Получение слабой азотной кислоты

Атмосферный 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 ºС 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 ºС теплотой нитрозных  газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 6.

Газообразный аммиак, полученный путем испарения жидкого аммиака, после очистки от влаги, масла  и катализаторной пыли через подогреватель 5 при температуре 150 ºС также направляют в смеситель 6. Смеситель совмещен в одном аппарате с поролитовым фильтром. После очистки АВС с содержанием NH3 не более 10% подают в контактный аппарат 14 на конверсию аммиака.

Конверсия аммиака протекает  на платинородиевых сетках при температуре 870-900 ºС, причем степень конверсии составляет 96%. Нитрозные газы при 890–910 ºС поступают в котел-утилизатор 15, расположенный под контактным аппаратом. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до 170 ºС происходит испарение химически очищенной деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230 ºС, 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 ºС. 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 ºС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110–125 ºС. Затем нитрозные  газы направляют в холодильник-конденсатор 7, охлаждаемый оборотной водой. При  этом конденсируются водяные пары 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 ºС проходят подогреватель 11, где  нагреваются до 110–145 ºС и поступают  в топочное устройство (камера сжигания 3 установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390–450 ºС 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 ºС. Очищенные  газы поступают в газовую турбину 17 при температуре 690–700 ºС; 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%.

Таким образом, данный агрегат  полностью автономен по энергии. Энергия рекуперируется в результате установки на одной оси с турбокомпрессором  газовой турбины. [Кутепов, стр.410–411].

Структурная и операторная  схемы (Кутепов, стр.334)

 

 
 

 

 
Расчет материального баланса  ХТС

 
Структурная блок–схема ХТС

 
 

 

Условно постоянная информация для расчета

№	Содержание  информации	Условное обозначение	Единица измерения	Принятое значение
1	Содержание NH3 в АВС		% об.	10,5
2	Степень превращения NH3 в NO	1c	%	94
3	Степень переработки НГ в HNO3	2c	%	98,8
4	Концентрация HNO3		% масс.	57
5	Содержание O2 в выхлопных  газах		% об.	3,3
6	Содержание H2O в выхлопных  газах		% об.	2,8
7	Базис расчета, кг HNO3 в продукте	П	кг	5500

 

 G – масса потока;

V – объём потока;

N – количество молей  потока;

 –g доля компонентов в потоке: нижний индекс номер потока; верхний – компонент.

Составы 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	10,5%	18,8%	70,7%
4	23	кмоль		кмоль	кмоль	кмоль	кмоль
5	030	кмоль					кмоль
6	031	кмоль		кмоль	кмоль
7	301	кг					43%	57%
8	302	кмоль		3,3%	кмоль	кмоль	2,8%

Балансовая математическая модель

Составление системы уравнений

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q1

2NO + O2  2NO2 + Q2

2NO + 1,5O2 + H2O = 2HNO3 + Q3

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 системы для  решения на ЭВМ

Соответствие переменных потокам

Наименование потока	Условное обозначение	xi	Размерность	Значение по расчету
АВС	N12	x1	кмоль
Оксид азота в потоке 23		x2	кмоль
Азот в потоке 23		x3	кмоль
Кислород в потоке 23		x4	кмоль
Вода в потоке 23		x5	кмоль
Вода в блок 3	N030	х6	кмоль
Выхлопные газы	N302	х7	кмоль
Воздух в блок 3	N031	х8	кмоль

 

Матрица коэффициентов

№ ур-я	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	0,707	0	–1	0	0	0	0	0	0
3	0,188	–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

Материальный балнс ХТС

Материальный баланс химико-технологической  системы производства азотной кислоты  на 5500 кг

Введено			Получено
Статья прихода	Масса, кг	%	Статья расхода	Масса, кг	%
Аммиак			57% -я азотная к-та:
Воздух:			Азотная кислота
Кислород			Вода
Азот			Выхлопные газы:
Вода			Оксид азота
			Азот
			Кислород
			Вода
Всего:		100	Всего:		100

 

 

 

Защита окружающей среды.

