Производство азотной кислоты

Содержание

Введение

 

1. Литературный обзор

1.1 Общая характеристика   производства  азотной кислоты………………….4

1.2  Выбор метода производства азотной кислоты ……………………………6

2. Технологическая часть

2.1 Характеристика сырья, готовой  продукции, отходов ……………………..9

2.2 Физико – химические основы  процесса

2.2.1 Химизм …………………………………………………………………….12

2.2.2 Кинетика …………………………………………………………………...13

2.3 Описание технологической схемы  производства …………………………16

2.4 Конструкционные особенности  основных аппаратов …………………....20

3. Экологическая часть

3.1 Экологический анализ производства (эффективность, затратность, безотходность, востребованность, современность) …………………………..24

3.2 Необходимость и пути дальнейшей  экологизации производства ……….25

Заключение ………………………………………………………………………27

Литература ………………………………………………………………………28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

          Азотная кислота по объему производства занимает среди других кислот второе место после серной кислоты. Все возрастающий объем производства HNO3 объясняется огромным значением азотной кислоты и ее солей для народного хозяйства.  
           Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотсодержащих веществ. До 70-80% ее количества расходуется на получение минеральных удобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатых веществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; в промышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель в различных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства. 
            Промышленностью вырабатывается некоцентрированная (до 60-62% HNO3) и концентрированная (98-99% HNO3) кислота. В небольших объемах выпускается реактивная и азотная кислота особой чистоты. В производстве взрывчатых веществ нитрованием толуола, уротропина, ксилола, нафталина и других органических продуктов применяют концентрированную азотную кислоту. Для получения удобрений потребляется как правило разбавленная азотная кислота. 
           Основными производителями азотной кислоты являются США, Франция, ФРГ, Италия, Испания, и Англия. На долю этих стран в 70-х годах приходилось свыше 75% всей выработанной тогда кислоты. К 80 годам производство азотной кислоты в капиталистических странах стабилизировалось. Сейчас рост производства происходит за счет совершенствования и обновления технологии, а также организации выпуска азотной кислоты в развивающихся странах.

 

 

 

 

1. Литературный обзор

 

1.1 Азотная кислота. Применение  азотной кислоты

 

Азотная кислота, HNO3, одноосновная сильная кислота, при обычных условиях бесцветная жидкость; один из наиболее важных продуктов химической промышленности. Структурная формула:

До начала 20-го века HNO3 получали из природной натриевой (чилийской) селитры:

NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3 (1)

При использовании 95-97% H2SO4 и 96% NaNO3 получали 96-98% HNO3. Позднее процесс стали вести под вакуумом, что снижало температуру процесса и его продолжительность.

В начале 20-го века был предложен метод фиксации атмосферного азота в пламени электрической дуги (1906г.). для производства азотной кислоты этим методом не требуется искусственное сырье и сложное оформление процесса, но этот метод не выгоден в связи с большим расходом электроэнергии.

В 1913г. был освоен промышленный синтез аммиака из элементарных веществ, он быстро получил широкое распространение. Вскоре был разработан и способ получения азотной кислоты из аммиака.

 1-й завод азотной кислоты, по схеме работающий при атмосферном давлении производительностью 8000 т/год был построен в 1916г. в г. Юзовке (СССР). В основе этого метода лежал метод окисления аммиака, полученного из коксового газа. Метод предложен русским ученым Андреевым. Он же предложил и катализатор - платиновые сетки, изучил процессы окисления аммиака на сетках, абсорбцию оксидов азота водой и получение аммиачной селитры.

В наше время разработаны различные методы получения оксидов азота по плазменной технологии, но они очень электроемкие. Ведутся работы по снижению расхода электроэнергии.

В наше время основным способом производства азотной кислоты (разбавленной) является способ, предложенный Андреевым.

