Производство азотной кислоты. Отделение конверсии аммиака.

 ВВЕДЕНИЕ   4

1 Выбор и обоснование выбранной схемы производства   6

2 Характеристика выпускаемой продукции, исходного сырья, вспомогательных материалов   10

3 Технологическая часть   13

3.1 Теоретические основы процесса   13

3.2 Описание технологической схемы   17

3.3 Расчеты технологических процессов   19

3.3.1 Расчеты материальных балансов процессов   19

3.3.2 Расчеты тепловых процессов   27

3.3.3 Конструктивные расчеты основного аппарата   33

4 Охрана труда и окружающей среды   35

ЗАКЛЮЧЕНИЕ   37

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ   38

ВВЕДЕНИЕ

Азотная кислота по объему производств среди минеральных кислот занимает второе место после серной кислоты. Прич иной производства азотной кислоты в больших объемах является её востребованность в народном хозяйстве, органическом синтезе и оборонной технике. Большая часть производимой азотной кислоты расходуется для получения минеральных удобрений, нитратов металлов, ароматических нитросоединений, красителей, нитролаков, пластических масс и др.Мировое производство азотной кислоты оценивается в 750-800 млн т.В России производство азотной кислоты в период 2015-2019 гг выросло с 10,9 млн т до 13,8 млн т: на 26,6% [10].Первой стадией получения азотной кислоты, как концентрированной, так и разбавленной является конверсия аммиака. Данная стадия является наиболее требовательной к технологическому оборудованию, так как для создания условий получения оксида азота (II) требуется высокое давление и повышенная температура, а также подбор катализатора, отвечающего необходимым требованиям. Перспективным направлением в технологии конверсии аммиака является усовершенствование каталитических систем для повышения выхода целевого продукта, снижение уноса катализатора и, соответственно, увеличения срока службы катализатора. Целью данной курсовой работы является изучения технологического процесса конверсии аммиака в производстве азотной кислоты.В процессе написания курсовой работы должны решаться следующие задачи: - выбор и обоснования технологии производства азотной кислоты;- рассмотрение теоретических основ конверсии аммиака;- составление материального и теплового балансов;- составление технологической схемы рассматриваемого процесса и её описание;- конструктивный расчёт основного оборудования;- охрана труда и окружающей среды.1 Выбор и обоснование выбранной схемы производстваПроизводство разбавленной азотной кислоты в независимости от выбора определенной технологической схемы включает пять основных стадий [8]:1. Очистка аммиака и воздуха и их смешение;2. Окисление (конверсия) аммиака на катализаторе;3. Охлаждение нитрозных газов с использованием теплоты процесса окисления;4. Окисление оксида азота (II) и образование азотной кислоты;5. Очистка (нейтрализация) отходящих газов.В технологической схеме получения азотной кислоты основная химическая реакция происходит в газовой фазе и давление является основным параметром, поэтому существующие технологические схемы производства делятся на три типа [2]:-получение разбавленной азотной кислоты при атмосферном давлении Р=0,1 МПа(тип I),-получение разбавленной азотной кислоты при высоком давлении Р> 0,1 МПа (тип II),-получение разбавленной азотной кислоты с двумя ступенями давления Р = 0,1 и Р > 0,1 МПа (комбинированные схемы) (тип III).Характеристики рассмотренных выше различных типов технологических схем производства разбавленной азотной кислоты приведены в таблице 1 [8].Таблица 1 - Характеристики технологических схем производства разбавленной азотной кислотыNH3 → NO→NO2→HNO3ТипсистемыСтепень превращения XОсобенностипроцессаДавление на всех стадиях Р = 0,1 МПаI0,90Большой абсорбционный объем; необходимость улавливания NO2Давление на всех стадиях Р > 0,1 МПаII0,98Высокие потери катализатораДавление на 1 стадии Р = 0,1 МПаДавление на IIстадииР > 0,1 МПаIII0,96-0,98Устраненынедостатки I и II типа системы«Вследствие низкой производительности, значительных технологических потерь аммиака, больших геометрических размеров химической аппаратуры, низкой степени абсорбции NO2 и, как следствие, необходимости существенных капитальных в организацию очистных сооружений, установки, работающие при атмосферном давлении, нерентабельны с экономической и технологической точек зрений» [8].Установки, работающие под повышенным давлением, имеют следующие преимущества по сравнению с установками, работающими под атмосферным давлением:Переработка оксидов заота в азотную кислоту повышается до 99%, а концентрация получаемой азотной кислоты - до 62%. Необходимость в щелочной абсорбции отсутствует;Необходимый объем абсорбционных колонн в десятки раз меньше, чем башен с насадкой в системах, работающих при атмосферном давлении.Уменьшаются капитальные затраты на постройку установки и расход специальной стали на изготовление аппаратов.