Слабая азотная кислота

В таких системах достигаются высокая степень конверсии  и меньшие потери катализатора, чем в системах,  работающих при повышенном давлении.  К недостаткам комбинированных систем следует отнести увеличенные размеры контактных аппаратов, большие количества агрегатов, чем в системах,  работающих  при повышенном давлении.

Проанализировав все вышеуказанные методы получения слабой азотной кислоты выбираем метод, работающий при атмосферном давлении как наиболее безопасный , экономически выгодный. С технологической стороны он наиболее простой, используется небольшое количество аппаратов в процессе оборудование по конструкции несложное и легко обслуживается.

1.3.1. Химизм процесса получения  слабой азотной кислоты.

1.3.1.1. Химизм процесса окисления аммиака.

 

   Контактное окисление аммиака  в зависимости от условий проведения  процесса и применяемого катализатора  протекает по следующим параллельным  реакциям

 

4NH3 +5O2 = 4NO + 6H2O + 907,3 кДж

4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + 1104,9 кДж

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269,1 кДж

 

Кроме того, могут протекать и побочные реакции, идущие без участия катализатора

2NH3 = N2 + 3H2 – 21960 кал

2NO = N2 + O2 + 43140 кал

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2O + 431600 кал

 

Разложение на азот и водород может происходить при высокой температуре на пути подвода АВС к контактному аппарату и катализатору, а разложение окиси азота на азот и кислород возможно после прохождения катализатора и на выходе из контактного аппарата. В конечном итоге реакции могут быть выражены суммарным уравнением:

6NH3 + 8NO = 7N2 + 6H2O + 3H2 + O2

 

В отсутствии катализаторов окисление аммиака идет в основном с образованием азота по реакции(4).  Для производства азотной кислоты необходимо более полное окисление аммиака по реакции (2), поэтому применяют катализаторы , избирательно ускоряющие процесс. Для производственных условий требуется дешевый катализатор,

стойкий к ядовитым примесям, находящийся в контактируемых ладах.

Катализатор должен обеспечивать высокий выход окиси азота, сохранять длительное время активность и легко ее восстанавливать. Таким требованиям в большей мере отвечает платина и ее сплавы с металлами платиновой группы. Благодаря сетчатой форме создается большая поверхность катализатора в аппарате при относительно малом расходе платины.

Наибольшее распространение для систем, работающих при атмосферном давлении, получили катализаторы состава 92,5 % Pt, плюс 4% Pd плюс 3,5%  Rh, согласно ГОСТ 3193-59. Окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает при высоких температурах от 750 до 900 ˚С и позволяет получать от 95 до 96 % окиси азота по реакции (2) .

Окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает при высоких температурах от 750 — до 900 °С и позволяет получать от 95 до 96 %  окиси азота по реакции (2). Скорость окисления аммиака на платиновых катализаторах составляет 2   10-4 сек. Оптимальными условиями окисления аммиака при атмосферном давлении являются температура  820°С  Катализатор платино –родиево – палладиевой сетки  с толщиной проволоки  0, 092 мм и числом ячеек 1024 на 1 см², отношение молярных концентраций кислорода и аммиака от 1,7 до 1,9 , полное отсутствие вредных примесей в АВС, время контактирования  2  10-4 сек.

  

1.3.1.2                  Химизм процесса окисления окиси азота в двуокись (1)

 

Реакция окисления окиси азота выглядит так:

 

2NO + O2 = 2NO2 + 26,92 ккал. (9)

 

Она обратима, самой медленной из всех реакций , которые протекают при переработке нитрозных газов и поэтому она определяет общую скорость процесса. Окисление окиси азота идет с уменьшением объема. Исходя из этого, при повышении давления равновесие будет сдвигаться в сторону образования двуокиси азота. До температуры 150 °С реакция окисления практически полностью протекает в сторону образования двуокиси азота, при более высокой температуре равновесие сдвигается в левую сторону и в горячих нитрозных газах, входящих из контактного аппарата при температуре от 750 до 900°С, двуокись азота отсутствует. Чтобы получить двуокись азота, необходимую для образования азотной кислоты, нитрозные газы приходится охлаждать до температуры не более 150°С.  Скорость окисления окиси азота зависит также от концентрации реагирующих компонентов. Чем выше концентрация окиси азота и кислорода в газе, тем больше скорость реакции (1)

Итак: скорость данного процесса зависит от температуры, давления и концентрации компонентов.

