Расчет и проектирование узла охлаждения нитрозных газов и конденсация водяных паров в производстве неконцентрированной азотной кислоты

Министерство науки и высшего образования РФ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Березниковский филиал

Кафедра Химической технологии и экологии

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Основы проектирования»

тема: «Расчет и проектирование узла охлаждения нитрозных газов и конденсация водяных паров в производстве неконцентрированной азотной кислоты»

Выполнила: студентка

гр. ТНВ-17д

Макарова А.В.

Проверил: канд. техн. наук,

доцент кафедры ХТиЭ

Косвинцев О.К.

Березники, 2020

Министерство науки и высшего образования РФ

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Березниковский филиал

Кафедра Химической технологии и экологии

ЗАДАНИЕ

на выполнение курсового проекта по дисциплине

«Основы проектирования»

Фамилия И.О. Макарова Алена Васильевна                              

Факультет Химическая технология                  Группа ТНВ-17д                                     

Наименование темы курсового проекта «Расчет и проектирование узла охлаждения нитрозных газов и конденсация водяных паров в производстве неконцентрированной азотной кислоты»

Содержание курсового проекта:

1. Введение.

2. Общие сведения о проектируемом объекте.

3. Технологическая схема и основное оборудование объекта проектирования.

4. Материальные и энергетические расчеты объекта проектирования, технологические расчеты оборудования.

5. Пути совершенствования химико-технологического процесса на объекте проектирования.

6. Заключение.

7. Список использованной литературы.

Содержание

Введение. 4

1 Общие сведения о проектируемом объекте. 5

2 Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов. 7

3 Технологическая схема и основное оборудование объекта проектирования  16

3.1 Принципиальная схема получения продукта [4] 16

3.2 Подготовка и компримирование воздуха. 17

3.3 Подготовка газообразного аммиака. 17

3.4 Подготовка аммиачно-воздушной смеси. 18

3.5 Окисление аммиака. 18

3.6 Охлаждение нитрозных газов и конденсация водяных паров из них. 19

3.7 Абсорбция оксидов азота. 20

3.8 Селективная очистка хвостовых газов. 22

3.9 Рекуперация энергии, тепла и давления очищенных газов. 24

3.10 Выдача и хранение продукционной кислоты.. 24

4 Материальные и энергетические расчеты объекта проектирования, технологические расчеты оборудования. 25

4.1 Окисление аммиака. 25

4.2 Окисление оксида азота II 28

5. Пути совершенствования химико-технологического процесса на объекте проектирования. 32

Заключение. 33

Список использованной литературы.. 34

Введение

Азотная кислота является одной из важнейших минеральных кислот и по объему производства занимает второе место после серной кислоты. Все возрастающий объем производства объясняется огромным значением азотной кислоты и ее солей для народного хозяйства [1].

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).

В настоящее время основную массу азотной кислоты производят из синтетического аммиака, получаемого на основе конверсии природного газа.

Промышленное получение разбавленной азотной кислоты основано на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой.

Цель курсового проекта – расчет технологической схемы в производстве неконцентрированной азотной кислоты.

1 Общие сведения о проектируемом объекте

1.1 Кислота азотная неконцентрированная

Неконцентрированная азотная кислота производится в соответствии с ГОСТ Р 53789-2010 Кислота азотная неконцентрированная.

Химическая формула – HNO₃.

Относительная молекулярная масса – 63,0128.

Азотная кислота неконцентрированная, предназначенная для переработки в цехах предприятия должна иметь массовую долю кислоты – не менее 58,0%.

Внешний вид – бесцветная или слегка желтая жидкость без механических примесей.

Содержание продуктов реакции и реагирующих веществ после проведения последней стадии производства, а также физические константы азотной кислоты с массовой долей 58% HNO₃ представлены в табл. 1 и табл. 2. [2].

Таблица 1 – Процентное содержание реагирующих веществ и продуктов реакции в готовой продукции [2].

Состав	%	ПДК р.з (в воздухе рабочей зоны)	Класс опасности
Массовая доля азотной кислоты
высший сорт	не менее 57,0	2 мг/м3	3
первый сорт	не менее 56,0
второй сорт	не менее 46,0
Оксиды азота (NO2)
высший сорт	не более 0,07	5 мг/м3	3
первый сорт	не более 0,1
второй сорт	не более 0,2
Остаток после прокаливания		не	не
высший сорт	не более 0,004	регламенти-	классифи-
первый сорт	не более 0,02	руется	цируется
второй сорт	не более 0,05

Таблица 2 – Физические константы азотной кислоты с массовой долей 58% HNO₃.

Азотная кислота неограниченно растворима в воде, при растворении выделяется тепло. Азотная кислота гигроскопична. На воздухе сильно дымит, выделяя оксиды азота и пары азотной кислоты, которые образуют с влагой воздуха туман. Пары азотной кислоты в 2,2 раза тяжелее воздуха.

Азотная кислота неконцентрированная применяется в производстве аммиачной селитры, натриевой селитры, концентрированной азотной кислоты.

1.2 Перегретый пар

В качестве вторичного энергоресурса при производстве неконцентрированной азотной кислоты и в качестве товарного продукта вырабатывается перегретый водяной пар с давлением не более 1,6 МПа (16 кгс/см²) и с температурой 230 – 270^оС.

Пар выдается в сеть организации.