Упрощается обслуживание установки.«Однако увеличение потерь катализатора и расхода энергии и затрат с повышением давления является серьезным тормозом в развитии этого способа. В связи с этим в последнее время наибольшее распространение получают схемы, в которых контактное окисление аммиака проводят при более низком давлении (до 4∙105 Н/м2), чем окисление окиси азота (до 12 ∙105 Н/м2). Для современных схем характерны большая мощность одной технологической нитки (380-400 тыс. т/год) и возможно более полное использование энергии отходящих тепла в технологических целях для создания автономных энерготехнологических схем» [6].«Отечественная технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты АК-72 с двумя ступенями давления (комбинированная схема) является наиболее современной. В этой схеме обеспечиваются наиболее оптимальные условия каждой из стадий производства - окисления аммиака и переработки нитрозных газов. В схеме предусмотрены:- выпуск продукции в виде 60% -ной азотной кислоты;- тщательная очистка аммиака и воздуха;- охлаждение нитрозных газов с промывкой их от нитрита и нитрата аммония;- каталитическая очистка выхлопных газов;- использование вторичных энергетических ресурсов (теплоты — для подогрева выхлопных газов перед их каталитической очисткой и энергии сжатых газов для приводов воздушного и нитрозного компрессоров)» [8].Основные характеристики и технико-экономические показатели установок по производству разбавленной азотной кислоты отечественной конструкции приведены в таблице 2 [5].Таблица 2 - Технико-экономические показатели и расходные коэффициенты различных систем по производству азотной кислоты ПоказательТип системыАтмосферноеВысокогодавленияАК-72Мощность агрегата, тыс. т/год50120380Число агрегатов831Удельные капитальные затраты, %1007975Себестоимость кислоты, %1008780Производительность труда, %100152195Расходный коэффициент (на 1 т аммиака):-аммиак, т0,2930,2930,293-катализатор платиновый, г0,0490,1600,100-катализатор окисный, г3,9-3,0-электроэнергия, кВт-ч2664014,4-природный газ, нм3—12082-вода, м3150120130«Анализируя данные таблицы 2 можно сказать, что в экономическом отношении, учитывая капитальные затраты, себестоимость производимого продукта, расходные коэффициенты сырья, вспомогательных материалов и энергоресурсов, наиболее совершенной является современная энерготехнологическая установка АК-72 с укрупненными агрегатами, представляющая собой комбинированную технологическую схему с двумя ступенями давления» [8].2 Характеристика выпускаемой продукции, исходного сырья, вспомогательных материаловСырьем для получения азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода.«Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло (при сжатии поршневым компрессором). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах, состоящих из чечевицеобразных элементов, фильтрующим материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно-воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками» [8]. Синтетический аммиак должен соответствовать ГОСТ 6221-90: -массовая доля аммиака не менее 99,9 %;-массовая доля воды не более 0,1%-массовая концентрация масла не более 2 мг/дм3;-массовая концентрация железа не более 1 мг/дм3.Физико-химические свойства аммиака: температура плавления аммиака -77,7оС; температура кипения -33,35оС; удельная теплоемкость газа 35,63 Дж/(моль∙К); энтальпия образования -45,94 кДж/моль [9].Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи его. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре. Должен соответствовать ГОСТ 24484-80:- содержание твердых частиц не более 2 мг/м3;- содержание воды в жидком состоянии не более 800 мг/м3;- содержание масла в жидком состоянии – не допускаются.«Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей» [5]. Вода должна соответствовать ГОСТ 17.1.1.04-80:- водородный показатель рН=6,5-8,5;- сухой остаток не более 400 мг/дм3;- жесткость общая не более 6,0 мг-экв/дм3.Физико-химические свойства оксидов азота, образующих при конверсии аммиака и последующем окислении, представлены в таблице 3 [9].Таблица 3 – Свойства оксидов азотаПоказателиN2ONONO2N2O4ЦветБесцветныйБесцветныйКрасно-бурыйБесцветныйТемпература кипения, оС-88,5-151,6-20,6Температура плавления, оС-91,0-163,7--11,2Плотность газа, г/дм31,97781,34021,491 (0оС)-Удельная теплоемкость, Дж/кг∙К38,6329,8637,1879,2Теплота образования, Дж/моль∙К81,691,2634,211,1Азотная кислота, HNO3 представляет собой бесцветную жидкость, существующая в виде моно и тригидрата. Азотная кислота смешивается с водой во всех соотношениях. В водных растворах HNO3 практически полностью диссоциирует на Н+ и NO3-. Азотная кислота - сильнейший окислитель [7].По физико-химическим показателям неконцентрированная азотная кислота должна соответствовать требованиям и нормам, указанным в таблице 4 [4].