Расчёт производства азотной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Азотная кислота является окислительной минеральной кислотой, физические и химические свойства которой делают ее одним из наиболее ценных неорганических минералов. Азотная кислота широко используется в промышленности, наиболее распространенными являются производство взрывчатых веществ, азотный удобрений и красителей.

Вначале азотная кислота производилась с использованием различных методов выпуска, в 1914 г. разработан и в 1916 г. в Донецке пущен в эксплуатацию цех азотной кислоты на основе аммиака коксового газа. Сейчас получение азотной кислоты из аммиака - основной способ ее производства. Процесс включает три основных стадии, первая - окисление аммиака с получением одноокиси азота, вторая - окисление одноокиси азота с получением двуокиси и четырехокиси азота и, наконец, адсорбция окислов азота в воде с получением азотной кислоты [1].

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O - реакция окисления аммиака экзотермическая, протекает во внешнедиффузионной области на платиновом катализаторе в виде сеток; температура

800 - 900 0С; концентрация NH3 - 10%;

NO + O2 = NO2 - реакция газофазная, обратимая, экзотермическая;

2NO2 + H2O + O2 = 2HNO3 - гетерогенный («газ - жидкость») химический процесс с дополнительным окислением.

Описание технологии производства азотной кислоты под давлением 7, 3 Мпа [2]

При получении азотной кислоты синтетическим путем окисление аммиака наиболее рационально проводить под атмосферным давлением, а поглощение окислов азота - под повышенным давлением. Эта целесообразность диктуется тем, что при окислении NH3 под давлением значительно увеличивается расход платины, так как она быстрее теряет свои каталитические свойства и в большем количестве уносится нитрозными газами. Однако конструирование экономически эффективных машин для сжатия нитрозных газов вызывает значительные затруднения, вследствие чего при работе под давлением порядка 6-8 МПа до сих пор считается наиболее целесообразным производить сжатие аммиачно-воздушной смеси до ее контактирования. Процесс получения синтетической азотной кислоты при давлениях 6-8 МПа принципиально одинаков с процессом получения ее при атмосферном давлении. Отличительные особенности технологии и аппаратурного оформления первого из этих процессов состоят в следующем.

1. В контактный аппарат аммиачно-воздушная смесь поступает под давлением 6-8 МПа, и это же давление сохраняется во второй и третьей стадиях производства, т, е. охлаждение нитрозных газов и их поглощение происходит под тем же давлением. Вследствие этого скорость и степень окисления N0, а также скорость химического взаимодействия N02 с водой сильно возрастают. Отсюда на установках, работающих при повышенном давлении, объем аппаратуры оказывается гораздо меньшим, чем на установках атмосферного давления.

2. В связи с тем, что образование азотной кислоты из окислов азота происходит под давлением, растворы ее после выхода из охладительной и поглотительной системы содержат значительное количество растворенных окислов азота. Поэтому в целях уменьшения потерь этих окислов, а следовательно, и повышения степени превращения их в HN03 азотная кислота после поглотительной колонны подвергается продуванию воздухом. При этом происходит удаление из нее растворенных окислов азота и тем самым ее отбеливание. Окислы азота, полученные при этом продувании, возвращаются снова в поглотительную систему. Упрощенная схема производства синтетической азотной кислоты при давлении 6-8 МПа приведена на схеме.

Воздух после тщательной очистки в фильтре поступает в турбокомпрессор в котором за счет энергии сжатия он нагревается до 120- 140°С. Отсюда сжатый воздух направляется в подогреватель. Подогретый амиак направляется в смеситель. Аммиачно-воздушная смесь из смесителя направляется в контактный аппарат. При окислении NH3 температура газа на катализаторных сетках достигает 900-950°С. Поэтому нижняя часть контактного аппарата охлаждается водой. Во избежание загрязнений аммиачно-воздушной смеси продуктами коррозии все трубопроводы от фильтра до контактного аппарата делаются из хромоникелевой стали, а верхняя часть этого аппарата - из никеля. По выходе из контактного аппарата нитрозные газы поступают в котел-утилизатор, отсюда - в подогреватель отходящих (выхлопных) газов, а затем - в водяной холодильник-конденсатор. В первом из этих аппаратов газы охлаждаются до 380-400°С, во втором - до 180-200°С и в холодильнике - до 35-40°С. В котле-утилизаторе теплота нитрозных газов используется для получения водяного пара, а в подогревателе - для подогрева сжатых выхлопных газов, отходящих из абсорбционной колонны. 15-20% энергии сжатия этих газов используется после этого в турбине расширения турбокомпрессора. За счет конденсации водяных паров в холодильнике образуется 30% азотная кислота. В газоотделителе эта кислота отделяется от не поглощенных нитрозных газов, проходит через специальный фильтр для улавливания платины и направляется в поглотительную колонну, а затем - в продувочную колонну. В первой из этих колонн происходит повышение концентрации азотной кислоты до максимальной (58-60% HNO3) при данных условиях за счет поглощения нитрозных газов, поступающих сюда из газоотделителя. В эту же колонну подается вода и дополнительный сжатый воздух. Во второй колонне кислота освобождается от растворенных в ней окислов азота за счет подогревания ее глухим паром и продувания сжатым воздухом. Из продувочной колонны отбеленная азотная кислота поступает на склад готовой продукции; концентрация ее 58-60% HN03. Поглотительная и продувочная колонны тарельчатого типа. Кислота в них стекает по тарелкам навстречу газам: в первой колонне - нитрозным, во второй - сжатому воздуху.

