Файл: Софронов А.Л. Технология связанного азота курс лекций.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.07.2024
Просмотров: 74
Скачиваний: 1
- 132 -
выделяющегося тепла на тарелках в несколько рядов уложены змееви ки, по которым циркулирует охлаждающая вода. Выхлопные газы из колонны проходят брызгоуловитель II, подогреватель 8, где нагре ваются паром или нитрозными газами.
Пуск системы производится под разрежением, создаваемым паро вым эжектором 9. Продукционная 54-58#-ная кислота, содержащая 2-4# растворенных окислов азота, подвергается продувке в отдель ном аппарате.
В системе описанного типа рекуперируется до 40# энергии,за траченной на сжатие воздуха. К основным недостаткам установок, работающих под повышенным давлением, следует отнести повышенный расход электроэнергии и значительные потери платинового катализа тора.
Экономичность установок данного типа в значительной степени определяется применяемым давлением. Поскольку разница в производ ственных затратах при изменении давления невелика, рекомендуется выбирать систему с наименьшими капитальными затратами. Минималь ными капитальными затратами, по зарубежным данным, характеризуют ся установки, работающие под давлением 6-9 ат. Изменение давления в этом интервале не сказывается существенно на экономике процесса.
Наибольшее распространение в СССР и странах Западной Европы получили комбинированные схемы производства разбавленной азотной кислоты, в которых, в определенной мере, устраняются недостатки, присущие системам, работающим под атмосферным и повышенным давле нием.
Сущность комбинированного способа заключается в том, что окисление аммиака и охлаждение нитрозннх газов проводят под ат мосферным давлением, а переработку окислов азота в кислоту - под повышенным давлением. Благодаря этому сокращаются потери платино вого катализатора при относительно небольших реакционных объемах.
По сравнению с рассмотренными схемами, новым видом оборудо вания комбинированных систем являются турбокомпрессоры для сжа тия нитрозннх 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 СССР приняты системы с давлением конвер сии ашиака в I ат и давлением абсорбции 3,5 ат.
- 133 -
Основная аппаратура систем для производства разбавленной азотной кислоты
Контактные аппараты. В промышленности получили распростра нение комбинированные агрегаты для окисления аммиака под атмос ферным давлением (рис.37). Агрегат состоит из картонного фильт ра I, контактного аппарата П, котла-утилизатора 7 и экономайзе-
Рис.37. Комбинированный аппа рат для окисления аммиака под атмосферным давлением:./ - кар тонный фильтр;// - контактный аппарат;///- котел-утилизатор: 1- предохранительный клапан; 2- пакет фильтра;б - распреде
лительная решетка; 4 - платино вый катализатор;5- неплатино вый катализатор;6 - кольца Ра шита;?- котел;3- экономайзер
Аммиачно-воздушная смесь поступает в агрегат сверку и, прой дя кассеты картонного фильтра 2, чераз окна центральной трубы по падает во входной конус контактного аппарата. Для поддержания оди наковой температуры и равномерного распределения нагрузки.на поверх-
- 134 -
ности катализатора газовая смесь проходит распределительную решет ку 3. Внизу цилиндрической части аппарата на колосниковой решетке расположены платиноидные катализаторные сетки 4, а под ними - не платиновые сетки 5. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Ниже катализатора расположен слой фарфоровых колец 6, вы полняющих роль аккумулятора тепла.
Нижняя часть контактного аппарата, футерованная жаростойким кирпичом, непосредственно соединяется с верхней частью котла-ути лизатора Ш.
Нитрозные газы, пройдя котел, экономайзер и охладитель, отво дятся из нижней части аппарата. Питательная вода подается в труб-
-ки нижней части экономайзера. В верхней части котла отводится пар под давлением 40 ат с температурой 450°С. Агрегат изготовляется из хромоникелевой стали.
На рис.39 показан один из типов контактных аппаратов,работаю щих под давлением до 9 ат. Аппарат состоит из верхнего конуса 7, нижнего конуса (чаш) II и хвостовой присоединительной трубы I. Нижний конус и труба снабжены водяной рубашкой 3. Между конусами на колосниках из нихрома находятся катализаторные сетки. Для изго товления контактных аппаратов применяются нержавеющие хромоникеле вые стали и нихром. Размеры аппаратов квадратного сечения
350x350 мм, диаметр аппаратов до 500 мы круглого сечения. Абсорбционные колонны. Для абсорбции окислов азота под атмос
ферным давлением применяют насадочные абсорбционные колонны из не ржавеющей стали. Диаметр их достигает 8 м; высота 29 м (рис.38). Колонна состоит из сварного корпуса 4, заполненного кольцами Раши та, колосниковой решетки 2 и разбрызгивающего устройства I. Нитрозный газ поступает вниз колонны, а отводится в верхней части его. Орошающая кислота движется противотоком по отношению к газовому по току. Для абсорбции нитрозных газов под повышенным давлением приме няются абсорбционные колонны тарельчатого типа с колпачковыми или ситчатыми тарелками. Устройство колонны с ситчатыми тарелками пока зано на рис.40.