2 Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов представлена в табл. 3 [3].

Таблица 3 – Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов.

Наименование сырья, материалов, полупродуктов	Государственный или отраслевой стандарт, СТП, технические условия, регламент или методика на подготовку сырья	Показатели по стандарту, обязательные для проверки	Регламентируемые показатели
1	2	3	4
Аммиак жидкий технический	ГОСТ 6221-90 марка "Б"	Массовая доля аммиака (NH3)	Массовая доля аммиака (NH3) - не менее 99,6%
Массовая доля влаги	Массовая доля влаги – от 0,2 до 0,4%
Массовая концентрация железа	Массовая концентрация железа - не более 2 мг/дм3
Массовая концентрация масла	Массовая концентрация масла - не более 8 мг/дм3
Воздух атмосферный	Унифицирован-ные нормы технологического режима производства неконцентриро-ванной азотной кислоты под давлением 7,3 атм, утвержденные ВО "СОЮЗАЗОТ" 01.07.82г.	Массовая концентрация пыли после фильтра	Массовая концентрация пыли после фильтра – не более 0,007 г/м3
	Массовая концентрация фосфорных соединений - не более 0,0003 г/м3
	Массовая концентрация фтористых соединений (в пересчете на фтор) – не более 0,0001 г/м3
	Массовая концентрация сернистых соединений (в пересчете на серу) до аппаратов очистки воздуха – не более 0,0023 г/м3
Кислый конденсат	Унифицирован-ные нормы технологического режима	Массовая концентрация аммиачной селитры (NH4NO3)	Массовая концентрация аммиачной селитры (NH4NO3) – не более 2,0 г/дм3
Массовая концентрация азотной кислоты (HNO3)	Массовая концентрация азотной кислоты (HNO3) - 1,0 - 2,0 г/дм3

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
Питательная вода после де­аэраторных ба­ков	РД 24.032.01-91 «Нормы качества питательной воды и пара, организа­ция водно-химиче­ского ре­жима и химиче­ского контроля паровых стацио­нарных котлов-утилизаторов и энерготехнологи-ческих котлов» ПБ 10-574-03 «Правила устрой­ства и безопасной эксплуатации па­ровых и водогрейных котлов»	Молярная концентрация солей жесткости	Молярная концентрация солей жесткости – не более 10 мкмоль/дм3
Массовая концентрация нефтепродуктов	Массовая концентрация нефтепродуктов – не более 1,0 мг/дм3
Водородный показатель (при 25оС)	Водородный показатель (при 25оС) – не менее 8,5 ед. рН
Массовая концентрация растворенного кислорода (O2)	Массовая концентрация растворенного кислорода (O2) - не более 30 мкг/дм3
Массовая концентрация аммиака (NH3)	Массовая концентрация аммиака (NH3) – не более 3,0 мг/дм3
	Массовая концентрация суммы солей – не более 200 мг/дм3
	Массовая концентрация оксида железа (в пересчете на Fe+3) – не более 0,05 мг/дм3
Частично обессоленная вода	Технологический регламент цеха пароводоснабже-ния и технических коммуникаций (далее – ЦПВСиТК)	Молярная концентрация солей жесткости	Молярная концентрация солей жесткости – не более 0,03 ммоль/дм3
Молярная концентрация растворимых в воде гидроксидов (щелочность)	Молярная концентрация растворимых в воде гидроксидов (щелочность) - не более 0,8 ммоль/дм3
Массовая концентрация суммы солей	Массовая концентрация суммы солей – не более 55 мг/дм3
Водородный показатель (при 25оС)	Водородный показатель (при 25оС) - 7,0 - 9,5 ед. рН
Обессоленная вода	Технологический регламент ЦПВСиТК	Молярная концентрация солей жесткости	Молярная концентрация солей жесткости – не более 0,005 ммоль/дм3
	Молярная концентрация растворимых в воде гидроксидов (щелочность)	Молярная концентрация растворимых в воде гидроксидов (щелочность) - не более 0,15 ммоль/дм3
Массовая концентрация суммы солей	Массовая концентрация суммы солей – не более 6,0 мг/дм3
Водородный показатель (при 25оС)	Водородный показатель  (при 25оС) - 7,0-9,5 ед. рН

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
		Массовая концентрация хлор-ионов (Cl-)	Массовая концентрация хлор-ионов (Cl-) - не более 0,15 мг/дм3
	Массовая концентрация оксида железа (в пересчете на Fe+3) - не более 0,05 мг/дм3
	Массовая концентрация органических веществ, в пересчете на кислород (О2) (окисляемость) – не более 2,5 мг-О2/дм3
	Массовая концентрация силикатов в пересчете на SiO3 2-– не более 0,15 мг/дм3
Природный газ	ГОСТ 5542-78		Принимается по паспорту контроля качества ОАО "Газпром" г. Чайковский
Вода оборотная ВОЦ-3	Технологический регламент системы оборотного водоснабжения Технический проект производства слабой азотной кислоты. Технологическая часть. (Днепродзержинск 1971 г.)	Температура	Температура не более 28оС
Водородный показатель	Водородный показатель - 6,5-8,5 ед. рН
Массовая концентрация взвешенных веществ	Массовая концентрация взвешенных веществ – не более 80 мг/дм3
Молярная концентрация солей жесткости	Молярная концентрация солей жесткости – не более 3,57 ммоль/дм3
Вода оборотная ВОЦ-4	Технологический регламент системы оборотного водоснабжения Технический проект производства слабой азотной кислоты. Технологическая часть. (Днепродзержинск 1971 г.)	Температура	Температура – не более 28оС
Водородный показатель	Водородный показатель 6,5-8,5 ед. рН
Массовая концентрация взвешенных веществ	Массовая концентрация взвешенных веществ – не более 80 мг/дм3
	Молярная концентрация солей жесткости – не более 3,57 ммоль/дм3

