Освобожденные от влаги пары азотной кислоты поступают в верхние две царги колонны (поз.1), образующие дефлегматор, где за счет продувки паров азотной кислоты через стекающую противотоком из конденсатора в жидком виде азотную кислоту происходит отдувка окислов азота. Отработанная серная кислота концентрации не более 70% поступает в отделение концентрирования отработанной серной кислоты.
3. Абсорбция окислов азота и азотной кислоты.
Окислы азота, образовавшиеся в колонне ГБХ (поз.1), поступают в холодильник – конденсатор (поз.2), где за счет охлаждения происходит конденсация азотной кислоты из парообразного состояния в жидкое. Процесс охлаждения идет за счет подачи воды с начальной температурой 5 ºС, на выходе ее температура равна 30 ºС.
Сконденсированная азотная кислота стекает в общий коллектор конденсатора и пройдя холодильник (поз.2), с температурой 30 ºС поступает в склад готовой продукции.
Из склада готовой продукции концентрированная азотная кислота передается на нитрование целлюлозы.
Серная кислота постепенно, насыщаясь водой, стекает по царгам вниз и перекачивается в отделение концентрирования серной кислоты.
Несконденсировавшиеся пары азотной кислоты и окислы азота поступают в холодильник - конденсатор (поз.3) для отделения от брызг азотной кислоты и далее поступают в абсорбер (поз.4), куда на орошение подается вода. При этом протекают реакции:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 + 116.1 кДж (2.20)
N2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 + 59.2 кДж (2.21)
N2O3 + H2O = 2 HNO2 +55.4 кДж (2.22)
Процесс образования разбавленной азотной кислоты включает следующие стадии:
- диффузия оксидов азота из газовой в жидкую фазу;
- взаимодействие оксидов азота с водой и образование азотной и азотистой кислот;
- разложение азотистой кислоты до азотной кислоты и оксида азота (II).
Азотистая кислота, образующаяся при абсорбции окислов азота водой в абсорбционной башне (поз.9), малоустойчива и разлагается.
Суммарная реакция разложения азотистой кислоты связана с образованием окиси азота и азотной кислоты:
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O – 75.87 кДж (2.23)
С повышением температуры скорость этой реакции резко увеличивается, однако и при обычной температуре скорость разложения азотистой кислоты довольно велика.
Суммарная реакция образования азотной кислоты описывается уравнениями:
2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3 (2.24)
3HNO = HNO + 2NO + HO (2.25)
__________________________________________
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 136.2 кДж (2.26)
и
N2O3 + H2O = 2HNO2 (2.27)
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O (2.28)
____________________________________________
3N2O3 + H2O = 2 HNO3 + 4 NO (2.29)
В обычных условиях поглощения двуокиси азота (0,3 – 10 % NO + NO2 в газе, 25 – 40°С, 0,001 – 0,008 МПа) скорость процесса абсорбции определяется скоростью диффузионного процесса. В первой (кинетической) области при малом содержании NO2 в газе (до 0,3 %) скорость абсорбции пропорционально концентрации двуокиси азота и не зависит от линейной скорости газа; во второй (диффузионной) области при высоком содержании NO2 в газе скорость абсорбции зависит и от линейной скорости газа.
Главными факторами, определяющими большую скорость образования азотной кислоты из окиси азота, являются проведение процесса абсорбции под давлением при пониженных температурах с применением богатых по содержанию окислов азота нитрозных газов и создание условий для более полного соприкосновения газа с жидкостью.
Далее идет процесс абсорбции, который протекает в абсорбционной башне (поз.9), которая имеет колосниковую решетку, на которой уложены кольца Рашига для увеличения поверхности контакта фаз.
Полученная в процессе абсорбции 5% - ая азотная кислота идет на подпитку для получения более концентрированной кислоты. В результате процесса абсорбции образуется 40%-ая азотная кислота, которая поступает в сборный бак (поз. 7), откуда с помощью центробежных насосов возвращается в цикл.
Перед пуском агрегата колонну разогревают паро - воздушной смесью. Затем включают выхлопной вентилятор, создают в колонне вакуум порядка 15-20 мм рт.ст и через нижний штуцер подают пар низкого давления и атмосферный воздух. Начальная температура такой паро – воздушной смеси не превышает 50ºС. Дальнейшее повышение температуры смеси проводится равномерно, без скачков, со скоростью 10ºС за 15 мин. Через 2-3 часа нагревания в верхней царге достигается температура 80-90ºС, при этом температура паро – воздушной смеси около 150ºС. Затем уменьшают подсос воздуха и повышают температуру смеси. В колонну для промывки парового конденсата подают концентрированную серную кислоту. Тепло, выделяющееся при разбавлении H2SO4 конденсатом, а также физическое тепло пара расходуется на поддержание в верхней части колонны температуры не ниже 80ºС.