Таблица 4 - Характеристика готового продукта Наименование показателяНорма для сортаВысший1-й2-й1 Внешний видПрозрачная бесцветная или слегка окрашенная в желтый цвет жидкость без механических примесей2 Массовая доля азотной кислоты, %, не менее57,056,046,03 Массовая доля оксидов азота (в пересчете на N2O4), %, не более0,070,100,204 Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более0,0040,0200,0503 Технологическая часть3.1 Теоретические основы процессаПри окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условий ведения процесса можно получить окись азота, элементарный азот и закись азота [1]:4NH3 + 5О2= 4NO + 6Н2О + 907,3 кДж (1)4NH3 + 4О2 = 2N2О + 6H2О + 1104 ,9 кДж (2)4NH3 + 3О2 = 2N2 + 6Н2О + 1269,1 кДж (3)а также реакция с участием образующегося оксида азота (II):4NH3+6NO=5N2+6H2O+110 кДж (4)«Все реакции практически необратимы, поэтому направление процесса окисления определяется соотношением скоростей реакций 1-4. Из трех основных реакций окисления аммиака (1-3) реакция 3 термодинамически наиболее вероятна, так как протекает с максимальным выделением тепла. Поэтому, в отсутствии катализатора окисление аммиака идет преимущественно до элементарного азота. Для ускорения целевой реакции окисления до оксида азота (II) применяют селективно действующие катализаторы. В современных установках используют платиновые катализаторы в виде пакета сеток из сплава платины с 7,5% родия, или двухступенчатые катализаторы в виде слоя таблетированной смеси оксидов железа (III) и хрома (III). Введение родия повышает механическую прочность и уменьшает потери платины за счет уноса током газа. Поверхность подобных катализаторов достигает 1,5 м2/м3 объема» [8]. Окисление аммиака протекает по гетерогенно каталитическому механизму. Схема окисления аммиака на катализаторе представлена на рисунке 1, где сплошными линиями показаны ранее возникшие связи, пунктирными – вновь образующиеся связи [1,2].Рисунок 1 – Схема окисления аммиака на катализаторе: 1 – катализатор, места – разрыва связейОпределяющей стадией всего процесса окисления является скорость диффузии кислорода к поверхности катализатора.Платиновые катализаторы весьма чувствительны к каталитическим ядам, содержащимся в аммиаке и воздухе, образующим аммиачно-воздушную смесь. Фосфористый водород вызывает его не обратимое, а ацетилен, сероводород и органические соединения серы обратимое отравление. Так как вследствие этого активность катализатора снижается, его периодически регенерируют промывкой соляной или азотной кислотой.В процессе работы поверхность катализатора разрушается, и частицы его уносятся с потоком газа. Эррозия катализатора тем больше, чем выше температура, давление и объемная скоростьОсновные факторы, влияющие на скорость окисления аммиака и выхода оксида азота (II) [2]:- температура;- состав аммиачно-воздушной смеси;- давление;- время контактирования.11709401593215«Повышение температуры способствует увеличению скорости реакций и коэффициента диффузии аммиака в смеси и, поэтому, является наиболее эффективным средством, увеличения скорости процесса, протекающего преимущественно в диффузионной области» [2]. Зависимость выхода оксида азота (II) и элементарного азота от температуры представлена на рисунке 2.Рисунок 2 – Зависимость выхода оксида азота (II) и азота от температуры«Соотношение аммиака и кислорода в газовой смеси влияет на температурный режим и общую скорость процесса в том случае, если лимитирующей в нем является химическая реакция, то есть процесс протекает в кинетической области. Для увеличения выхода оксида азота (II) процесс ведут при отношении О2:NH3 = 1,8-2,0, что соответствует содержанию в аммиачно-воздушной смеси 0,095—0,105 об. долей аммиака и 0,18-0,19 об. долей кислорода. Избыток кислорода используется на стадии доокисления оксида азота (II), а указанный состав аммиачно-воздушной смеси обеспечивает автотермичность процесса окисления и лежит за пределом взрывчатости данной смеси» [8]. Зависимость выхода оксида азота (II) от состава аммиачно-воздушной смеси представлена на рисунке 3.1480185-245110Рисунок 3 – Зависимость оксида азота (II) от состава аммиачно-воздушной смесиПовышение давления ускоряет процесс окисления аммиака за счет увеличения концентрации реагентов и производительности катализатора, что позволяет сократить размеры аппаратуры. При этом, однако, снижается выход оксида азота (II) и увеличивается эррозия и унос катализатора, что удорожает продукцию. Так, если при атмосферном давлении (105 Па) унос катализатора не превышает 0,05 г на тонну азотной кислоты, то при давлении 0,8 МПа он достигает 0,4 г/тонну. Зависимость выхода оксида азота (II) от давления при различной температуре приведена на рисунке 4.Рисунок 4 - Зависимость выхода оксида азота (II) от давления T1