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
Азото-водородная фракция	ТУ 113-00203795- -019-93		Объемная доля водорода (Н2) - не менее 90,0%
	Суммарная объемная доля азота (N2), аргона (Ar2), метана(CH4) – не более 10,0%
	Объемная доля метана (CH4) и аргона (Ar2) - не более 0,7%
Азот газообразный технический	ГОСТ 9293-74 2 сорт		Объемная доля азота (N2) - не менее 99%
	Объемная доля кислорода (O2) - не более 1,0%
	Объемная доля углеродсодержащих соединений в пересчете на метан (CH4) – не нормируется
	Объемная доля водорода (H2) - не нормируется
Воздух осушенный (для питания пневматических приборов и средств автоматизации)	ГОСТ 17433-80		Массовая концентрация масла и механических примесей - отсутствие
	Температура "точки росы" - 233 К (-40оС)
Масло турбинное Тп-22с	ТУ 38.101821 Технические условия на капитальный ремонт оборудования агрегата слабой азотной кислоты под давлением 7,3 атм, утвержденные ВО "Союзазот" 10.78г	Вязкость кинематическая (при 50оС)	Вязкость кинематическая (при 50оС) - 20 - 23 мм2/с
Кислотное число, мг КОН / г масла	Кислотное число, мг КОН / г масла – не более 0,04-0,07
Время деэмульсации	Время деэмульсации – не более 180 с
Температура вспышки в открытом тигле	Температура вспышки в открытом тигле – не ниже 186оС
Температура застывания	Температура застывания  -не выше минус 15оС
		Содержание механических примесей	Содержание механических примесей – не более 0,005%
Содержание воды	Содержание воды, % – отсутствие
	Массовая доля серы – не более 0,5%

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
			Содержание водорастворимых кислот и щелочей - отсутствие
	Коррозия на стальных стержнях – отсутствие
	Содержание фенола в базовом масле – не более 20 мг/дм3
	Плотность при 15оС – не более 903 кг/м3
Спирт этиловый ректификован-ный технический	ГОСТ 18300-78		Массовая доля этилового спирта (C2H5OH) – не менее 96,2%
Спирт этиловый технический	ГОСТ 17299-78 марка "А"		Массовая доля этилового спирта(C2H5OH) – не менее 95%
КАТАЛИЗАТОРЫ
Катализатор-ные вязаные сетки с активирован-ной поверхностью из платиновых сплавов	СТО 00195200-014-2007 (с изменением №1) ТУ 1995-080-001966533-2004	Форма сетки	Форма сетки - круглая
Диаметр сетки	Диаметр сетки – (1700 + 10 – 20) мм
Ширина окантовки	Ширина окантовки – 8-12 мм
Качество поверхности сеток	Качество поверхности сеток – отсутствие загрязнений и механических повреждений
Упаковка, маркировка сеток и ящиков
Масса сеток на соответствие сертификату завода-изготовителя
Сетки улавливающие тканые из палладиевых сплавов	СТО 00195200-015-2007 (с изменением №1) ТУ 1995-091-00196533-2006	Форма сетки	Форма сетки - круглая
Диаметр сетки	Диаметр сетки – (1700 ± 10) мм
Ширина окантовки	Ширина окантовки – 8 – 12 мм
Качество поверхности сеток	Качество поверхности сеток – отсутствие загрязнений и механических повреждений
Упаковка, маркировка сеток и ящиков

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
		Масса сеток на соответствие сертификату завода-изготовителя
Разделитель-ные проволочные тканые сетки из прецизионных сплавов Х23Ю5Т-0,5-0,40 Х23Ю5Т-1,0-0,40	СТО 00195200-011-2007 Полотно по ГОСТ 3826-82	Форма сетки	Форма сетки - круглая
Диаметр сетки	Диаметр сетки – (1700 ± 10) мм
Масса сеток на соответствие сертификату завода-изготовителя
Качество упаковки, маркировки
Катализатор алюмованадие-вый АВК-10	ТУ 113-03-3004-91 (с изменением №1)	Внешний вид	Внешний вид - стержни цилиндрической формы желтого или оранжевого цвета
Размеры стержней: - длина - диаметр	Размеры стержней: - длина - не более 18 мм - диаметр - (5 ± 1) мм
Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5	Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5  - 12 – 15%
Насыпная плотность	Насыпная плотность – 500 – 650 г/дм3
Массовая доля мелочи размером 3,0 мм	Массовая доля мелочи размером 3,0 мм – не более 0,8%
	Механическая прочность - не менее 97,0%
Катализатор алюмованадие-вый АВК-10М	ТУ 113-03-3001-90 (с изменениями №1-4)	Внешний вид	Внешний вид - гранулы цилиндрической формы желтого, оранжевого, коричневого, серого цвета. Допускается зеленоватый оттенок и наличие гранул черного или темно-синего цвета в количестве не более 15%
Размеры гранул: длина диаметр	Размеры гранул: длина не более 18 мм диаметр (5 ± 1) мм
Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5	Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5 - (13,5 ± 1,5)%
Массовая доля оксидов марганца, в пересчете на Mn2O5	Массовая доля оксидов марганца, в пересчете на Mn2O5 – 0,7-1,0%

