Синтез и анализ ХТС в производстве азотной кислоты (стр. 2 из 4)
ОКИСЛИТЕЛЬ, предназначенный для окисления оксида NO до оксида J\[Q2, представляет собой полый цилиндр из нержавеющей стали диаметром 3200мм, высотой 9925мм, объёмом 63 м3. В верхней части окислительного объёма между двумя сетчатыми корзинами проложен слой стекловаты для улавливания платины, уносимой нитрозными газами из контактного аппарата. С внешней стороны аппарат покрыт теплоизоляцией.
ВЕРТИКАЛЬНЫЙ КОЖУХОТРУБНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК-КОНДЕНСАТОР служит для конденсации азотнокислотных паров, образовавшихся в процессе окисления оксида NO. Конус аппарата для снятия температурных перенапряжений при вводе горячих нитрозных газов заключён в водяную рубашку. Нитрозные газы поступают в межтрубное пространство и выводятся из нижней части вместе с конденсатом азотной кислоты. Противотоком к газу по трубкам подаётся охлаждающая вода.
АБСОРБЦИОННАЯ КОЛОННА предназначена для абсорбции оксидов азота паровым конденсатом, поступающим на верхнюю тарелку абсорбера. Верхние тарелки с первой по пятнадцатую не имеют холодильников, на остальных 35 расположены змеевиковые холодильники, охлаждаемые оборотной водой для отвода тепла, выделяющегося при абсорбции оксидов азота.
ГАЗОВЫЙ АГРЕГАТ состоит из осевого турбокомпрессора, газовой турбины, редуктора для изменения числа оборотов, центробежного компрессора, выполняющего роль второй ступени сжатия воздуха, мотора-генератора. Мотор-генератор используется при пуске агрегата и камеры сжигания газа, работающей также при пуске агрегата. Во время нормальной работы агрегата мотор-генератор служит для выдачи избытка энергии, вырабатываемой агрегатом, во внешнюю сеть. Для охлаждения воздуха после первой ступени сжатия имеется промежуточный холодильник.
Производство концентрированной азотной кислоты
Неконцентрированную азотную кислоту можно сконцентрировать путем перегонки только до 68,4% HNO3; т.к. при этой концентрации состав азотной кислоты в парах и перегоняемой смеси одинаков, образуется так называемая азеотропная смесь. Максимальная температура кипения такой кислоты 393,05 К. Концентрированную азотную кислоту с содержанием 98% HNO3 получают двумя способами. Наиболее распространённый способ - получение азотной кислоты при помощи водоотнимающих веществ, таких, например, как серная кислота в виде купоросного масла (92-93%-ная H2SO4) и нитрат магния. Второй метод - прямой синтез из жидких оксидов азота и кислорода под давлением.
1 .При помощи серной кислоты (купоросного масла).
Применение водоотнимающих средств даёт возможность содержание водяных паров над кипящей смесью и увеличить содержание паров азотной кислоты, при конденсации которых получается 98%-ная HNO3.
В процессе концентрирования азотной кислоты в смеси с купоросным маслом под действием высокой температуры и частичного разложения азотной кислоты происходит образование нитрозилсерной кислоты:
N2O3 + H2SO4 = HNSO5 + Н2О
При концентрации H2SO4 ниже 75% и повышенной температуре нитрозилсерная кислота гидролизуется:
HNSO5 + Н2О = H2SO4 + HNO2
3HNO2 = HNO3 + 2NO + Н2О
При концентрации серной кислоты 57,5% нитрозилсерная кислота не образуется. Таким образом, процесс концентрирования азотной кислоты при помощи купоросного масла состоит из следующих стадий:
1) образования тройной смеси;
2) отгонки паров азотной кислоты из тройной смеси купоросного масла, азотной кислоты и воды;
3) конденсации выделившихся паров азотной кислоты;
4) удаления из концентрированной азотной кислоты растворённых в ней оксидов азота;
5) поглощения выделившихся оксидов азота при конденсации паров азотной кислоты.
Концентрирование разбавленной азотной кислоты с применением серной кислоты связано с большими затратами на упаривание отработанной серной кислоты, необходимое для её повторного использования в процессе укрепления азотной кислоты.
Применение серной кислоты в качестве водоотнимающего средства приводит к необходимости иметь цех концентрирования серной кислоты. Эта операция обходится дорого и сопряжена с выделением больших количеств вредных газов, которые гибельно действуют на окружающую природу. Облако газов, содержащих пары H2SO4, SO3, SO2, иногда простирается за пределы азотного завода.
