжатия нагревают в подогревателе (12) до 250 – 270°С теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель (6).

Газообразный  аммиак, полученный испарением жидкого  аммиака, после очистки от влаги, масел и катализаторной пыли через подогреватель (5) при температуре 150°С также направляют в смеситель (6). Смеситель совмещен в одном аппарате с поронитовым фильтром. После очистки аммиачно-воздушную смесь с содержанием аммиака не более 10% подают в контактный аппарат (14) на окисление аммиака. Конверсия аммиака протекает на Pt-Pd-Rh-сетках при 870-900°С причем степень конверсии составляет 97 – 98%. Нитрозные газы при 890 – 910°С поступают в котел-утилизатор (15), расположенный под контактным аппаратом. В котле за  счет тепла контактных газов протекает испарение химически очищенной деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор. При том получается пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230°С, который поступает потребителю.

После котла-утилизатора  нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов (13). Он представляет собой полый аппарат в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе (13) степень окисления нитрозных газов доводят до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300 – 335°С. Эта теплота используется в подогревателе воздуха (12). Охлажденные в теплообменнике (12) нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник (11), где происходит снижение их температуры до 150°С и нагрев хвостовых газов до 110 – 125°С. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор (7), охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе (8), из которого азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну (9) на одну из средних тарелок, с соответствующей концентрацией кислоты. Нитрозные газы направляют в нижнюю часть колонны (9). Сверху в нее подают охлажденный конденсат. Образующаяся в верхней части азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижние тарелки и по мере их прохождения укрепляется за счет поглощения новых порций нитрозных газов. При выходе из нижней части колонны концентрация кислоты достигает 55 – 58%, причем содержание растворенных в ней оксидов азота достигает ~ 1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну (10), где подогретым воздухом из нее отдуваются оксиды азота, а отдутая кислота направляется на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны (9).

Степень абсорбции  оксидов азота достигает 99%. Выходящие  из колонны хвостовые газы с содержанием  оксидов азота до 0,11% при температуре 35°С проходят подогреватель (11), где нагреваются до 110 – 145°С и поступают в топочное устройство (камера сжигания) (3) установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390 – 450°С за счет горения природного газа, подогреваемого в подогревателе (4), и направляемого в реактор с двухслойным катализатором (2), где первым слоем служит оксид алюминия. Очистку осуществляют при температурах 690 – 700°С. Энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомперессора (18). Затем газы направляют в котел-утилизатор и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005 – 0,008%, содержание СО₂ – 0,23%. Таким образом данный агрегат полностью автономен по энергии.

Заключение

Исключительное  значение азотной кислоты для  многих отраслей народного хозяйства  и оборонной техники и большие  объемы производства обусловили интенсивную  разработку эффективных и экономически выгодных направлений совершенствования азотнокислотного производства. К таким направлениям относятся:

• создание систем высокой единичной мощности (до 400 тыс. т/год), работающих по комбинированной схеме;
• разработка высокоактивных избирательно действующих неплатиновых катализаторов окисления аммиака;
• возможно более полное использование энергии сжатых отходящих газов и низкопотенциальной теплоты процессов путем создания полностью автономных энерготехнологических схем;
• создание замкнутого оборота охлаждающей воды;
• решение проблемы очистки отходящих газов с утилизацией оксидов азота путем внедрения адсорбционно-десорбционного метода очистки на силикагеле и цеолитах;
• возможно более полное удаление остатков оксидов азота из отходящих газов с использованием в качестве восстановителей горючих газов и аммиака.

Список используемой литературы

1. Соколов Р.С.  Химическая технология: Учеб. Пособие  для студ. Высш. Учеб. Заведений: В  2т. - М.: Гумат. Изд. Центр ВЛАДОС, 2003.

2. Купетов А.М. и др. Общая химическая технология. - М.: Высшая школа, 1985.

3.Общая химическая технология. Под ред. А.Г. Амелина.- М.: Химия, 1977.

4. http://www.vector-study.ru/library/tehnology/azot-k/method.html