Реферат: Технология неконцентрированной азотной кислоты
Максимальная степень превращения аммиака в окись азота достигается при вполне определенном времени контакта газа с катализатором. Оптимальным временем контактирования следует считать не то, при котором достигается максимальный выход NO, а несколько меньшее, так как экономически выгодно работать при большей производительности даже за счет снижения выхода продукта. В практических условиях время контакта аммиака с катализатором колеблется в пределах 1-2*10-4 сек.
6. Смешение аммиака с воздухом . Полная однородность аммиачно-воздушной смеси, поступающей в зону контактирования, является одним из основных условий получения высокого выхода окиси азота. Хорошее смешение газов имеет большое значение не только для обеспечения высокой степени контактирования, но и предохраняет от опасности взрыва. Конструкция и объем смесителя должны в полной мере обеспечивать хорошее перемешивание газа и исключать проскок аммиака отдельными струями на катализатор.
Оптимальные условия окисления окиси азота:
Зависимость константы равновесия реакции 2NO+O2 =2NO2 (+26,92 ккал) от температуры выражается уравнением: lgK= lg((PNO 2 *PO2 )/PNO2 )=-5749/T+1,751lgT-0,0005T+2,839. При понижении температуры и повышении давления газа равновесие реакции смещается вправо. При температурах ниже 2000 С и давлении 1 ат окисление окиси азота может осуществляться почти на 100%, так что в этих условиях реакцию можно рассматривать как необратимую, протекающую в сторону образования азота. При температурах выше 7000 С происходит почти полная диссоциация NO2 на окись азота и кислород.
Оптимальные условия абсорбции окислов азота при получении разбавленной азотной кислоты:
1. Температура . Все реакции, протекающие в абсорбционной системе, за исключением разложения азотистой кислоты, сопровождаются выделением тепла, поэтому их равновесие смещается вправо при понижении температуры. Благодаря этому понижение температуры способствует увеличению концентрации продукционной кислоты. Кроме того, понижение температуры благоприятно сказывается и на производительности системы, так как при этом увеличивается скорость окисления NO. Снижение температуры с 40 до 00 С позволяет увеличить производительность установки в два раза.
На практике температуру абсорбции поддерживают в пределах 20-400 С. Дальнейшее понижение температуры хотя и благоприятно сказывается на процесс, но в то же время приводит к повышению энергетических затрат и увеличению количества растворенных в азотной кислоте окислов азота, которые с водой не взаимодействуют, и в конечном итоге, теряются.
2. Давление . Повышение давления даже в небольшой мере позволяет значительно ускорить процесс образования HNO3 и сократить реакционный объем. Также повышение давления позволяет увеличить степень поглощения окислов азота. Для систем, работающих под атмосферным давлением, она составляет 93-97%, при давлении 8 ат -96-99%. В промышленности нашли применение установки, в которых абсорбция окислов азота проводится под различными давлениями: 1; 1,2; 1,7; 3,5; 4; 5; 7; 9 ат.
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ.
Методы производства разбавленной азотной кислоты могут быть подразделены на три основные группы: производство под атмосферным давлением, производство под повышенным давлением и комбинированные методы производства азотной кислоты (окисление аммиака производится под атмосферным давлением, абсорбция под повышенным давлением).
На рис.1 представлена схема получения разбавленной азотной кислоты под атмосферным давлением.
Для очистки от посторонних газов и механических загрязнений воздух промывается водой в скруббере, фильтруется через матерчатые фильтры и совместно с аммиаком подается в систему вентилятором, в улите которого происходит смешение воздуха и аммиака в нужном соотношении. До поступления на катализатор газовую смесь еще раз фильтруют через поролитовый или картонный фильтр, размещенные в верхней части контактного аппарата. Контактный аппарат монтируется непосредственно на котле-утилизаторе. На выходе из котла-утилизатора температура нитрозных газов снижается с 800 до 1600 С. Дальнейшее охлаждение нитрозных газов производится в двух последовательно включенных водяных холодильниках. На выходе из скоростного холодильника при температуре 400 С отделяется конденсат, содержащий 2-3% азотной кислоты. Поскольку при
охлаждении газов содержащаяся в них окись азота быстро окисляется и температура снова повышается, газы проходят второй холодильник, в котором отделяется конденсат, содержащий уже 25-30% азотной кислоты. Охлажденные нитрозные газы с помощью вентилятора подаются в абсорбционную систему, состоящую из 6-8 башен. В последнюю по ходу газа башню подается вода. Каждая башня системы орошается кислотой соответствующей концентрации. Циркуляция орошающей кислоты осуществляется при помощи центробежных насосов, подающих ее в башни через водяные холодильники. Нитрозный вентилятор подсасывает в систему воздух в таком количестве, чтобы содержание кислорода в выхлопных газах поддерживалось в пределах 3,5-5%. Степень поглощения окислов азота в башнях кислотной абсорбции составляет 92-94%. Остатки окислов азота улавливаются далее в щелочных башнях. Между системами кислой и щелочной абсорбции установлена пустотелая окислительная башня, предназначенная для повышения степени окисленности NO до 50-60%.