Области применения азотной кислоты весьма разнообразны. Большая часть ее (до 75 – 80%) расходуется на производство азотных и комплексных минеральных удобрений и разнообразных нитратов, 10 – 15% идет на получение взрывчатых веществ и ракетного топлива. Остальное количество потребляется производством красителей, органическим синтезом и в цветной металлургии (травление металлов). На рис. 1.1 представлено применение азотной кислоты в различных областях народного хозяйства.

 

 

 

 

1.2  Выбор метода производства  азотной кислоты

 

Азотную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота (неконцентрированная) и перегонкой 56-60 %-ной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серной кислоты или плава нитрата магния) и прямым синтезом (концентрированная).

В зависимости от условий ведения производственного процесса различают типы схем:

1) Схема, работающая под  давлением 0,716 МПа.

Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс. т\год (100%-ной азотной кислоты). Восстановление оксидов азота происходит на двухступенчатом катализаторе АПК-2 и Al2O3. Содержание оксидов азота в отходящих газах после каталитической очистки не более 0,005% (об.). Агрегаты, работающие под давлением 0,716 МПа, оснащены приборами автоматизации, позволяющими управлять процессом из ЦПУ. Эти агрегаты характеризуются высокой степенью использования энергии процессов, большой мобильностью при пуске, остановках и изменении нагрузок, большой единичной мощностью и эффективной очисткой отходящих газов от оксидов азота.

НТР процесса:

- содержание аммиака  в АВС, % (об.) – 9,7 – 10,7

- температура, ˚С:

АВС – 180-230

Контактирования – 890-910

- концентрация продукционной  кислоты, % (масс.) – 58-60

Схема спроектирована в 1968 г. (цех №5).

2) Крупнотоннажный агрегат  АК-72.

Производство разбавленной азотной кислоты в агрегате АК-72 осуществляется по комбинированному методу: окисление аммиака проводится под давлением 0,42 МПа, абсорбция оксидов азота – при 1,1 МПа.

При давлении 0,42 МПа можно достичь высокой степени конверсии аммиака (до 97%) и расход платины будет составлять не более 0,1-0,12 г\т азотной кислоты.

Особенностью агрегата АК-72 является применение высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота с помощью природного газа и подача горячих выхлопных газов в газовую турбину без предварительного охлаждения.

Агрегат АК-72 автоматизирован. Пуск и управление всех процессов осуществляется через ЦПУ.

При снижении к.п.д турбин высокого и низкого давления в результате загрязнения проточной части осевого воздушного компрессора и утечки газов через неплотности производительность агрегата снижается.

Производительность агрегата АК-72 составляет 1150 т\день.

НТР процесса:

- концентрация продукционной  кислоты, % (масс.) – 58-60

- температура контактирования, ˚С – 840-880

- катализатор – платиноидные  сетки.

3) Крупнотоннажный модернизированный агрегат АК-72М.

Комплексное устранение недостатков в агрегате АК-72М достигнуто исключением из схемы высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, исключено применение катализатора АПК-72, в котором используется дефицитный металл – палладий, выхлопные газы не содержат оксидов углерода и метана, но добавляется до 0,01% (об.) аммиака, энергозатраты снижены на 15%, но для повышения надежности и стабильности работы агрегата холодильники-конденсаторы изготовляют из титана.

На стадии конверсии окисление аммиака проводят на платиновом катализаторе и неплатиновом катализаторе НК-2У. На стадии селективной очистки от оксидов азота применяется алюмомедьцинковый катализатор АМЦ-10.

Производительность 380000 т\год, концентрация товарной азотной кислоты 60%.

Агрегат спроектирован в 1976 г.

4) Комбинированная схема  с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.

Система состоит из нескольких агрегатов мощностью 45-50 тыс.т\год (в пересчете на 100%-ную азотную кислоту). Концентрация продукционной кислоты 47-50% (масс.).

Бóльшая часть агрегатов, работающих под давлением 0,35-0,4 МПа, оснащена установками селективной очистки отходящих газов от оксидов азота на ванадиевом катализаторе с применением в качестве восстановителя аммиака.

На стадии окисления аммиака используют платиновый катализатор, на стадии каталитической очистки – ванадиевый катализатор АВК-10М.