Колонна представляет собой сварной цилиндрический вертикаль ный сосуд диаметром 3 м и высотой до 45 м, изготовленный из стали марки ІХІ8Н9Т. Ситчатые тарелки I в количестве 40 шт. расположены по высоте, колонны на различных расстояниях друг от друга. Отверс тия диаметром 2 мм размещены на тарелках в шахматном порядке. При прохождении через такую тарелку газа снизу, вверх и жидкости сверху
- 135 -
вниз на тарелке образуется пена с большой поверхностью раздела фаз, что способствует интенсификации массообмена. Для перетока жидкости с тарелки на тарелку служат переливные патрубки 4.
ч
■ч
Рис.39. Насадочная абсорбцион ная колонна: 1- разбрызгиваю щее устройство; 2. - колоснико вая решетка;3 - кольца Рашита; 4 - корпус колонны
Рис.40. Абсорбционная колон на с ситчатыми тарелками:/ - ситчатые тарелки;2 - охлаждаю щий змеевик;.?- лаз;4 - пере
ливной патрубок
Для отвода тепла, выделяпцегося в процессе абсорбции нитрозных газов, на тарелках размещены охлаждающие змеевики 2, в кото рых циркулирует вода. Общая охлаждающая поверхность в колонне до стигает 500 м2 .
Сравнительная характеристика различных способов производства разбавленной азотной кислоты
Для сравнительной оценки различных систем производства раз бавленной азотной кислоты необходимо учитывать ряд факторов: рас ходные коэффициенты, капитальные затраты, возможность изготовления оборудования, назначение продукции и другие специфические требова ния. Сравнение различных показателей отечественных азотнокислотных установок показывает, что наименьшими энергетическими и эксплуата-
- 136 -
ционннми затратами характеризуются системы, работающие под атмос ферным давлением, наименьшими капитальными затратами системы, ра ботающие под повышенным давлением. Комбинированные системы по этим показателям занимают промежуточное положение. К недостаткам комби нированных систем следует отнести необходимость компримирования нитроэных газов в дорогостоящих турбокомпрессорах, большие капи тальные затраты на строительство отделений конверсии аммиака,труд ность создания аппаратов большой производительности и агрегатов мощностью выше 50 тые.т в год. Основным недостатком систем, рабо тающих под давлением, по сравнению с комбинированными, является повышенный удельный расход платиноидного катализатора.
В настоящее время в промышленности получают применение высо коэффективные фильтры для улавливания платиновой пыли, позволяю щие в значительной степени сократить потери катализатора. Кроме того, на ряде зарубежных установок, работающих под повышенным дав лением благодаря эффективному использованию энергии выхлопных га зов и тепла, выделяющегося при окислении аммиака и окиси азота, расход электроэнергии на сжатие воздуха понижен до нуля (стопро центная рекуперация энергии). Учитывая в дополнение к сказанному, более высокую концентрацию азотной кислоты при абсорбции нитрозных газов под повышенным давлением, следует заключить, что наиболее це лесообразно получение азотной кислоты проводить либо по комбиниро ванной схеме, либо под общим повышенным давлением.
Высказано мнение, что применение атмосферного давления хотя бы на одной из стадий процесса является неэкономичным. Для устано вок производительностью около 200 т азотной кислоты в сутки реко мендуется давление окисления аммиака 3,5 ат и давление абсорбции 9 ат.
Основные тенденции развития производства разбавленной азотной кислоты
Направление проводимых исследовательских работ и внедряемых в промышленность новых технологических решений определяется стрем лением к повышению экономичности процесса получения разбавленной
азотной кислоты, созданию более производительных установок посред ством увеличения скорости процесса на всех его этапах, повышению концентрации продукционной кислоты. Существенное влияние на эконо мику производства оказывает мощность применяемых установок, новы-
- 137 -
шение которой приводит к снижению затрат на строительство азотно
кислое ых систем.
По зарубежным данным еще в 1962 году средняя мощность агре гатов для производства азотной кислоты, вводимых в эксплуатацию крупными иностранными фирмами, составляла 120-350 т НМ03(моно гидрата) в сутки. В настоящее время эти фирмы строят агрегаты мощностью 700-900 т/сутки d W J} ведется проектирование систем мощ ностью 1000-1500 т/сутки. Существенное снижение себестоимости азотной кислоты может быть достигнуто при уменьшении потерь пла тинового катализатора. С этой целью проводятся испытания эффек тивных фильтров для улавливания платиновой пыли, испытываются ка тализаторы с повышенным содержанием P d ъ R h , внедряются в про изводство комбинированные катализаторы.
Повышение мощности установок азотной кислоты вызывает необ ходимость повышения давления (в особенности на стадии абсорбции).
Всвязи с этим особенно остро встает проблема снижения энергети ческих затрат. Примером эффективной рекуперации энергии может служить система фирмы "Гранд-Паруас"„ По этому методу окисление аммиака производится под давлением 4 ат, абсорбция окислов азотадо 10 ат. В агрегат входит турбокомпрессор, состоящий из компрес сора для сжатия воздуха, компрессора для сжатия нитрозных газов, паровой турбины и турбины для рекуперации энергии выхлопных газов.
