Расчет процесса разбавленной азотной кислоты

В качестве катализатора высокотемпературного восстановления используют различные металлы, нанесенные на разнообразные носители, например палладиевый катализатор АПК-2, представляющий собой таблетированный оксид алюминия, на который наносят 2% Рd. В качестве восстановителя применяется природный газ. Процесс восстановления протекает при 400—800° С. Для достижения остаточной концентрации оксидов азота 0,002—0,008% в процессе поддерживают ~10%-ный избыток природного газа.

Разработано и применяется в различных  производствах селективное восстановление оксидов азота. В качестве катализаторов селективного восстановления при 200—350° С и скорости газа 10 000 ч^-1 убывает в последовательности:Pt > MnO2 > >V₂O5 > CuO > Fe₂O₃ > Cr₂O₃ > Co₂O₃ > MoO₃ > NiO > WO₃ > Ag₂O >

>ZnO > Bi₂O₃ > Al₂O₃ > SiO₂ > PbO.

Селективная каталитическая очистка используется в агрегатах, оборудованных низкотемпературной рекуперационной турбиной. При этом применяют алюмованадиевый катализатор типа АВК-10. На этом катализаторе (C_N0 = 0,08—0,1%, С_Ог= 4%, С_Н2О = 3%, р = 0,101 МПа) при 240—280° С степень восстановления оксидов азота близка к 100%. Катализаторы в промышленных условиях служат три года. За этот период степень очистки снижается лишь до 96%.

В качестве абсорбентов  для поглощения оксидов азота  различных растворителей используют водные растворы ацетата натрия, диметил-сульфоксид, трибутилфосфат (ТБФ), адиподинитрил и др. Установлено, что ТБФ обладает высокой поглотительной способностью по отношению к оксиду азота (IV). Так, при 20° С и при р_NО2 = 1,96 кПа в 1 м³ ТБФ растворяется 17,5 м³ NO₂, а при р_NО2 = 2,94-10⁴Па —460 м³ NO₂. Поглощение диоксида азота (IV) сопровождается образованием сольватов ТБФ NO₂ или 2TBФ-N₂О₄ и физическим растворением NO₂ при содержании его в растворе сверхстехиометрического количества в соотношении NО₂:TБФ = 1. Десорбция NO₂ из ТБФ проходит достаточно легко при снижении давления или нагревании раствора до 96—105° С.

В качестве адсорбентов  применяют активированные угли, силикагель, цеолиты, торфощелочные сорбенты, гидроксиды бария, стронция, магния, оксид кальция, порошкообразный карбонат натрия, фосфориты и др. Главными из них являются силикагели и цеолиты.

Установлено, что эффективность адсорбции  увеличивается при понижении температуры. Так, при 17° С в течение 20 мин поглощается в два раза больше NO₂, чем при 40° С. С увеличением продолжительности контакта влияние температуры возрастает. Однако равная степень насыщения силикагеля при повышенных температурах (например, при 40° С) достигается в два раза быстрее, чем при пониженных (12° С).

3.  Производство азотной кислоты под давлением 0,650 — 0,716 МПа.

Основным  видом сырья для получения азотной кислоты является аммиак, который испаряют в специальных испарителях. Существующий ГОСТ 6221—82 на аммиак предъявляет следующие требования:

На рис. 1.3 показано влияние примеси масла в аммиачно-воздушной смеси на степень конверсии аммиака. Из рисунка видно, что при содержании масла в смеси 0,5 мг/м³ и менее степень конверсии аммиака может достигать 97% и более. С целью повышения степени конверсии исходный аммиак пропускают через фильтр из ультратонкого стекловолокна, что позволяет повысить степень конверсии на 1—2%. Для очистки исходного газа от железа (катализаторной пыли) применяют метод магнитной сепарации. При прохождении исходного жидкого аммиака в магнитном поле, создаваемом насадкой из постоянных магнитов, ферромагнитные частицы оседают. Степень очистки аммиака от примесей железа составляет -90%.

При содержании диоксида серы в аммиачно-воздушной  смеси более 2,3 мг/м³ (в пересчете на серу) происходит отравление платинового катализатора и снижается степень конверсии аммиака (рис. 1.4). Процесс отравления платинового катализатора серой имеет обратимый характер: работа на чистом воздухе в течение 10 ч восстанавливает активность катализатора. Поэтому в производстве используют одноступенчатую очистку воздуха на различных фильтрующих тканях (грубошерстное сукно, ткани Петрянова из синтетических волокон).