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
		Насыпная плотность	Насыпная плотность – 500 – 650 г/дм3
Массовая доля мелочи размером менее 3,0 мм	Массовая доля мелочи размером менее 3,0 мм – не более 0,7%
	Прочность при истирании - не менее 65%
Катализатор алюмованадие-вый АОК-78-55	ТУ 6-68-165-02 (с изменением №1)	Внешний вид	Внешний вид - цилиндрические гранулы желтого, желто-зеленого цвета
Размер гранул: - длина - диаметр	Размер гранул: - длина - не более 18 мм - диаметр - (51) мм
		Массовая доля деформированных гранул и боя размером менее 3,0 мм	Массовая доля деформированных гранул и боя размером менее 3,0 мм не более 0,8%
		Насыпная плотность	Насыпная плотность – 700-900 г/дм3
		Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5	Массовая доля оксидов ванадия, в пересчете на V2O5 – (13,51,5)%
	Механическая прочность: потери массы при истирании – не более 2,0%
Носитель керамический сотовой структуры (Сонол)	ТУ 2163-70530509-001-2007	Внешний вид: - цвет - форма носителя - форма сечения блока - форма сечения канала	Внешний вид: - цвет – от белого до коричневого - форма носителя - блок, пронизанный однонаправленными каналами - форма сечения блока - квадрат - форма сечения канала - квадрат
Размеры блока: - длина стороны - высота - толщина стенки	Размеры блока: - длина стороны - (70 ± 10) мм - высота – 25-150 мм - толщина стенки - 0,5 – 2,5 мм
	Объемная плотность – (0,8 ± 0,2) г/см3

Продолжение таблицы 3

1	2	3	4
			Разрушающее усилие при сжатии боковой грани – не менее 2000 Н
	Удельная поверхность – не более 1,0 м2/г
	Температура ликвидуса не менее 12500С
	Фазовый состав - кордиерит не менее 60%
ФИЛЬТРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
Холстопрошивная ткань ХПСТ-2,5×160	ТУ 6-11-339-74		Принимается в соответствии с ТУ
Стеклоткань термообработан-ная ТСФ(Б)-7С	ГОСТ 10146-74		В соответствии с ГОСТ
Стеклоткань ТП 13	ГОСТ 19170		В соответствии с ГОСТ
Стекловолокно марки БВ 6/В однонаправлен-ное	ГОСТ 10727-91		По паспорту завода изготовителя в соответствии с ГОСТ
Стекловолокно ПСХТ ОУ 600 (800)	ТУ 5952-062-05763895-2004		Принимается в соответствии с ТУ
Стекловолокно ПСХТ-450 (1000)	ТУ 6-48-97-93		Принимается в соответствии с ТУ
Маты из микротонкого, ультратонкого стекловолокна УТВ	ТУ 6-11-389-76		Принимается  в соответствии с ТУ
Маты ТИС	ТУ 21-23-299-89		Принимается  в соответствии с ТУ
Фильтрующий элемент Ф-1,8 из лавсанового волокна	Каталог "ФП" Таллиннского завода 1969 г.		По паспорту завода изготовителя
Фильтрующий элемент  Д-33-КЛ из ткани Петрянова ФПП-1	Каталог "ФП" Таллиннского завода 1969 г.		По паспорту завода изготовителя
Фильтры воздушные тканевые комбинирован-ные НФ-001-Н13	Паспорт АФИП. 091-00-00-00 ПС		По паспорту завода-изготовителя

Окончание таблицы 3

1	2	3	4
ЭНЕРГОРЕСУРСЫ
Электроэнергия	ГОСТ 13109-67 (с изменениями  № 1-3)	Напряжение	Напряжение 6000 В
Частота	Частота 50 Гц
Пар 16		Давление	Давление 16 МПа
Температура	Температура 230-270оС
Пар 6		Давление	Давление 6 МПа
Температура	Температура 230-270оС
Пар 0,2		Давление	Давление 0,2 МПа

3 Технологическая схема и основное оборудование объекта проектирования 3.1 Принципиальная схема получения продукта [4]

Способ производства слабой (неконцентрированной) азотной кислоты, представленный на рисунке 1, основан на контактном окислении аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота обессоленной водой (кислым конденсатом) под единым давлением 0,716 МПа (7,3 кгс/см²) с каталитической низкотемпературной (селективной) очисткой хвостовых газов от остаточных оксидов азота и рекуперацией тепловой энергии и энергии сжатия очищенных газов.