Прямой синтез концентрированной азотной кислоты из окислов азота
Прямой синтез концентрированной азотной кислоты состоит в том, что жидкая четырёхокись азота взаимодействует с водой в присутствии газообразного кислорода под давлением 5 МПа:
2N2O4 + О2 + 2Н2О = 4HNO3 +59,5 кДж
Наиболее сложным в этом процессе является получение жидкой четырёхокиси азота; обычно её получают из нитрозных газов, образующихся при окислении аммиака. Вначале из нитрозных газов выделяют избыточную влагу, для этого газы охлаждают от 200 до 40°С. Затем окисляют содержащуюся в нитрозных газах NO до NO2 вначале кислородом воздуха в газовой фазе, а затем концентрированной азотной кислотой
2HNO3 + NO = 3NO2 + Н2О
После этого из нитрозных газов выделяют NO2 охлаждением газов до минус 15 - минус 20°С (под давлением не ниже 0,5 МПа) либо до минус 10°С и поглощением двуокиси азота концентрированной азотной кислотой (97-98% HNO3), в которой NO2 хорошо растворяется с образованием нитролеума:
nNO2 + HNO3 = HNO3·nNO2
Если в нитрозных газах присутствует 10-11% окислов азота, получают нитролеум, содержащий до 25% NO2. При нагревании такого нитролеума до 80°С получают газообразную двуокись азота, которая отделяется от азотной кислоты, а затем конденсируется и полимеризуется.
В заводских условиях конденсацию обычно осуществляют в двух последовательно соединённых холодильниках: в первом из них охлаждение производится водой, а во втором (до минус 8°С) - рассолом Са(NOз)2.
На экономические показатели процесса большое влияние оказывает давление, так как при увеличении давления уменьшается объём аппаратуры, повышается интенсивность процесса и снижается расход металла по системе в целом. Однако при этом уменьшается степень окисления аммиака и возрастает расход платины. В установках, работающих под давлением, увеличивается выход пара, что существенно снижает энергетические затраты и себестоимость азотной кислоты.
Себестоимость 1т концентрированной азотной кислоты, получаемой методом прямого синтеза из окислов азота, примерно на 15% выше себестоимости кислоты, получаемой концентрированием.
Концентрирование при помощи нитрата магния
В соответствии с литературными данными наибольший интерес представляет использование в качестве водоотнимающего средства нитрата магния вместо серной кислоты. Это метод с экономической и экологической точки зрения является наиболее выгодным, чем рассмотренные выше способы концентрирования азотной кислоты. Установка концентрирования азотной кислоты в присутствии нитрата магния состоит из отпарной и дистилляционной колонн, конденсатора концентрированной азотной кислоты и конденсатора раствора нитрата магния.
Температура кипения растворов нитрата магния примерно соответствует температурам кипения растворов серной кислоты в пределах концентрации 0-70% Н2SO4. Разбавленная азотная кислота поступает в отпарную колонну 1 тарельчатого типа. Сюда на одну тарелку выше ввода азотной кислоты подаётся подогретый до 100°С в кипятильнике 8 72%-ный раствор нитрата магния. В нижней части отпарной колонны при помощи кипятильника 2 температура раствора поддерживается в пределах 160 - 180°С. Пары, выходящие из отпарной колонны, содержат около 87% HNO3 и 13% воды и направляются в дистилляционную колонну 3. Раствор нитрата магния, содержащий около 55% Mg(NO3)2, поступает через кипятильник 8 на концентрирование до содержания 72% Mg(NC3)2. Пары воды, выделяющиеся из раствора в вакуум-испарителе 6, поступают в барометрический конденсатор 5. В дистилляционной колонне 3 происходит концентрирование 87% -ной азотной кислоты до содержания 99% HNO3. Ее пары при 86°С поступают в конденсатор 4, затем часть конденсата в виде флегмы возвращается в дистилляционную колонну, а остальное количество концентрированной кислоты передается на склад. Образовавшаяся в дистилляционной колонне 75%-ная азотная кислота стекает в отпарную колонну.
Соотношение концентрированного раствора Mg(NO3)2 и поступающей азотной кислоты должно быть не менее 2,5, чтобы концентрация отработанного раствора нитрата магния была не ниже 55%.
Преимущество этого способа концентрирования азотной кислоты состоит в значительно меньших эксплуатационных расходах (вдвое), меньших капитальных затратах (на 30 - 40%) и в возможности получения азотной кислоты, не содержащей H2SO4. Кроме того, устраняется загрязнение атмосферы сернокислотным туманом, образующимся, как известно, при концентрировании серной кислоты. Однако этот способ связан с большим расходом пара.
Рис.2. Схема установки для концентрирования азотной кислоты при помошинитратамагния:
1 - отпарная колонна; 2, 8 - кипятильники; 3, 4- конденсаторы; 5 - дистилляционная колонна; 6 - вакуум-испаритель; 7 – насос
Катализаторы окисления аммиака
Процесс производства азотной кислоты контактным окислением аммиака состоит из двух основных стадий: получение окиси азота и переработка её в азотную кислоту. Первая стадия - окисление аммиака в окись азота