Всоставе агрегата имеется окислительная колонна, тепло окисления аммиака используется для подогрева выхлопных газов. Одним из ос новных преимуществ этого процесса является эффективная регенера ция тепла, выделяющегося при окислении аммиака и W0 , а также при
сжатии воздуха и нитрозных газов. Расход электроэнергии в системе не превышает 16 квт-ч на I т азотной кислоты (удельный расход энергии в системе, работавшей под атмосферным давлением - 120 квт*^.
Представляет интерес предложение, содержащееся в одном из французских патентов. В этом случае работу установки для получения азотной кислоты без подвода энергии обеспечивают следующим образом: в поток отходящих газов инжектируют нар или воду, а затем подогре вают смесь. После расширения в турбине парогазовую смесь охлажда ют за счет теплообмена с отходящими газами так, чтобы конденсиро валась часть воды. При этом рекуперируется и часть тепла конденса ции воды. Особенность установки - наличие только одной турбины,на ходящейся на одном валу с компрессорами для воздуха (3,5 ат) н нит-
розннх газов (10 ат).
- 138 -
Важной проблемой развития производства азотной кислоты явля ется повышение ее концентрации, что позволяет упростить методы получения аммичной селитры и других азотных удобрений.
В СССР и за рубежом разработано несколько способов получения азотной кислоты повышенной концентрации, основанных либо на увели чении концентрации окислов азота в нитрозных газах, либо на повы шении эффективносии абсорбционной системы.
С.Н.Ганзом, В.С.Морозовнм и А.М. Вашкевич разработан способ получения азотной кислоты повышенной концентрации в замкнутой цир куляционной системе. Сущность метода заключается в следувдем: пе ред поступлением в контактный аппарат предварительно нагретая ам миачно-кислородная смесь смешивается с хвостовыми нитрозными газа ми, содержащими 8-12? Ш + Щ .После контактирования получается газ, содержащий 20-22% окислов азота. Этот газ поступает на охлаждение, а затем на абсорбцию в аппарат с внутренним теплоотводом, где окис лы азота поглощаются водой лишь на 50-55?. Остальное количество окислов азота возвращается в систему. На выходе из абсорбера полу чается кислота с содержанием 64-55? азотной кислоты.
Большие возможности для производства азгтнсй кислоты повышен- ;г1 концентрации появляются при использовании концентрированных окислов азота, полученных по комбинированному способу производства серной и азотной кислот, предложенному В.И.Арошенко, А.Н.Цейтлиным, А.Я.Крайней и О.М.Смирновой.
Увеличение концентрации азотной кислоты может быть достигнуто при повышенной скорости окисления окиси азота в жидкой фазе. На этой основе специалистами фирмы "Ккигьман" сконструирована абсорб ционная колонна с тарелками особой конструкции. Такая тарелка раз делена на два неравных сектора, в меньшем из которых азотная кисло та насыщается кислородом. Больший сектор тарелки предназначен для контакта нитрозных газов с раствором азотной кислоты, насыщенной кислородом. В такой колонне может быть получена 70?-ная азотная кислота с выходе« 99-99,5? при избыточном давлении 3 ат.
КОНЦЕНТРИРОВАНИЕ РАЗБАВЛЕННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Наряду с разбавленной азотной кислотой часто применяют и кон центрированную кислоту, содержащую до 96-98? НЫ03. Простое упарива ние водных растворов азотной кислоты позволяет концентрировать ее
- 139 -
практически только до 60-65$ HN03,так как при концентрации 68,4$ HftOj азотная кислота образует с водой азеотропную смесь, кипящую при І2І,9°С (рис.41).
Работами А.В.Сапожникова и П.Паскаля установлено, что при перегонке разбавленной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серная, фосфорная кислоты и др.) давление паров воды
Рис.41. Диаграмма кипения |
Рис.42. Равновесные концентрации |
системы HNO, -н„0 |
азотной кислоты в парах над сме- |
|
сями HN0S -Нг 0-Нг 30/( |
На рис.42 показана зависимость состава паров, выделяпцихся
при кипении тройной смеси |
НМ03~Иг 0~ HaS 04 под атмосферным дав |
лением, от состава жидкой |
фазы. Пользуясь треугольной диаграммой, |
можно определить состав паровой фазы из HN03 жҢ, О. Например,для исходной смеси, содержащей 54$ HN03 21%HZD и 25$ H^SO^ , пары бу дут. одержать 95$ НМ03(точка А). По этой диаграмме можно опреде лить состав исходной смеси для получения азотной кислоты требуе мой концентрации. Расход серной кислоты, необходимой для концент рирования, зависит от концентрации HN03 в разбавленной азотной кислоте, цричем расход H£SOJf тем больше, чем более разбавлена азотная кислота. Кроме того, расход серной.кислоты возрастает по мере снижения ее собственной концентрации. Для уменьшения расхода серной кислоты целесообразно использовать только концентрированную Нг 30^ и подавать на концентрирование азотную кислоту, предваритель но упаренную до 59-60$.
В процессе концентрирования азотной кислоты происходит ее час тичное разложение на окислы азота, образующие с серной кислотой.