Рисунок 1 – Принципиальная схема производства неконцентрированной азотной кислоты

Технологический процесс получения неконцентрированной азотной кислоты состоит из следующих стадий:

- подготовка и компримирование воздуха;

 - подготовка газообразного аммиака;

 - подготовка аммиачно-воздушной смеси;

 - окисление аммиака;

 - охлаждение нитрозных газов и конденсация водяных паров из них;

 - абсорбция оксидов азота;

 - каталитическая очистка хвостовых газов от остаточных оксидов азота;

 - рекуперация энергии, тепла и давления очищенных газов;

 - выдача и хранение продукционной кислоты;

3.2 Подготовка и компримирование воздуха

Для окисления аммиака используется кислород воздуха. Атмосферный воздух всасывается осевым компрессором газотурбинного агрегата через агрегатную воздухозаборную трубу в аппарат очистки воздуха, где проходит одно или двухступенчатую очистку от пыли.

3.3 Подготовка газообразного аммиака

Газообразный аммиак получается в установке подготовки аммиака, включающей испаритель жидкого аммиака, подогреватель газообразного аммиака и фильтрующие элементы.

Жидкий аммиак с давлением 1,2-1,4 МПа из цехового коллектора поступает в аппарат подготовки газообразного аммиака (испаритель) – горизонтальную ёмкость с размещенным в ней пучком U-образных трубок.

Испарение жидкого аммиака производится в испарителе при давлении 1,05-1,15 МПа паром с давлением 1,6 МПа. Постоянное давление газообразного аммиака на выходе из испарителя поддерживается автоматически регулятором давления, исполнительный механизм которого установлен на трубопроводе пара, подаваемого на испарение жидкого аммиака.

После испарителя газообразный аммиак последовательно проходит фильтры, где подвергается очистке от масла и механических примесей.

После очистки газообразный аммиак направляется в подогреватель – кожухотрубчатый теплообменник, где нагревается до температуры 80 – 110^оС перегретым паром с давлением 0,6 МПа.

После подогревателя, газообразный аммиак поступает в смеситель.

3.4 Подготовка аммиачно-воздушной смеси

В подогревателе воздуха за счет тепла нитрозных газов воздух нагревается и далее поступает в совмещенный аппарат смеситель с фильтром (смеситель), где происходит смешение с газообразным аммиаком.

Смеситель – вертикальный аппарат, состоящий из двух частей:

- нижняя часть – смеситель – представляет собой конус с расположенным в нем пучком труб, по которым проходит аммиак. Трубки развальцованы внизу (на нижней трубной решетке), а вверху свободно проходят в отверстие смесительной решетки. Проходя через открытые концы труб, аммиак смешивается с воздухом, идущим по межтрубному пространству;

- верхняя часть – фильтрующие элементы с насадкой из стекловолокна для дополнительной очистки аммиачно-воздушной смеси, размещённые в цилиндрическом сосуде с трубной доской, в которую они вставлены.

Объёмный расход воздуха, поступающего в смеситель, регулируется дистанционно сбросом части воздуха через электрозадвижку и регулирующий клапан в камеру сгорания.

Объёмная доля аммиака в аммиачно-воздушной смеси определяется лабораторным анализом или расчетным путем, в зависимости от расхода воздуха и аммиака в смеситель может составлять 8,7-10,6%.

Для обеспечения температуры платиноидных сеток в интервале 880 – 910°С и сохранении активности платиноидного катализатора объемная доля аммиака в аммиачно-воздушной смеси увеличена до 11,0%.

Далее аммиачно-воздушная смесь с температурой 170 – 230^оС через фильтр тонкой очистки (патроны с насадкой из стекловолокна) поступает в контактный аппарат.

3.5 Окисление аммиака

Аммиак окисляется кислородом воздуха до оксида азота на катализаторе при температуре 830-910^оС в контактном аппарате [5].

Химизм процесса окисления аммиака следующий:

	4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O + 907,9 кДж	(1)
	4 NH3 + 4 O2 = 2 N2O + 6 H2O + 1105,7 кДж	(2)
	4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 +6 H2O + 1269 кДж	(3)

Целевой является реакция I, тогда как реакции II и III – побочные, увеличивающие прямые потери аммиака за счет образования азота.

Увеличение теплового эффекта при окислении аммиака, количество аммиака в аммиачно-воздушной смеси, температура контактирования и степень конверсии связаны следующей зависимостью: каждый процент окисленного аммиака повышает температуру смеси примерно на 70^оС. Это соотношение в какой-то степени позволяет контролировать показания приборов и данные лабораторных анализов [6].

Средний за время пробега катализатора выход оксида азота (NO) от расхода окисляемого аммиака – степень контактирования (конверсии) должен составлять 93,5%, но не менее 92,0%.

При пуске контактного аппарата, во избежание проскока аммиака через катализатор и образования солей аммония при охлаждении смеси оксидов азота и аммиака, розжиг сеток и подъем температуры должен осуществляться достаточно быстро (3-5 минут).

3.6 Охлаждение нитрозных газов и конденсация водяных паров из них

Образующиеся при окислении горячие нитрозные газы поступают в котел-утилизатор.

Котел-утилизатор – горизонтальный двухходовой теплообменник, в котором размещены дымогарные трубки.

При прохождении котла-утилизатора нитрозные газы охлаждаются до температуры 230 – 300^оС, отдавая своё тепло на выработку пара с давлением не более 1,7 МПа.

Образовавшийся в котле-утилизаторе водяной пар поступает в пароперегреватель, нагревается теплом нитрозных газов до температуры 230 – 270^оС и с давлением не более 1,6 МПа пар выдается в цеховой коллектор.