Выхлопные газы из обеих колонок поступают в скруббер, который орошается концентрированной серной кислотой. В этом аппарате остатки окислов азота, содержащихся в выхлопных газах, поглощаются серной кислотой, которая в виде нитрозы используется в производстве серной кислоты башенным способом. Степень превращения N0 в азотную кислоту на установках, работающих при давлении 6-8 МПа, достигает 97-98%.

Структурная схема производства азотной кислоты:

Технологические единицы на упрощённой схеме:

1 - испаритель аммиака;

2 - нагреватель аммиака;

3 - компрессор;

4 - холодильник;

5 - теплообменник;

6 - смеситель;

7 - реактор окисления аммиака;

8 - котел - утилизатор;

9 - окислитель;

10 - конденсатор;

11 - абсорбционная колонна;

12 - сборник азотной кислоты.

Исходные данные для расчёта

Производительность: 10 тыс. т/сутки.

Число рабочих дней в году: 340 дней.

Парциальное давление паров воды в воздухе: 3, 5 МПа.

Давление газа в системе: 7, 3 ат.

Содержание NH3 в АВС: 8%.

Степень превращения аммиака: 100%

Степень абсорбции: 99%.

Выход NO: 92%.

Материальный баланс производства

Для расчета материального баланса представим материальные потоки, входящие в реакционный узел и выходящие из него:

Чтобы составить материальный баланс для каждой стадии производства необходимо представить материальный баланс производства. Рассчитаем производительность производства для чистой азотной кислоты кг/час: де n - количество рабочих дней в году, c - концентрация азотной кислоты.

Найдём мольный расход азотной кислоты:

Зная мольный расход азотной кислоты, можем определить количество диоксида азота и воды, затраченных в этой стадии с учётом степени абсорбции диоксида азота и количество образовавшегося NO:

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO

где Eабсорб - степень поглощения диоксида азота.

Также рассчитаем количество потерянных NO2 и H2O:

Рассчитаем количество оксида азота, которое необходимо окислить, чтобы получить требуемое количество диоксида:

2NO + O2 = 2NO2

Зная количество оксида азота, можно рассчитать состав и количество аммиачно-воздушной смеси. На стадии получения оксида азота помимо основной реакции также протекает побочная реакция с образованием азота.

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

Необходимо получить оксида азота с учётом образовавшегося при абсорбции диоксида азота:

Для получения оксида азота расходуется аммиака и кислорода:

В результате реакции образуется вода в количестве:

Количество аммиака, затрачиваемое на образование азота:

где ENO - выход NO в реакции.

Количество кислорода, затрачиваемое на эту реакцию, и количество образующихся воды и азота:

Общее количество аммиака и кислорода:

В реактор окисления подаётся аммиачно-воздушная смесь, содержащая аммиак и воздух, который в свою очередь содержит кислород, азот и воду.

Известно, что в аммиачно-воздушной смеси содержится 8% NH3, на основании этих данных рассчитаем количество воздуха в смеси:

По условию в воздухе помимо азота и кислорода также содержится вода, вычислим её содержание:

Найдём содержание воды в мольных долях:

Содержание кислорода и азота в воздухе:

Количество оставшихся компонентов аммиачно-воздушной смеси:

Рассчитаем количество воды, которое необходимо ввести в реакцию для разбавления азотной кислоты до заданной концентрации:

Рассчитаем дополнительное количество воды, которое необходимо ввести в реакцию, чтобы разбавить кислоту:

На основе полученных данных составим материальный баланс процесса:

Рассчитаем расходные коэффициенты:

Для аммиака:

Для воздуха:

Для воды:

Материальный баланс контактного агрегата (реактора окисления NH3)

В реакторе происходит реакция окисления аммиака, идущая по двум направлениям:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

Выход NO составляет 92%. Составим материальный баланс с учётом выхода и ранее вычисленных значений:

Материальный баланс узла окисления оксида азота

производство азотная кислота

2NO + O2 = 2NO2

Газовая смесь из аппарата окисления аммиака подаётся на окисление. В аппарат окисления оксида азота также подаётся NO, образующийся в результате абсорбции.

Составим материальный баланс с учётом ранее вычисленных значений:

Материальный баланс узла окисления оксида азота

3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO

Газовая смесь из аппарата окисления аммиака подаётся на абсорбцию. Для охлаждения газов используют теплообменник. Из-за охлаждения газов, вода в газовой смеси конденсируется и реагирует с образующимся диоксидом азота, образуя 30% азотную кислоту, которая поступает в соответствующее сечение абсорбционной колонны.

Составим материальный баланс с учётом ранее вычисленных значений:

Список используемой литературы

Бесков В. С. Общая химическая технология. М. : Академкнига. 2005.

Кутепов А. М. Общая химическая технология. М. : Высшая школа. 1990.

Размещено на Allbest.ru