промышленности используют различные типы абсорбционных колонн с колпачковыми тарелками, с ситчатыми тарелками, переливными стаканами и др. Обоснование предлагаемой технологииСырьем служит недорогой и легко доступный синтетический аммиак, который при оптимально подобранных параметрах практически весь идет на получение монооксида азота; реакция протекает необратимо и быстро и не требует рециклов. Применение повышенного давления способствует уменьшению размеров аппаратов и увеличению производительности, но при этом увеличивается температура и количество сеток катализатора. Для обеспечения выхода оксида азота более 98% при давлениях 0,41 - 0,71 МПа необходима температура выше 950 0С, зато время контактирования становится менее 1,110-4 с, а скорость газа более 160 л/мин. Вообще, повышение температуры способствует увеличению выхода, но это приводит к большим прямым потерям дорогостоящего катализатора. Поскольку окисление оксида азота (II) протекает при низких температурах смесь охлаждается водой, которая, превращаясь в пар, идет на технологические нужды, а это экономически выгодно. Абсорбция диоксида азота происходит в колонне очищенной водой, причем степень абсорбции достигает 99%, а содержание оксидов азота в выхлопных газах до 0,11%. Обоснование выбора технологических параметровАммиачно-воздушная смесь, подаваемая в контактный аппарат, не должна содержать более 10%, иначе катализатор не будет полностью покрыт кислородом и начнется окисление аммиака до азота. Хотя максимально возможной концентрацией аммиака, при которой достигается высокий выход, является 11,0 - 11,5%, используется более низкая, поскольку скорость газа велика и необходим запас на случай проскока. Конверсия протекает при температурах 870 - 900 0С и давление 0,716 МПа. Эти параметры были подобраны на основе экономических показателей, т. к. повышение температуры увеличивает как выход, так и прямые потери платинового катализатора. Реакцию окисления NO в NO2 начинают проводить при температуре 170 0С, достаточной для обеспечения хорошего выхода и скорости. За счет теплоты реакции происходит разогрев до 300 0С. Степень окисления составляет около 85%. Абсорбцию диоксида азота ведут при температуре 35 - 40 0С, поскольку это способствует смещению равновесия вправо, концентрация кислоты на выходе достигает 55-58%. Функциональная схема получения азотной кислоты. Описание технологической схемы процессаВ 1960-ых годах разработан агрегат по производству азотной кислоты мощностью 120 тыс. т/год под давлением 0,716 МПа с использованием высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, выпускающий продукцию в виде 53-58% -ной HNO3. Технологическая схема этого производства в упрощенном варианте представлена на рисунке 5. Рис.5 Схема производства азотной кислоты под давлением 0,716 МПа с приводом компрессора от газовой турбины: 1 - фильтр воздуха; 2 - реактор каталитической очистки; 3 - топочное устройство; 4 - подогреватель метана; 5 - подогреватель аммиака; 6 - смеситель аммиака и воздуха с пролитовым фильтром; 7 - холодильник-конденсатор; 8 - сепаратор; 9 - абсорбционная колонна; 10 - продувочная колонна; 11 - подогреватель отходящих газов; 12 - подогреватель воздуха; 13 - сосуд для окисления нитрозных газов; 14 - контактный аппарат; 15 - котел_утилизатор; 16,18 - двухступенчатый турбокомпрессор; 17 - газовая турбинаАтмосферный воздух проходит тщательную очистку в двухступенчатом фильтре 1. Очищенный воздух сжимают двухступенчатым воздушным компрессором. В первой ступени 18 воздух сжимают до 0,35 МПа, при этом он нагревается до 165-175 єС за счет адиабатического сжатия. После охлаждения воздух направляют на вторую ступень сжатия 16, где его давление возрастает до 0,716 МПа. Основной поток воздуха после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 12 до 250-270 єС теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 6. Газообразный аммиак, полученный путем испарения ждкого аммиака, после очистки от влаги, масла и катализаторной пыли через подогреватель 5 при температуре 150 єС также направляют в смеситель 6. Смеситель совмещен в одном аппарате с поролитовым фильтром. После очистки аммиачно-воздушную смесь с содержанием NH3 не более 10% подают в контактный аппарат 14 на конверсию аммиака. Конверсия аммиака протекает на платинородиевых сетках при температуре 870-900 єС, причем степень конверсии составляет 96%. Нитрозные газы при 890-910 єС поступают в котел-утилизатор 15, расположенный под контактным аппаратом. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до 170 єС происходит испарение химически очищенной деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230 єС, который выдается потребителю. После котла-утилизатора нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов 13. Он представляет собой полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе 13 степень окисления возрастает до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300-335 єС. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 12. Охлажденные в теплообменнике 12 нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник 11, где происходит снижение их температуры до 150 єС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110-125 єС. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 7, охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 8, из которого азотную кислоту направляют в адсорбционную колонну 9 на 6-7-ю тарелку, а нитрозные газы - под нижнюю тарелку абсорбционной колонны. Сверху в колонну подают охлажденный паровой конденсат. Образующаяся в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие тарелки. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно увеличивается и на выходе достигает ~1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну 10, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и отбеленная азотная кислота поступает на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9. Степень абсорбции оксидов азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35 єС проходят подогреватель 11, где нагреваются до 110-145 єС и поступают в топочное устройство (камера сжигания 3 установки каталитической очитски. Здесь газы нагреваются до температуры 390-450 єС за счет горения природного газа, подогретого предварительно в подогревателе 4, и направляются в реактор с двухслойным катализатором 2, где первым слоем служит оксид алюминия с нанесенным на него палладием, вторым слоем - оксид алюминия. Очистку осуществляют при 760 єС. Очищенные газы поступают в газовую турбину 17 при температуре 690-700 єС; энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомпрессора 18. Затем газы направляют в котел-утилизатор и экономайзер (на схеме не показаны) и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005-0,008%, содержание CO2 - 0,23%. Расчет материального баланса ХТС.Блок-схемаРис.2. Структурная блок-схема производства азотной кислоты: 1 - блок подготовки сырья; 2 - блок окисления аммиака; 3 - блок абсорбции нитрозных газов. Таблица 1Составы потоков|
№ потока | Индекс потока | Ед. измер. | Содержание компонентов | | | | | NH3 | O2 | N2 | NO | H2O | HNO3 | | 1 | 010 | кмоль | 100% | | | | | | | 2 | 011 | кмоль | | 21% | 79% | | | | | 3 | 12 | кмоль | 10% | 18,9% | 71,1% | | | | | 4 | 23 | кмоль | | Кмоль | кмоль | кмоль | кмоль | | | 5 | 030 | кмоль | | | | | кмоль | | | 6 | 031 | кмоль | | Кмоль | кмоль | | | | | 7 | 301 | кг | | | | | 42% | 58% | | 8 | 302 | кмоль | | 3,2% | кмоль | кмоль | 2,7% | | | |
Уравнения материального баланса ХТС. 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q 4NH3 + 3O2 =2N2 + 6H2O + Q 2NO + 1.5O2 + H2O = 2HNO3 + Q Уравнения для блока контактирования: По оксиду азота: По азоту: По кислороду: По воде: Уравнения для блока абсорбции: По оксиду азота: По воде: По кислороду: Уравнение для потока выхлопных газов: Подготовка уравнений для решения на ЭВМ. Таблица 2 Соответствие переменных потокам |
Наименование потока | Условное обозначение | xi | Размерность | Значение по расчету | | Аммиачно-воздушная смесь | N12 | x1 | кмоль | 415.33 | | Оксид азота в потоке 23 | N23NO | x2 | кмоль | 40.29 | | Азот в потоке 23 | N23N2 | x3 | кмоль | 295.92 | | Кислород в потоке 23 | N23O2 | x4 | кмоль | 27. 20 | | Вода в потоке 23 | N23Н2О | x5 | кмоль | 62.30 | | Вода в блок 3 | N030 | х6 | кмоль | 68. 19 | | Выхлопные газы | N302 | х7 | кмоль | 373.07 | | Воздух в блок 3 | N031 | х8 | кмоль | 69.03 | | |
Таблица 3 Матрица коэффициентов |
№ уравнения | bi при xi | Свободный член | | | х1 | х2 | х3 | х4 | х5 | х6 | х7 | х8 | | | 1 | 0,079 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | | 2 | 0,713 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | | 3 | 0,187 | -1,25 | 0 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | | 4 | -0,15 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | | 5 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 40,286 | | 6 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | -0,027 | 0 | 120,416 | | 7 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | -0,032 | 0,21 | 29,762 | | 8 | 0 | -0,015 | -1 | 0 | 0 | 0 | 0,941 | 0,79 | 0 | | |
Решаем систему с помощью электронных таблиц EXCEL матричным способом: умножая обратную матрицу на матрицу свободных членов. Результаты расчета. Таблица 4 Материальный баланс химико-технологической системы производства азотной кислоты на 2500 кг |
Введено | Получено | | Статья прихода | Масса, кг | % | Статья расхода | Масса, кг | % | | | | | | | | | Аммиак | 706,1 | 4,80 | 58% - ная азотная кислота: | 4310,3 | 29,31 | | Воздух: | 12771,1 | 86,85 | Азотная кислота | 2500 | 17,00 | | Кислород | 2975,8 | 20,24 | Вода | 1810,3 | 12,31 | | Азот | 9795,3 | 66,61 | Выхлопные газы: | 10394,2 | 70,69 | | Вода | 1227,4 | 8,35 | Оксид азота | 18,1 | 0,12 | | | | | Азот | 9812,7 | 66,73 | | | | | Кислород | 382,0 | 2,60 | | | | | Вода | 181,3 | 1,23 | | Всего: | 14704,5 | 100 | Всего: | 14704,5 | 100 | | |
Поточная диаграмма материального баланса Масштаб: 1 см = кг Расчет основных технологических показателей процессаРасходные коэффициенты по сырью (аммиаку): Теоретический расходный коэффициент: Практический расходный коэффициент: Конверсия аммиака. (по условию). Выход. Селективность. поскольку степень превращения равна 100%. Список используемой литературыКутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. - М.: Высш. шк., 1990. - 520 с. Мухлёнов И.П., Авербух А.Я., Кузнецов Д.А. и др. Под ред. И.П. Мухлёнова. Общая химическая технология: учебник для химико-технологических специпльностей. Т.2. Важнейшие химические производства. - М.: Высш. шк., 1984. - 264 с. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. - М.: Химия, 1970. - 496 с.
Страницы: 1, 2, 3
|