 

3. Химизм процесса поглощения двуокиси азота водой(2)

Процесс поглощения двуокиси азота водой выражается следующим суммарным уравнением:

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 32530 кал

 

Эта реакция обратимая, состояние равновесия и температуры. Если образуется очень разбавленная азотная кислота, то она полностью поглощает двуокись азота с одновременным выделением окиси азота, в то время как при образовании 60% азотной кислоты связывается только небольшая часть двуокиси азота. В производственных условиях обычно не стремятся достичь состояния равновесия реакции, так как ее скорость по мере приближения системы к равновесному состоянию быстро понижается.

Скорость образования азотной кислоты увеличивается с повышением температуры, но при этом равновесие реакции сдвигается в левую сторону. Поэтому в системах, работающих при атмосферном давлении, температуру не повышают, степень превращения при этом двуокиси азота в азотную кислоту составляет от 91 до 93 %. Скорость реакции (10) можно повысить и путем увеличения поверхности соприкосновения газовой и жидкой фаз, что достигается заполнением абсорбционных башен насадками. (2)

 

 

 

Выбор и обоснование места строительства.

Правильное размещение промышленных предприятий имеет большое значение для развития производительных сил страны и решения задач социального строительства.

   Заданный район строительства  – среднее Поволжье. Место строительства  – город Казань. Основным сырьём  для производства азотной кислоты  является аммиак, который поставляется  с другого предприятия. Источником промышленного и  хозяйственного водоснабжения является река Волга. Электроэнергией завод будет обеспечен благодаря Куйбышевской ГЭС и Заинской ГЭС. Транспортировка грузов пребываемых и отправляемых, осуществляется по железной дороге и водной магистрали. Имеющиеся специальные учебные заведения, институты города Казани и ближайших городов обеспечивают район рабочей силой и специалистами.

 

 

2. Расчетно-технологическая часть.

Описание технологической схемы производства.

 Технологический процесс получения  слабой азотной кислоты ведётся в 2 стадии

- окисление аммиака и получение  окислов азота.

- абсорбция окислов азота и  получение слабой азотной кислоты  с массовой долей 48%

2.1.1 Технологический процесс и режим окисления аммиака и получение окислов азота.

  Жидкий аммиак из хранилища по трубопроводу подается в испарители восьмой башни абсорбционного отделения (при включении башен улова хвостовых газов), где переходит из жидкого состояния в газообразное и направляется в окислительное отделение.

  В окислительном отделении газообразный аммиак под давлением от 0,5 до 2,0 кгс/см2 по газопроводу проходит через газорегулирующий прибор, где давление снижается от 200 до 4000 мм. вод. ст. и поступает в скрубер смеситель.

   Воздух, затираемый из атмосферы  аммиачно-воздушным вентилятором, проходит через подогреватель воздуха, и нагревается до 50 °С. Далее через суконный фильтр воздух направляется в скрубер-смеситель , в котором воздух и аммиак образуют аммиачно-воздушную смесь с массовой долей аммиака 11,8%. Данная смесь аммиачно-воздушным вентилятором через картонные фильтры подается в верхнюю часть контактных аппаратов, в которых проходит окисление аммиака в аммиачно-воздушной смеси кислородом воздуха с образованием окиси азота при температуре 820°С в присутствии платино-родиево-палладиевого катализатора по реакциям:

 

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 216700 кал. (2)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 303100 кал. (4)

 

  Присутствие катализатора позволяет  получать нитрозный газ с 97% окиси  азота по реакции (2) то есть 97% аммиака реагирует до окиси азота и 3% аммиака до азота.

  Полученный нитрозный газ  с температурой 820°С поступает  в теплообменный котёл для  утилизации реакционного тепла. Температура конденсата питающего  теплообменный котёл составляет 80°С  для того чтобы не произошла  развальцовка труб котла. В результате теплообмена нитрозный газ охлаждается до 210°С, а конденсат переходит в перегретый пар с температурой 210°С и давлением от 2,5 до 4,0 кгс/см2 и выходит из теплообменного котла.

   Данный перегретый пар  по трубопроводу направляется в подогреватель воздуха, где отдав тепло, нагревает воздух до 50°С. При этом пар охлаждается и конденсируется в виде конденсата воды, которая с температурой 80°С направляется опять в теплообменный котёл. Таким образом, происходит циркуляция конденсата.

 

2.1.2 Технологический процесс и  режим абсорбции окислов азота  и получение 48% азотной кислоты.