В газовом объеме котла-утилизатора частично происходит реакция окисления оксида азота (NO) в диоксид (NO₂) с выделением тепла:

2 NO + O2 = 2 NO2 + 124,0 кДж

(4)

Далее нитрозные газы поступают в окислитель.

Это цилиндрический аппарат, в верхней части которого установлен фильтрующий элемент из холсто-прошивной стеклоткани ХПСТ-2,5х160 для улавливания платины из газовой фазы.

В объеме окислителя продолжается окисление оксида азота с повышением температуры нитрозных газов на 50-80^оС.

Подогреватель воздуха используется как подогреватель хвостовых газов второй ступени. Из аппарата нитрозные газы последовательно проходят подогреватель воздуха и подогреватель хвостовых газов, в которых за счет нагрева воздуха и хвостовых газов температура нитрозных газов понижается.

Подогреватель хвостовых газов позволяет за счёт утилизации тепла нитрозных газов снизить затраты природного газа на подогрев хвостовых газов перед реактором очистки хвостовых газов.

3.7 Абсорбция оксидов азота

Нитрозные газы после подогревателя хвостовых газов подаются в межтрубное пространство холодильников-конденсаторов, проходят их последовательно и охлаждаются до температуры не более 60^оС оборотной водой, поступающей после абсорбционной колонны [7].

Холодильник-конденсатор – вертикальный, одноходовой кожухотрубчатый теплообменник.

На поверхности трубок холодильников-конденсаторов при охлаждении нитрозных газов конденсируются пары воды с образованием азотной кислоты, стекающей на трубную доску. Конденсат с массовой долей азотной кислоты 30 – 50% отводится с трубной доски по трубопроводу в абсорбционную колонну на одну из тарелок (6, 8, 10, 12).

После холодильников-конденсаторов нитрозные газы направляются под нижнюю тарелку абсорбционной колонны.

Абсорбционная колонна – это вертикальный цилиндрический аппарат, по высоте которого размещены 47 тарелок ситчатого типа с отверстиями 2 мм и расстоянием между отверстиями 9 мм. 47-ая тарелка служит сепаратором брызг кислоты.

На 46-ую тарелку абсорбционной колонны подается орошающая жидкость: обессоленная вода, кислый конденсат или их смесь. Объёмный расход орошающей жидкости регулируется автоматически, регулятором, исполнительный механизм которого установлен на трубопроводе подачи орошения в абсорбционную колонну после насосов.

Нитрозный газ, проходя через отверстия в тарелках, барботирует через слой кислоты на них, создаёт при этом пену с большой поверхностью раздела фаз и вступает в реакцию с водой.

В абсорбционной колонне протекают следующие реакции:

- в жидкой фазе:

	2 NO2 + Н2O = НNO2 + HNO3 + 116,1 кДж	(5)
	N2O4 + H2O = HNO2 + HNO3 + 59,2 кДж	(6)
	3 HNO2 = HNO3 + 2 NO + H2O - 75,9 кДж	(7)

- в газовом объеме (между тарелками):

	2 NO + О2= 2 NО2+ 123,6 кДж	(8)
	2 NO2 = N2O4 + 61,6 кДж	(9)

Вода, а затем образующаяся азотная кислота, двигаясь навстречу потоку нитрозного газа, перетекает на ниже лежащие тарелки по переливным трубам, обеспечивающим равномерное распределение жидкости на тарелке.

Массовая доля азотной кислоты увеличивается по мере прохождения жидкости вниз.

Для обеспечения более полного окисления NO в NO₂ и содержания кислорода в хвостовых газах после абсорбционной колонны не менее 1,7% в трубопровод нитрозного газа перед колонной подается добавочный воздух.

Отвод тепла, выделяющегося при окислении NO в NO₂ и образовании кислоты на тарелках абсорбционной колонны, осуществляется оборотной водой, поступающей в змеевики из водооборотного цикла.

Из куба абсорбционной колонны азотная кислота с температурой не более 60^оС отводится в продувочную колонну.

Продувочная колонна– это вертикальный цилиндрический аппарат с тремя ситчатыми тарелками.

В продувочной колонне производится отдувка оксидов азота из кислоты горячим воздухом, который подается от нагнетателя.

Смесь воздуха и выделяющихся из азотной кислоты оксидов азота возвращается в трубопровод нитрозных газов под первую тарелку абсорбционной колонны и служит в качестве добавочного воздуха.

Азотная кислота с температурой не более 60^оС и массовой долей азотной кислоты – не менее 58% из продувочной колонны, выдается в хранилища склада кислоты.

Хвостовые газы после абсорбционной колонны с объёмной долей оксидов азота не более 0,16% проходят в подогреватель хвостовых газов, где нагреваются до температуры 110 – 150^оС за счет теплообмена с нитрозными газами.

Подогреватель хвостовых газов – горизонтальный кожухо-трубчатый теплообменник, в котором хвостовые газы подогреваются теплом нитрозных газов. Подогретые хвостовые газы поступают на каталитическую очистку от остаточных оксидов азота.

3.8 Селективная очистка хвостовых газов

Хвостовые газы очищаются от остаточных оксидов азота селективным методом.

Процесс селективной очистки представляет собой избирательное восстановление оксидов азота до молекулярного азота аммиаком на алюмованадиевом катализаторе.