На рис. 1.5 приведена схема производства азотной  кислоты под единым давлением 0,716 МПа, согласно которой атмосферный воздух проходит трехступенчатую очистку. Первые две ступени — сухая — на суконном фильтре и мокрая — на тарельчатом промывателе. Они конструктивно совмещаются в одном фильтре 1, расположенном перед входом воздуха в компрессор.

Рисунок 1.3. Зависимость  степени конверсии аммиака от содержания аэрозолей масла в АВС

 

Рисунок 1.4 Зависимость  степени конверсии аммиака от содержания серосодержащих соединений

Очищенный атмосферный  воздух далее поступает в компрессорное отделение 2. Повышение давления воздуха до 0,716 МПа выполнено в две ступени. Первая ступень повышения давления до 0,343 МПа происходит в осевом компрессоре а, конструктивно выполненном на одном валу и в одном корпусе с газовой турбиной в. Нагретый до 174° С за счет адиабатического сжатия воздух охлаждается в промежуточном поверхностном холодильнике е до 42° С и поступает в центробежный компрессор (нагнетатель) б, в котором давление воздуха повышается до 0,716 МПа.

Заданная (расчетная) температура воздуха на выходе из центробежного компрессора равна 135° С.

Из компрессора б поток воздуха направляется на производство азотной кислоты, на каталитическую очистку и на собственные нужды ГТУ. Поток воздуха, поступающий на производство азотной кислоты, также делится на несколько потоков. При этом основной поток после подогрева его теплом нитрозных газов в подогревателе 5 направляется в смеситель 16, где воздух смешивается с очищенным газообразным аммиаком. Количество газовой смеси автоматически регулируется в зависимости от заданной выработки азотной кислоты.

Второй поток  воздуха поступает в трубопровод нитрозных газов перед абсорбционной колонной 10, которая обеспечивает полноту переработки оксидов азота в азотную кислоту. Расход этого потока также регулируется автоматически по заданной температуре газов после реактора каталитической очистки 3.

Третий поток  направляется в продувочную колонну 11 для отдувки оксидов азота из полученной азотной кислоты. Поток воздуха на каталитическую очистку направляется в камеру подготовки газов (камеру сгорания реактора) 4 для сжигания горючего газа. Количественно этот поток автоматически регулируется по заданной температуре газов за камерой 4. Температура газов задается со щита управления в зависимости от активности катализатора очистки хвостовых газов от оксидов азота. Поток воздуха на собственные нужды ГТТ-3 также разветвляется на несколько потоков. Один из них, предназначенный для поддержания дежурного факела в пусковой камере горения д на номинальном режиме, проходит через пусковую камеру сгорания турбины. В процессе переменного режима это позволяет регулировать расход воздуха в химико-технологических процессах в любых пределах— от нуля до номинального.

Другие потоки воздуха  на собственные нужды ГТУ направляются на охлаждение и в турбину. Количественно они зависят от состояния лабиринтных уплотнений турбины.

Смешение  аммиака с воздухом происходит в  смесителе 16. Соотношение количеств аммиака и воздуха, подаваемых в смеситель, регулируется автоматически. Из смесителя аммиачно-воздушная смесь поступает в фильтр 15, в котором завершается процесс очистки смеси. Смеситель и фильтр совмещены в одном аппарате. Из фильтра 15 ABC поступает на катализаторные сетки контактного аппарата 13, в котором при 900° С происходит процесс окисления аммиака с образованием оксида азота (II), паров воды и азота. Образующиеся в процессе окисления аммиака горячие нитрозные газы поступают в котел-утилизатор 14, на котором установлен контактный аппарат. Конструктивно котел выполнен с учетом полного обеспечения максимально возможного окисления нитрозных газов в объеме. В котле-утилизаторе вырабатывается пар с давлением 1,67 МПа и с температурой 250° С.

Из котла-утилизатора  нитрозные газы поступают в окислитель 12, представляющий собой полый сосуд, в котором продолжается процесс окисления оксида азота (II) в тетраоксид диазота с соответствующим повышением температуры нитрозных газов. Расчетная степень окисления нитрозных газов на выходе из окислителя — 80%. В верхней части окислителя установлен фильтр для улавливания платиноидов.

Из окислителя нитрозные газы поступают в подогреватели воздуха 5 и хвостовых газов 6. Охлажденные нитрозные газы направляются в скоростные холодильники 8, в которых охлаждаются оборотной водой до 45—55° С. В холодильниках 8 происходит конденсация водяных паров, окисление N0 в NO₂, а также образование кислоты. Из холодильников смесь газа и кислота направляются в сепаратор 9, в котором отделяется около 75% от всего количества образовавшейся кислоты.