В разогретую колонну постепенно подают разбавленную азотную кислоту, доводя нагрузку агрегата до нормальной. Период пуска агрегата до установления полной нагрузки и нормального режима составляет до 10 часов. Такой длительный пусковой период обусловлен хрупкостью ферросилида и большой чувствительностью его к изменениям температуры.
При остановке агрегата прекращают подачу азотной кислоты и уменьшают подачу серной кислоты. Через полчаса прекращают ввод пара в колонну. За это время азотная кислота будет полностью удалена из колонны, после чего прекращают подачу серной кислоты.
4. Концентрирование серной кислоты.
Процесс концентрирования серной кислоты производят в аппаратах – концентраторах вихревого типа (БМСКХ). Концентрирование серной кислоты осуществляется в концентраторах вихревого типа, представляющий собой вихревую ферросилидовую колонну. Процесс концентрирования осуществляется топочными газами при температуре от 600 до 900ºС. Горячие газы подаются в первую ступень вихревой колонны концентрирования серной кислоты.
Вихревая колонна состоит из пяти рабочих ступеней и одной брызгоуловительной ступени. Первая по ходу газового потока ступень выполнена в виде цилиндрической емкости, футерованной изнутри кислотоупорным кирпичом. Горячий газовый поток, нагретый в топке, при температуре 900ºС подается в днище колонны (первую ступень по ходу газового потока ступень концентратора) тангенциально через футерованный канал. Воздух в топку нагнетается воздуходувкой, а расход его регулируется задвижкой.
Вторая, третья, четвертая, пятая рабочие, абсорбционные и брызгоуло-вительная ступени выполнены конструктивно одинаковыми и изготовленными из высоко - кремнистого чугуна – ферросилида марки ЧС – 15. Отработанная (70 % - ная) серная кислота при температуре от 150 ºС до 170 ºС из колонны денитрации (поз.1) по трубопроводу 6.1 подается на шестую ступень концентратора (вихревой колонны) (поз.13). Расход ее устанавливается по щелевому расходомеру.
Контактирование горячих газов /3/ и кислоты осуществляется в колонне в противоточном режиме. Топочные газы, поступающие в первую ступень концентратора, поднимаясь вверх со ступени на ступень, контактирует с кислотой и концентрируют ее на ступенях.
При этом газы насыщаются парами воды и освобождаются от брызг кислоты на брызгоуловительных ступенях. Далее отходящие газы поступают в эжектирующее устройство. В эжектирующем устройстве за счет подсоса холодного воздуха происходит снижение температуры отходящих газов. Далее отходящие газы поступают в аппарат – брызголовушку, где происходит отделение брызг и капель кислоты от газового потока.
Вода подается на верхнюю абсорбционную ступень в количестве 1,0 – 2,0 л / мин. Расход воды регулируется вентилем и устанавливается по ротаметру. Образующаяся при абсорбции слабая (50 – 60 %) серная кислота и уловленные брызги серной кислоты подаются на укрепление на первую ступень колонны. Температура отходящих газов после брызголовушки составляет 110 – 130 ºС. Далее отходящие газы поступают в эжектирующее устройство и трубу выброса газов. Эжектирующее устройство /2/ служит для охлаждения газов до 60 – 70 ºС. Образующийся при охлаждении газов конденсат направляется в колонну.
Отходящие газы при 40 – 60 ºС направляются через трубу выброса газа в атмосферу. Серная кислота перетекает со ступени на ступень вниз, концентрируется и в виде продукционной 91 % серной кислоты с выхода первой ступени поступает в холодильник. Из холодильника серная кислота перетекает в сборник готовой продукции. Режим работы концентратора /3/ представлен в таблице 3.1.
Таблица 2.4 - Режим работы концентратора серной кислоты
| Наименование показателя | Норма |
| 1 | 2 |
| Массовая доля регенерированной серной кислоты, %, не менее | 92 |
| Температура топочных газов привходе в концентратор, ºС | 900 |
| Давление природного газа, МПа | 0,1 |
| 1 | 2 |
| Давление воздуха перед топкой, МПа | 0,008 – 0,013 |
| Массовая доля отработанной серной кислоты, %, не более | 70 |
| Температура отработанной сернойкислоты, ºС | 160 – 180 |
| Температура низа колонны, ºС | 180 – 200 |
| Температура верха колонны, ºС | 150 – 165 |
При нагревании водных растворов серной кислоты составы паровой и жидкой фаз неодинаковые – паровая фаза содержит больше воды, чем жидкая. При нагревании водных растворов серной кислоты, и, следовательно, массовая доля серной кислоты в растворе повышается.
С повышением массовой доли серной кислоты разность между количеством жидкой и паровой фаз уменьшается (рис. 2.3).
Так, например, если в парах над серной кислотой с массовой долей 80 % содержатся только следы серной кислоты, то над серной кислотой с массовой долей 90 % в парах ее содержится примерно 10 %, а над серной кислотой с массовой долей 98,3 % состав паровой и жидкой фаз неодинаков. Это хорошо видно на диаграмме кипения водных растворов серной кислоты при 0,098 МПа.