Хвостовые газы из подогревателя хвостовых газов первой ступени поступают в подогреватель хвостовых газов второй ступени, в котором нагреваются до температуры 220 – 275°С теплом нитрозного газа выходящего из окислителя.

Далее хвостовые газы из подогревателя поступают в камеру сгорания реактора.

Камера сгорания состоит из цилиндрического корпуса, экрана, жаровой трубы и размещённых во входной части горелок. Природный газ и необходимый для горения воздух подают через горелочное устройство.

Горение происходит внутри жаровой трубы. Охлаждение жаровой трубы осуществляется за счёт омывания её с внешней стороны относительно холодными хвостовыми газами.

Природный газ поступает в камеру сгорания реактора (КСР) с давлением не более 1,2 МПа из цехового коллектора. Оптимальный режим горения природного газа в КСР поддерживается автоматически регулятором соотношения "газ-воздух", обеспечивающим зависимость объёмного расхода природного газа от объёмного расхода воздуха подаваемых в КСР.

Температура хвостовых газов после смешения с топочными газами поддерживается в пределах 250 – 300^оС дистанционным управлением клапаном на трубопроводе воздуха в камеру сгорания реактора.

Между камерой сгорания и реактором очистки хвостовых газов расположена камера смешения, представляющая кольцевую камеру, которая охватывает трубопровод. Через эту камеру подаётся газообразный аммиак, который служит восстановителем при разложении оксидов азота.

После камеры смешения смесь хвостовых газов и аммиака поступает в реактор очистки хвостовых газов.

Смешение аммиака с хвостовым газом осуществляется в струйном смесителе, представляющем конструкцию из торообразного кольца с набором поперечных распределительных труб.

Реактор очистки хвостовых газов – это цилиндрический аппарат с шаровыми днищами. В реакторе размещена полка с катализатором АВК-10, АВК-10М или АОК-78-55.

Основные реакции происходящие на катализаторе:

	4 NH3 + 6 NO = 5 N2 + 6 H2O + 1810 кДж	(10)
	8 NH3 + 6 NO2 = 7 N2 + 12 H2O + 2734 кДж	(11)

Процесс протекает при температуре 220 – 300^оС. Соотношение "аммиак/оксиды азота" составляет (1,1-1,15) / 1, степень восстановления 98 – 98,5%.

Гомогенная доочистка от остаточного аммиака осуществляется в "горячем" газоходе между камерой сгорания и турбиной с термическим окислением аммиака до молекулярного азота с остаточным содержанием аммиака не более 0,01%.

После очистки хвостовые газы содержат:

- объёмная доля оксидов азота (NO_x) – не более 0,005%;

- объёмная доля аммиака (NH₃) – не более 0,0086%;

- объёмная доля оксида углерода (СО) – не более 0,007%.

3.9 Рекуперация энергии, тепла и давления очищенных газов

Очищенные хвостовые газы обладают значительной энергией тепла и давления, которые используются в газовой турбине. На входе в камеру сгорания в трубопровод очищенного хвостового газа подается перегретый водяной пар для увеличения массы рабочего тела (газа) и для гомогенной доочистки следовых количеств оксидов азота в присутствии водяного пара до элементарного азота и водяных паров.

3.10 Выдача и хранение продукционной кислоты

Осветленная азотная кислота из продувочной колонны, по двум трубопроводам поступает в хранилища склада азотной кислоты.

Производство слабой азотной кислоты включает в себя 4 унифицированные комплексные линии (агрегата), поэтому приводится описание технологической схемы по одному агрегату.

4 Материальные и энергетические расчеты объекта проектирования, технологические расчеты оборудования 4.1 Окисление аммиака

Для расчета представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него (рис. 2) [8].

Рисунок 2 – Материальные потоки отделения окисления аммиака.

Материальный баланс

1.   Количество образующейся азотной кислоты по моногидрату:

2.   Количество аммиака

3.   Количество кислорода

В воздухе содержится 21% кислорода, 79% азота. В систему кислород подается в виде воздуха, следовательно, необходимо найти расход инертных газов (N₂).

4.   Количество азота

5.   Определим количество аммиака и кислорода, вступившее в химическую реакцию.

=

6.   Количество оксида азота и водяных паров, получившееся в результате реакции:

7.    Определим количество аммиака и кислорода, которое не вступило в реакцию:

Данные расчета представлены в табл. 4.

Таблица 4 – Материальный баланс окисления аммиака

Тепловой баланс

1.   Для составления теплового баланса воспользуемся справочными данными [9]. Также найдем теплоемкость каждого вещества при заданных температурах на входе и на выходе аппарата по формуле (1).

                                             (1)             

где a, b, c" – константы, Т – заданная температура, М – молярная масса вещества. Данные представлены в табл. 5.

Таблица 5 – Справочные данные.

Вещество	ΔH0, кДж/моль	М	a	b	c"	Ср расч,
при 453 К	при 1233 К
NH3	-45,94	68	29,8	0,02548	-167000	0,596	0,899
O2	0	160	31,46	0,00339	-377000	0,195	0,221
NO	91,26	120	29,58	0,00385	-59000	0,259	0,286
H2O	-241,81	108	30	0,01071	33000	0,324	0,400
N2	0	28	27,88	0,00427	0	1,065	1,184

2.   Определим тепловой эффект реакции:

Тогда теплота реакции равна:

3. Определим количество тепла, приходящее с аммиачно-воздушной смесью и уходящее с нитрозными газами. Для этого воспользуемся формулой (2):

(2)

Тогда на входе при температуре 453^○С:

На выходе при температуре 1233^○С:

4. Используя формулу (2), найдем тепло, уходящее с аммиаком и кислородом (тепловые потери). Тогда:

Данные расчета представлены в табл. 6.