    После теплообменного котла нитрозный газ  с температурой 210°С поступает в нитрозный холодильник, где охлаждается до 40°С. При этом из нитрозных газов частично конденсируется реакционная вода, образуя азотную кислоту с массовой долей 48%, которая направляется в буферные баки вторых башен.

  Охладившись, нитрозный газ  поступает в верхнюю часть  первой абсорбционной башни, откуда  выходит снизу, охладившись за счёт циркулирующей кислоты, имеющей температуру 30°С. Затем нитрозный газ сверху поступает во вторую башню, проходит её параллельно потоку орошающей кислоты и снизу поступает в третью башню.

Остальные башни газ проходит, меняя своё направление.

   В башнях происходит окисление азота в двуокись и абсорбция двуокиси водой до азотной кислоты по следующим реакциям:

 

2NO + O2 = 2NO2 + 27200 кал

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 30170 кал

 

В восьмую, последнюю по ходу газа, башню, непрерывно подается химически очищенная вода в количестве, необходимом для поглощения окислов азота.

  Образующаяся азотная кислота, наименьшую концентрацию (от 2 до 4%) имеет в восьмой башне и, по  мере перемещения из башни  в башню, на встречу движению  нитрозных газов, концентрация её  во второй башне повышается до 48%. Образование азотной кислоты протекает с большим выделением тепла, следовательно из каждой башни кислота поступает в буферный бачёк через холодильник, где охлаждается, а затем вновь подается на орошение. Орошение башен кислотами производится из буферных баков через форсунки, кислота по пути встречается с нитрозными газами и поглощает их.

   Таким образом, кислота всё  время циркулирует в каждой  башне, причём избыток кислоты, получившийся  за счёт образования азотной кислоты, непрерывно переливается из одного буферного бака в другой за счёт их каскадного расположения. Азотная кислота, из второй башни перекачивается в сборник слабой азотной кислоты и далее отгружается на сторону как готовый продукт, а газы из восьмой башни хвостовым вентилятором направляется в абсорберы улова окислов азота серной кислотой.

   Степень поглощения окислов  азота составляет 98%.

 

 

2.1.3 Технологический процесс улова  окислов азота.

 

Нитрозные газы водной абсорбцией с массовой долей окислов азота не более 0,5% (объёмных) хвостовым вентилятором направляется последовательно в два абсорбера, орошаемых циркулирующей серной кислотой.

   Температура поступающих  в абсорбер газов не должно  превышать 30°С.

    В первом абсорбере  происходит окисление окиси азота  до двуокиси, затем газовоздушная смесь направляется во второй абсорбер, где происходит поглощение окислов азота с образованием нитрозилсерной кислоты.

    Свежая серная кислота  непрерывно поступает во второй  абсорбер по ходу газа. Из первого  абсорбера непрерывно в таком же количестве нитрозилсерная кислота направляется на денитрацию в производство концентрированной азотной кислоты.

   Более полное описание  технологического процесса улова  хвостовых нитрозных газов производится  в подразделе 2.11.

 

Внесение изменения по сравнению с аналогом и обоснование изменений, вводимых в проект.

 

В данном дипломном проекте, по сравнению с базовым производством, введено технологическое новшество в процесс производства. Оно заключается в том, что в проекте в отличии от базового производства предварительный нагрев воздуха для аммиачно-воздушной смеси осуществляется в подогревании воздуха, который подогревается перегретым паром с температурой 210°С выходящим из теплообменного котла. Этот пар, пройдя данный подогреватель, отдав тепло воздуху, конденсируется и направляется опять в теплообменный котёл и таким образом происходит циркуляция. Следовательно, не нужно тратить воду для теплообменного котла, а так же данный пар может использоваться ещё в производстве  для других целей как энергоноситель. На базовом же предприятии обогрев воздуха для аммиачно-воздушной смеси осуществляется с помощью электроколориферов, то есть дополнительные затраты электроэнергии. А вода для охлаждения теплообменного котла берётся извне постоянно, следовательно, дополнительные затраты технической воды.

   Все данные замечания  отразятся на соответствующих  технико-экономических показателях  для базового и проектного производств.

 

 

2.3 Технические характеристики  сырья, полуфабрикатов и продукта.

  Исходным сырьём для производства слабой азотной кислоты является синтетический аммиак, воздух, вода. Также в процессе производства применяется регенерированная серная кислота.