Основным недостатком систем, работающих под атмосферным давлением, является необходимость использования значительных реакционных объемов при относительно малой производительности установки.
Схема азотнокислой установки, работающей под давлением 8 ат, приведена на рис.2. Воздух, очищенный от примесей в башне-скруббере и матерчатом фильтре, сжимается в турбокомпрессоре, на одном валу с которым находится рекуперационная турбина. Сжатый до 8 ат при температуре 110-1200 С воздух поступает через фильтр на смешение с аммиаком в смеситель, часть воздуха направляется в абсорбционную колонну.
Газообразный аммиак, выходящий из испарителя 20, проходит фильтр 19 и поступает в смеситель 18.
Окисление аммиака кислородом воздуха осуществляется в контактном аппарате 17, после чего полученные нитрозные газы охлаждаются в паровом котле 16 и смешанные с добавочным воздухом поступают в холодильник-конденсатор 13. В холодильнике-конденсаторе в результате охлаждения нитрозных газов до 40-500 С и конденсации паров воды образуется 50-53%-ная азотная кислота, которая, пройдя фильтр для улавливания частиц платины 15, отводится из системы или направляется на тарелку, соответствующую концентрации этой кислоты.
Нитрозные газы из сепаратора 14 направляются под первую тарелку абсорбционной колонны 10 сетчатого или колпачкового типа. Колонна орошается чистым конденсатом, подаваемым насосом 2. Для отвода выделяющегося тепла на тарелках в несколько рядов уложены змеевики, по которым циркулирует охлаждающая вода. Выхлопные газы из колонны проходят брызгоуловитель 11, подогреватель 8, где нагреваются паром или нитрозными газами.
Пуск системы производится под разрежением, создаваемым паровым эжектором 9. Продукционная 54-58%-ная кислота, содержащая 2-4% растворенных окислов азота, подвергается продувке в отдельном аппарате.
В системе описанного типа рекуперируется до 40% энергии, затраченной на сжатие воздуха. К основным недостаткам установок, работающих под повышенным давлением, следует отнести повышенный расход электроэнергии и значительные потери платинового катализатора.
Экономичность установок данного типа в значительной степени определяется применяемым давлением. Поскольку разница в производственных затратах при изменении давления невелика, рекомендуется выбирать систему с наименьшими капитальными затратами. Минимальными капитальными затратами, по зарубежным данным, характеризуются установки, работающие под давлением 6-9 ат. Изменение давления в этом интервале не сказывается существенно на экономике процесса.
Большое распространение в нашей стране и в странах Западной Европы получили комбинированные схемы производства разбавленной азотной кислоты, в которых, в определенной мере, устраняются недостатки, присущие системам, работающим под атмосферном и повышенным давлением.
Сущность комбинированного способа заключается в том, что окисление аммиака и охлаждение нитрозных газов проводят под атмосферным давлением, а переработку окислов азота в кислоту - под повышенным давлением. Благодаря этому сокращаются потери платинового катализатора при относительно небольших реакционных объемах.
По сравнению с рассмотренными схемами новым видом оборудования комбинированных систем являются турбокомпрессоры для сжатия нитрозных газов, изготовляемые из кислотостойкой стали. Кроме того, после компрессора может быть установлен окислительный объем; при этом тепло окисления окиси азота используется для подогрева выхлопных газов, направляемых в рекуперационную турбину.
В настоящее время в нашей стране приняты системы с давлением конверсии аммиака в 1 ат и давлением абсорбции 3,5 ат.
Основная аппаратура систем для производства разбавленной серной кислоты.
Контактные аппараты . В промышленности получили распространение комбинированные агрегаты для окисления аммиака под атмосферным давлением (рис.3). Агрегат состоит из картонного фильтра I, контактного аппарата II, котла-утилизатора 7 и экономайзера 8.
Аммиачно-воздушная смесь поступает в агрегат сверху и, пройдя кассеты картонного фильтра 2, через окна центральной трубы попадает во входной конус контактного аппарата. Для поддержания одинаковой температуры и равномерного распределения нагрузки на поверхности катализатора газовая смесь проходит распределительную решетку 3. Внизу цилиндрической части аппарата на колосниковой решетке расположены платиноидные катализаторные сетки 4, а под ними - неплатиновые сетки 5. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Ниже катализатора расположен слой фарфоровых колец 6, выполняющих роль аккумулятора тепла.
Нижняя часть контактного аппарата, футерованная жаростойким кирпичом, непосредственно соединяется с верхней частью котла утилизатора III.
Нитрозные газы, пройдя котел, экономайзер и охладитель, отводятся из нижней части аппарата. Питательная вода подается в трубки нижней части экономайзера. В верхней части котла отводится пар под давлением 40 ат с температурой 4500 С. Агрегат изготавливается из хромоникелевой стали.