Таблица 6 – Тепловой баланс окисления аммиака

4.2 Окисление оксида азота II

Представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него (рис. 3) [7].

Рисунок 3 – Материальные потоки отделения оксида азота II.

Материальный баланс

1. Количество оксида азота, поступающее в котел-утилизатор:

2.   Тогда количество кислорода, необходимое для окисления равно:

С нитрозными газами поступает кислород в количестве 662,3 кг/ч, следовательно, необходимо добавить в систему воздух, содержащий 3148,7 кг/ч кислорода. Тогда с добавочным воздухом придут инертные газы (азот), количество которых равно 11845,1 кг/ч. Всего в системе азота равно 50178,5 кг/ч.

Также с нитрозными газами поступают аммиак и водяные пары, в количестве 281,5 кг/ч и 6431,09 кг/ч соответственно. В реакции окисления они не участвуют.

3.   С учетом степени превращения, найдем количество оксида азота II и кислорода, которое вступает в реакцию.

6. Количество оксида азота IV, получившееся в результате реакции:

8.   Определим количество оксида азота II и кислорода, которое не вступило в реакцию:

Данные расчета представлены в табл. 7.

Таблица 7 – Материальный баланс окисления оксида азота II.

Тепловой баланс

1. Для составления теплового баланса воспользуемся справочными данными [9]. Также найдем теплоемкость каждого вещества при заданных температурах на входе и на выходе аппарата по формуле (1). Данные представлены в табл. 8.

Таблица 8 – Справочные данные.

Вещество	ΔH0, кДж/моль	М	a	b	c"	Ср расч,
при 1173 К	при 523 К
NO	91,26	60	29,58	0,00385	-59000	0,568	0,523
O2	0	32	31,46	0,00339	-377000	1,099	0,995
NO2	34,19	92	41,16	0,01133	-702000	0,586	0,484
N2	0	28	27,88	0,00427	0	1,175	1,075
NH3	-45,94	68	29,8	0,02548	-167000	0,876	0,625
H2O	-241,81	108	30	0,01071	33000	0,394	0,331

3.   Определим тепловой эффект реакции:

Тогда теплота реакции равна:

3. Определим количество тепла, приходящее и уходящее с нитрозными газами. Для этого воспользуемся формулой (2):

Тогда на входе при температуре 1173^○С:

На выходе при температуре 523^○С:

4.   Используя формулу (2), найдем тепло, уходящее с оксидом азота II и кислородом (тепловые потери). Тогда:

Данные расчета представлены в табл. 9.

Таблица 9 – Тепловой баланс оксида азота II.

Избыточная теплота составляет 67,21% от общего количества тепла, выходящего их котла-утилизатора с компонентами. Следовательно, необходимо отвести эту теплоту в виде перегретого пара с давлением
15 кгс/см². При этом давлении удельная энтальпия равна 2796 кДж/кг. Тогда количество воды, необходимое для охлаждения нитрозных газов, равно:

5. Пути совершенствования химико-технологического процесса на объекте проектирования.
Заключение

В работе рассмотрен процесс получения неконцентрированной азотной кислоты. Представлены все характеристики аппаратов, приведен анализ основного химико-технологического процесса, его оптимальные условия, и материальные и энергетические балансы основных отделений производства.

Основным продуктом для данной технологической схемы является неконцентрированная азотная кислота, которая применяется в производстве аммиачной селитры, натриевой селитры, концентрированной азотной кислоты. Вторичным продуктом является перегретый пар, который выдается в сеть организации.

Котел – утилизатор нитрозных газов предназначен для охлаждения нитрозных газов после контактного аппарата и получения перегретого пара.

Список использованной литературы

1.   Рахимова О.В. Технология соединений связанного азота: учебное пособие. – Пермь: ПГТУ, 2009 – 126 с.

2.   Мельников Е.Я. «Справочник азотчика», том 2, издательство "Химия", 1989. – 444 с.

3.   Постоянный технологический регламент (ТР 86-23-10) производства слабой азотной кислоты под давлением 7,3 кгс/см² (отделение 5-А)

4.   Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты: учебное пособие для вузов. – 3-е изд. – М.: Химия, 1970. – 494 с.

5.   Либерман Е.Ю., Нефёдова Н.В., Конькова Т.В. Катализаторы синтеза аммиака: определение активности – М.: РХТУ, 2002. – 48 с.

6.   Караваев М.М., Засорин А.П., Клещев Н.Ф. Каталитическое окисление аммиака. – М.: Химия, 1983. – 232 с.

7.   Ильин А.П., Кунин А.В. Производство азотной кислоты: учебное пособие. – СПб.: Издательство «Лань», 2013. – 256 с.

8.   Основы проектирования химических производств: учебник для вузов / В.И. Косинцев [и др.] – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. – 332 с.

9.   Равдель А.А., Пономарева А.М. Краткий справочник физико-химических величин. – 10-е изд. – М.: Альянс, 2016. – 240 с.