Курсовой проект состоит из графической части схема производства hno (стр. 3 из 6)

Для ускорения реакции окисления NO необходимо применять пониженные температуры, высокие давления и по возможности создавать высокие концентрации NO и кислорода в газе.

Азотная кислота термодинамически устойчива при температурах ниже 250^оС. Поэтому при охлаждении нитрозных газов ниже этой температуры одновременно с окислением оксида азота (II) начинают протекать процессы кислотообразования. В газовой фазе при высоких степенях окисления оксида азота (II) происходит взаимодействие NO₂ с водяным паром, однако, количество образовавшихся паров азотной кислоты невелико. Азотистая кислота также образуется в газовой фазе, однако и её концентрация даже при 50%-ной степени окисления оксида азота в нитрозных газах невелико.

Процессы образования азотной кислоты в промышленной практике протекают как при поглощении оксидов азота водой, так и в условиях конденсации паров реакционной воды из нитрозных газов при охлаждении.

Присутствующие в нитрозных газах контактного окисления аммиака ди-, три- и тетроксидн азота (NO₂, N₂O₃, N₂O₄) способен взаимодействовать с водой:

N₂O₃+H₂O

2HNO₂+55,6 кДж;

N₂O₄+H₂O

HNO₂+59,2 кДж;

Азотистая кислота – неустойчивое соединение и в растворах азотной кислоты разлагается

4HNO₂→N₂O₄+2NO+2H₂O

Суммарный процесс разложения с учетом протекания обратимых реакций можно написать в виде

3HNO₂=HNO₃+2NO+H₂O-75,8 кДж

В общем виде процесс образования 55-60%-ной HNO₃, протекающий при поглощении оксидов азотов из нитрозных газов, полученных конверсией NH₃ воздухом описывается реакциями:

3NO₂+H₂O=2HNO₃+NO+136,2 кДж;

3N₂O₄+2H₂O=4HNO₃+2NO+101,8 кДж;

3N₂O₃+H₂O=2HNO₃+4NO+15,2 кДж;

Полностью поглотить водой оксиды азота невозможно как бы ни было велико число циклов абсорбции. Поэтому на стадии переработки оксидов азота в HNO₃ ограничиваются определенной степенью их абсорбции.

На установках, работающих под повышенным давлением, степень абсорбции составляет 0,98-0,995. Оставшиеся в газах оксиды азота в данных установках удаляют в атмосферу, предварительно подвергая их каталитической очистке.

При понижении температуры на 10^оС скорость реакции поглощения NO₂ возрастает в 1,5 раза, а скорость окисления NO увеличивается в 1,5 раза. При этом увеличивается растворимость NO₂ в кислоте, и растворенная часть NO₂ не реагирует с водой. Чем выше концентрация HNO₃, тем больше растворимость в ней NO₂. Оптимальная температура процесса переработки нитрозных газов в HNO₃ – 20-35^оС. Для охлаждения применяют свежую или оборотную воду.

На стадии переработки нитрозных газов важно по возможности больше окислить нитрозные газы, что способствует получению более концентрированной HNO₃ в течении более короткого времени.

В заводских условиях из нитрозных газов, содержащих 8-9% оксидов азота, получают под атмосферным давлением 47-50%-ную HNO₃. На установках под повышенным давлением достигается большая степень окисленности нитрозных газов и получается 58-60%-ная HNO_3.

Повышенное давление приводит к сильному увеличению скорости поглощения NO₂ и сравнительно небольшому повышению концентрации кислоты.

В то же время с повышением давления возрастает степень полимеризации NO₂ в N₂O₄ и увеличивается растворимость NO₂ в HNO₃. Поэтому кислоту, получаемую на установках под повышенным давлением продувают воздухом, чтобы удалить из нее растворенную NO₂. При повышении давления и одновременном охлаждении кислоты ниже 0^оС N₂O₄ будет конденсироваться и переходить в жидкую фазу.

При высоких температурах оксиды азота восстанавливаются до молекулярного азота. До поступления на катализатор выхлопной газ, содержащий оксиды азота, должен быть подогрет до температуры начала гетерогенной реакции и в него входят газ-восстановитель. Подогрев газа, либо прямым сжиганием горючих газов. Температура подогрева определяется в основном характером газа-восстановителя, составом катализатора и в промышленных схемах изменяется в пределах от 250 до 550^оС.

В случае применения природного газа в качестве восстановителя горения протекает по реакции:

CH₄+2O₂=CO₂+2H₂O+804,58 кДж

При неполном сгорании метана могут образоваться водород и оксид углерода:

CH₄+0,5O₂=CO+2H₂+35,13 кДж

Все три восстановителя реагируют на катализаторе с оксидами азота, восстанавливая их до азота. Причем на первой стадии восстановления из диоксида азота (NO₂) образуется оксид азота (NO), а затем N₂:

NO₂+2H₂=NO+H₂O;

2NO₂+2H₂=N₂+2H₂O.

Аналогично реагирует NO₂ и метан:

4NO₂+CH₄=4NO+CO₂+2H₂O;

4NO+CH₄=2N₂+CO₂+2H₂O+1160 кДж.