В последнее время все  большее значение приобретают проблемы защиты окружающей среды в связи  с увеличением негативного антропогенного воздействия на нее человека. Ухудшение  экологической обстановки приводит к техногенным катаклизмам различных  масштабов - развитию заболеваний организмов, ухудшению качества товаров и  продуктов, сокращению срока службы строений, машин, приборов вследствие коррозии и др. Металлургическая промышленность вносит значительный вклад в регресс  экоразвития нашей страны. Наиболее серьезной экологической проблемой  отрасли являются выбросы отходящих  газов, содержащие токсичные вещества, в том числе и оксиды азота.   Предельно-допустимое среднесуточное содержание оксидов азота в пересчете на N₂O₅ в атмосферном воздухе населенных мест не должно превышать 0,1 мг/м³ при одновременном соблюдении требования о разовом максимальном содержании оксидов азота не более 0,3 мг/м³ [1]. Целью данных исследований является разработка и внедрение экологически чистых производственных технологий, обеспечивающих высокие санитарные требования к работе азотных предприятий страны. В связи с этим, нами проведены исследования по выявлению основных способов улавливания оксидов азота с целью их полезного использования или полного их разложения до элементарного азота перед выбросом в атмосферу. Данные исследования актуальны в связи с разрабатываемой технологией переработки многокомпонентных техногенных отходов, основанной на выщелачивании вторичного сырья азотной кислотой. Образующиеся при выщелачивании оксиды азота перерабатывают в неконцентрированную азотную кислоту посредством их поглощения из газовой фазы водой или разбавленной азотной кислотой. Для этого нитрозные газы охлаждают и направляют в поглотительные башни или абсорбционные колонны, где происходит окисление NO и поглощение образовавшихся оксидов азота. В  зависимости от условий охлаждения и окисления в газовой фазе могут присутствовать  различные  оксиды  азота, которые реагируют с водой по реакциям:                    

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂      + 116,02 кДж

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂       + 59,12 кДж

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂                    + 55,65 кДж

С практической точки зрения не имеет значения, что реагирует  с водой - двуокись или четырехокись азота, так как скорость их взаимного  превращения очень велика, а количество образующихся из NO₂ и N₂O₄ азотистой и азотной кислот одинаково. Процесс получения азотной кислоты связан с растворением в воде NO₂, N₂O₄ и N₂O₃. В  газовой фазе в результате взаимодействия паров воды с оксидами азота образуется также  незначительное количество азотной и азотистой кислот. Азотистая кислота малоустойчива и разлагается с образованием азотной кислоты и окиси азота по суммарной реакции:

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O   - 75,31 кДж

Расчеты показывают, что при обычных условиях равновесное содержание азотистой кислоты в разбавленной азотной кислоте очень мало. Скорость разложения азотистой кислоты с повышением температуры резко увеличивается, однако и при обычной температуре скорость этой реакции очень велика. Суммарные реакции образования азотной кислоты с учетом разложения азотистой кислоты описываются уравнениями:    

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO

3N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ + 4NO

По литературным данным известно, что при степени окисления газа менее 50 % растворы азотной кислоты поглощают оксиды азота в виде NO+NO₂. При высокой степени окисления газа происходит поглощение оксидов азота в виде NO₂. Учитывая малое количество трехокиси азота в газе, обычно все расчеты проводят исходя из уравнения реакции. Расчет равновесного состава оксидов азота над азотной кислотой показывает, что при парциальном давлении двуокиси азота 0,1 атм. получение азотной кислоты, имеющей  концентрацию более 60 % HNO₃, практически затруднительно. Присутствие в газовой фазе окиси азота смещает равновесие реакции влево. Поэтому в производственных условиях при атмосферном давлении трудно получить кислоту с концентрацией выше 50 %, а при 8 атм. - более 60 %. Главными факторами, определяющими высокую скорость образования азотной кислоты, являются проведение абсорбции под давлением при пониженных температурах с применением богатых по содержанию оксидов азота нитрозных газов и создание условий для  более полного соприкосновения газа с жидкостью. Существующие методы очистки подразделяются на три группы:

• поглощение оксидов азота жидкими сорбентами;
• поглощение оксидов азота твердыми сорбентами;
• восстановление оксидов азота до элементарного азота на катализаторе.