Из сепаратора 42—47%-ная азотная кислота поступает  в абсорбционную колонну 10 на тарелки с соответствующей концентрацией кислоты. Нитрозные газы, содержащие диспергированную кислоту, также передаются в абсорбционную колонну 10. Образующаяся в колонне азотная кислота самотеком направляется в продувочную колонну 11, в которой из кислоты выдуваются растворенные в ней оксиды азота. Отбеленную кислоту из продувочной колонны направляют на склад азотной кислоты.

Нитрозные газы после продувочной колонны возвращаются в абсорбционную колонну. Газы, выходящие  из абсорбционной колонны, содержат непоглощенные оксиды азота и направляются в сепаратор для улавливания капель кислоты. После подогрева в подогревателе 6 они поступают в камеру подготовки газов 4, в которой нагреваются до 400—550° С топочными газами, полученными в процессе сжигания природного газа. Температура газов задается по активности катализатора в реакторе каталитической очистки 3. Поскольку поддерживается восстановительный режим сжигания, то в газах за камерой 4 содержится значительное количество водорода, оксида углерода и радикалов, способствующих интенсификации процесса на катализаторе в реакторе 3.

В трубопровод  до или после камеры сгорания 4 вводится газ-восстановитель для каталитической очистки хвостовых газов от оксидов азота в реакторе 3. Нагретые до 705—730° С хвостовые газы, смешиваясь с относительно холодным потоком продуктов сгорания топлива и воздуха из пусковой камеры д, охлаждаются до 700° С и направляются на расширение в газовую турбину в. Нижний предел температуры (705° С) определен из условий безопасной эксплуатации пусковой камеры сгорания д, верхний предел (730° С) — по условиям безопасной эксплуатации реактора 3 и длительности пробега катализатора. Отработанные в турбине газы под давлением 0,104 МПа и при температуре около 400° С поступают в котел-утилизатор 17, где вырабатывается пар с теми же параметрами, что и в котле-утилизаторе нитрозных газов 14. Дальнейшее охлаждение хвостовых газов до 120—130° С происходит в экономайзерах 18 и 19, конструктивно совмещенных с котлом 17.

Рассмотренная схема производства вырабатывает ~400 т/сут азотной кислоты (в пересчете на 100%).

Расходные коэффициенты на 1т HNO₃ составляют: около 290 кг аммиака, 110 м³ природного газа, 50 МДж электроэнергии, 150 м³ охлаждающей воды.

Степень конверсии  аммиака составляет 95—96%, а степень  абсорбции оксидов азота -99,0—99,3%. Концентрация продукционной кислоты равна 58,0—58,78% (масс). Содержание оксидов азота в продукционной кислоте в пересчете на N₂O₄ 0,005—0,0034% (масс). Хвостовые газы содержат 0,0034—0,005% (масс) оксидов азота и 0,056—0,13% (масс) оксида углерода.

4. Схема производства азотной кислоты

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет холодильника-конденсатора нитрозного азота

 

Составить материальный и тепловой балансы холодильника-конденсатора нитрозного газа агрегата по получению  азотной кислоты, работающего под  давлением 780 кПа.

Расчет производится на 1000 кг HN

При расчете принять:

Степень превращения  окислов азота 42,2%

Температура нитрозного газа на входе в холодильник-конденсатор 160 С

Температура нитрозного газа на выходе из холодильника-конденсатора 40 С

Состав поступающего газа в холодильник-конденсатор:

NO………………………………………………..125,9    

N ……………………………………………….668,8

………………………………………………....160

…………………………………………………5831,5

O……………………………………………….1328,8

Степень конденсации водяных паров принимаем ~90%

 

Решение

По практическим данным в этих условиях образуется конденсат, содержащий 40% HN ,что соответствует степени превращения окислов азота ~25%

Условно пересчитываем  окислы азота, содержащиеся в нитрозном газе, на N

 

(NO + N

) = 125,9+668,8=794,7 кмоль

 

Материальный баланс

 

Количество конденсата, Количество двуокиси азота, превращенной в азотную кислоту, составит:

794,7*0,25=198,67 кмоль

На образование азотной  кислоты по реакции

 

4 N

+ + O=4 HN +73600 кДж

Расходуется воды: 198,67/2=99,33 кмоль

Количество сконденсировавшейся  воды х, пошедшей на образование 40% HN ,можно вычислить по уравнению

 

=40                                              х=1043,02кмоль

 

Где 18х – масса воды в конденсате, кг

Всего сконденсировалось  воды: 99,33+1043=1142,33 кмоль

В газе осталось водяных  паров: 1328,7-1142,33=186,37 кмоль