таким образом, конечными продуктами очистки являются нетоксичные вещества – азот, водяной пар, диоксид углерода. Отношение [CH₄]:[O₂] обычно поддерживают на уровне 0,55-0,56

В качестве катализатора высокотемпературного восстановления используют в основном наносные палладиевые катализаторы АПК-2, представляющие собой таблетированный оксид алюминия, на который наносят 2% Pd. В качестве восстановления используется природный газ. Процесс протекает при 400-800^оС, объемной скорости 15000-25000 ^–1 и линейной скорости 1-1,5 м/с. В качестве второго слоя в каталитической системе используют Al₂O₃, что позволяет снизить расход палладия. Срок службы АПК-2 составляет 3 года. Потери Pd 3-5% в год. Остаточная концентрация оксидов азота 0,002-0,008%.

Процесс высокотемпературной каталитической очистки вписывается в технологическую схему производства азотной кислоты и позволяет замкнуть энергетический баланс агрегата.

2.2 Технология и оборудование установки с комбинированным давлением мощностью 55 т/сут

Схема получения азотной кислоты комбинированным методом, получила широкое промышленное развитие. Окисление аммиака проводится при атмосферном давлении, абсорбция окислов азота осуществляется при повышенном давлении.

Нитрозные газы выходят из котла-утилизатора и поступают в скоростной холодильник 1. Здесь происходит их быстрое охлаждение до 35—45° С, образующийся конденсат содержит 2—3%-ную HN0₃. После выделения основного количества реакционной воды в скоростном холодильнике нитрозные газы охлаждаются в обычном газовом холодильнике 2, где конденсируется уже 25—30 %-ная кислота. Далее нитрозные газы сжимаются без промежуточного охлаждения до давления около 4 ат турбокомпрессором 5 и поступают в окислитель 7. Значительная часть окиси азота окисляется присутствующим в газах кислородом воздуха до двуокиси азота. Этот процесс протекает при повышенном давлении с довольно большой скоростью и с выделением тепла, вследствие чего нитрозные газы, поступающие в окислитель при 250—270° С, выходят из него при 300—350° С.

Во избежание потерь тепла в окружающую среду окислитель снабжают теплоизоляцией, что дает возможность использовать тепло реакции окисления окиси азота для подогрева отходящих газов в теплообменнике 8 и далее трансформировать тепловую энергию в механическую в турбине расширения 6. В теплообменнике 8 нитрозные газы охлаждаются до 110—130°С, а выхлопные газы нагреваются от 30 до 260—290° С. Дальнейшее охлаждение нитрозных газов происходит в холодильнике-конденсаторе 9, при этом конденсируется 50%-ная азотная кислота.

Предварительно хорошо окисленные и охлажденные нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 10 для переработки в продукционную кислоту. На соответствующую тарелку колонны подается кислота, полученная в холодильнике-конденсаторе 9. Выходящие из колонны газы содержат в зависимости от размеров абсорбера и конструкции тарелок, а также от температурного режима работы от 0,05 до 0,25% окислов азота. Они подогреваются в' теплообменнике 8 п поступают в турбину расширения 6, установленную на одном валу с турбокомпрессором 5. В турбине газы расширяются с 3,0-3,2 до примерно 1,1 ат и отдают тепло, затраченное при сжатии нитрозных газов. Охлажденные до 150-100° С газы выбрасываются в атмосферу.

Продукционная 50%-ная азотная кислота отбеливается для удаления растворенных окислов азота и поступает на склад. Выделенные из нее нитрозные газы подаются во всасывающую линию турбокомпрессора 5 и возвращаются на переработку.

Ниже приведены технико-экономические показатели системы

Окислитель

Удельный объем, м³/т HNO₃ в сутки ...…………..... 0,3-0,4

Подогреватель отходящих газов

Удельная поверхность, м^г/т HNO₃ в сутки ...………... 2,8-3,2

Абсорбционная колонна

Удельная поверхность охлаждающих змеевиков, м²/т

HNO₃ в сутки .............…………………………… ..... 3 - 4

Коэффициент теплопередачи, ккал/(м² · ч · град) . .... 900 - 1200

Удельный объем, м³/т НМО₃ в сутки ......………….. 2,3-2,9

Концентрация кислоты, %.........…………………….... 47-49

Выход (кислотная абсорбция), % ...……………........ Не более 98

Температура охлаждающей воды, °С ..……………...... Около 28

Коэффициент использования оборудования по времени

(в пределах года), % ...........…………………………….... 93,5 - 95,9

Выработка продукции с 1 м² застройки цеха, т/год ……… 37-42**

Общий объем зданий, м³/т HNO₃ в год .....……………….... 0,3 - 0,27*

* Уменьшение с ростом мощности

** Увеличение с ростом мощности

При прохождении газов в колонне снизу вверх со скоростью в свободном сечении 0,3—0,4 м/сек, а потока жидкости сверху вниз, на тарелках образуется пена с большой поверхностью раздела фаз, что способствует интенсивному массообмену. Для перетока жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую служат две параллельные переточные трубки диаметром 57 X 3,5 мм, отделенные от барботажной зоны перегородкой высотой 250 мм. Нижние концы переточных трубок опущены в приемный карман нижележащей тарелки, из которого жидкость растекается по плоскости тарелки, направляясь к переточным трубкам, расположенным в противоположной стороне от входа жидкости.