По сравнению с другими системами эта система характеризуется приблизительно на 40% меньшими капитальными затратами и отсутствием стадии щелочной абсорбции. К недостаткам системы относится повышенный расход электроэнергии, малая мощность агрегатов и большой расход аммиака в связи с применением низкотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота.

НТР процесса:

- содержание механических примесей в воздухе перед контактными аппаратами, мг\м3 – н\б 0,007

- содержание аммиака в АВС, % (об.) – 10,5-11,5

- температура, ˚С:

АВС – 67-75

Контактирования – 800-820

- степень конверсии  аммиака, % - 96,5-97,5

- концентрация продукционной кислоты, % - 47-49

Вывод: в связи с вышеперечисленными достоинствами и недостатками методов выбирается комбинированная схема с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.

 

2. Технологическая часть

 

2.1 Характеристика сырья, готовой продукции, отходов

 

Исходное сырье

Аммиак: в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси.

Химическая формула – NH3

Молекулярный вес – 17,03

Плотность, кг \ м3:

Жидкий аммиак – 681

Газообразный - 770

Температура самовоспламенения – 650 ˚С.

Температура затвердевания – 77,75 ˚С.

Без катализатора разлагается при температуре 1000 ˚С, с катализатором – при 300 ˚С.

 

Массовая концентрация:
-	масла (после фильтров поз.2)-	не более 1,0 мг/м3
-	железа (после фильтров поз.2) -	не более 1,0 мг/м3
-	Инерты -	не более 0,5%
Массовая концентрация газообразного аммиака -		не менее 99,6%

 

Должен соответствовать ГОСТ 6221-90.

Воздух: сухой воздух должен содержать (% об.): N2 - 78.1; O2 – 21.0; Ar2 – 0.9; содержание водяных паров колеблется от 0,1 до 2,8 % (об.). В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганических газовых выбросов. Количество пыли в воздухе составляет 0,5 – 1,0 мг\м3.

 

Массовая концентрация пыли (после аппарата очистки воздуха)-

не более 7,0 мг/м3

 

Должен соответствовать ГОСТ 24484.

Вспомогательные материалы и катализаторы

Таблица 1 – Вспомогательные материалы и катализаторы

Наименование сырья, материалов, полупродуктов, энергоресурсов	Показатели по стандарту, обязательные для проверки			Регламентируемые показатели
1	2			3
Деаэрированная вода (смесь частично-обессоленной воды с паровым конденсатом) для водогрейных котлов	Общая жесткость			не более 0,01 ммоль/дм3
	Прозрачность по шрифту			не менее 40 см
	Массовая концентрация:
	-	соединений железа (в пересчете на Fe++)		не более 0,1 мг/кг
	-	растворимого кислорода (О2)		не более 0,03 мг/дм3
	-	массовая концентрация солей		не более 150 мг/дм3
	-	рН при 250С		8,5 - 9,5
Сетки катализаторные из платинового сплава	ГОСТ 3193-74 с изм. 5 сетки из платино-палладиевого сплава марки ПлПдРд -4 - 3,5 Кр.2875 мм с содержанием платины - 92,5%			Диаметр:
				- -	Проволоки - 0,092 мм Сетки - 2875 мм
				Удостоверение качества продукции на устанавливаемую сетку должно соответствовать стандарту и марке
Катализатор железохромовый среднетемпературный конверсии оксида углерода СТК-1	ТУ 113-03-317-86 с изм. 3, марка CТК – 1 или CТК-1М			Диаметр - 7 мм Массовая концентрация:
				железа в пересчете на Fe2О3 CТК-1 не менее 88% CТК - 1М не менее 86%
				Насыпная плотность н/б 1,3 кг/дм3
Паровой конденсат	Массовая концентрация солей			не менее 7,0%
	рН		оксида железа (Fe2О3)	не менее 6,5%
	Аммиак		оксида хрома (Сr2О3)	не нормир.
			н/б 0,3%	1,0-1,5%