Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
План
Введение
1. Технологическая часть
1.1 Выбор метода производства
1.2 Основные физико-химические свойства сырья, вспомогательных материалов, катализаторов, готовой продукции (характеристика их качества согласно государственным стандартам)
1.3 Теоретические основы принятого метода
1.4 Описание технологической схемы узла
1.5 Выбор оборудования
1.6 Автоматизация технологического процесса и аналитический контроль производства
1.7 Отходы производства, их применение
1.8 Охрана труда и промышленная экология
2. Расчетная часть
2.1 Предварительный расчет
2.2 Материальный баланс
2.3 Тепловой расчет
2.4 Конструктивный расчет
2.5 Расчет расходных коэффициентов
Список использованных источников
Введение
До начала 20-го века HNO3 получали из природной натриевой (чилийской) селитры:
NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3 (1)
При использовании 95-97% H2SO4 и 96% NaNO3 получали 96-98% HNO3. Позднее процесс стали вести под вакуумом, что снижало температуру процесса и его продолжительность.
В начале 20-го века был предложен метод фиксации атмосферного азота в пламени электрической дуги (1906г.). для производства азотной кислоты этим методом не требуется искусственное сырье и сложное оформление процесса, но этот метод не выгоден в связи с большим расходом электроэнергии.
В 1913г. был освоен промышленный синтез аммиака из элементарных веществ, он быстро получил широкое распространение. Вскоре был разработан и способ получения азотной кислоты из аммиака.
1-й завод азотной кислоты, по схеме работающий при атмосферном давлении производительностью 8000 т/год был построен в 1916г. в г. Юзовке (СССР). В основе этого метода лежал метод окисления аммиака, полученного из коксового газа. Метод предложен русским ученым Андреевым. Он же предложил и катализатор - платиновые сетки, изучил процессы окисления аммиака на сетках, абсорбцию оксидов азота водой и получение аммиачной селитры.
В наше время разработаны различные методы получения оксидов азота по плазменной технологии, но они очень электроемкие. Ведутся работы по снижению расхода электроэнергии.
В наше время основным способом производства азотной кислоты (разбавленной) является способ, предложенный Андреевым.
Азотную кислоту применяют в:
сельском хозяйстве (аммиачная селитра, комплексные минеральные удобрения);
производстве взрывчатых веществ;
производстве красителей и иных химикатов;
производстве ракетного топлива (оксиды азота и азотная кислота);
производстве искусственного шелка;
производстве лекарственных препаратов;
производстве серной кислоты.
По объему производства азотная кислота занимает 2-е место. В промышленности получают:
1) неконцентрированную АК (45-60%);
2) концентрированную АК (90%).
Кислота азотная неконцентрированная, полученная абсорбцией оксидов азота водой, используется для получения плава аммиачной селитры, сложных удобрений, для окислительных процессов травления металлов для производства концентрированной азотной кислоты.
Вывод: в связи с ростом потребления сельским хозяйством и промышленностью азотной кислоты, производство ее в 20-м веке увеличивается.
1 Технологическая часть
1.1 Выбор метода производства
Азотную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота (неконцентрированная) и перегонкой 56-60 %-ной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серной кислоты или плава нитрата магния) и прямым синтезом (концентрированная).
В зависимости от условий ведения производственного процесса различают типы схем:
1) Схема, работающая под давлением 0,716 МПа.
Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс. т\год (100%-ной азотной кислоты). Восстановление оксидов азота происходит на двухступенчатом катализаторе АПК-2 и Al2O3. Содержание оксидов азота в отходящих газах после каталитической очистки не более 0,005% (об.). Агрегаты, работающие под давлением 0,716 МПа, оснащены приборами автоматизации, позволяющими управлять процессом из ЦПУ. Эти агрегаты характеризуются высокой степенью использования энергии процессов, большой мобильностью при пуске, остановках и изменении нагрузок, большой единичной мощностью и эффективной очисткой отходящих газов от оксидов азота.
НТР процесса:
- содержание аммиака в АВС, % (об.) – 9,7 – 10,7
- температура, ˚С:
АВС – 180-230
Контактирования – 890-910
- концентрация продукционной кислоты, % (масс.) – 58-60
Схема спроектирована в 1968 г. (цех №5).
2) Крупнотоннажный агрегат АК-72.
Производство разбавленной азотной кислоты в агрегате АК-72 осуществляется по комбинированному методу: окисление аммиака проводится под давлением 0,42 МПа, абсорбция оксидов азота – при 1,1 МПа.
При давлении 0,42 МПа можно достичь высокой степени конверсии аммиака (до 97%) и расход платины будет составлять не более 0,1-0,12 г\т азотной кислоты.
Особенностью агрегата АК-72 является применение высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота с помощью природного газа и подача горячих выхлопных газов в газовую турбину без предварительного охлаждения.
Агрегат АК-72 автоматизирован. Пуск и управление всех процессов осуществляется через ЦПУ.
При снижении к.п.д турбин высокого и низкого давления в результате загрязнения проточной части осевого воздушного компрессора и утечки газов через неплотности производительность агрегата снижается.
Производительность агрегата АК-72 составляет 1150 т\день.
НТР процесса:
- концентрация продукционной кислоты, % (масс.) – 58-60
- температура контактирования, ˚С – 840-880
- катализатор – платиноидные сетки.
3) Крупнотоннажный модернизированный агрегат АК-72М.
Комплексное устранение недостатков в агрегате АК-72М достигнуто исключением из схемы высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, исключено применение катализатора АПК-72, в котором используется дефицитный металл – палладий, выхлопные газы не содержат оксидов углерода и метана, но добавляется до 0,01% (об.) аммиака, энергозатраты снижены на 15%, но для повышения надежности и стабильности работы агрегата холодильники-конденсаторы изготовляют из титана.
На стадии конверсии окисление аммиака проводят на платиновом катализаторе и неплатиновом катализаторе НК-2У. На стадии селективной очистки от оксидов азота применяется алюмомедьцинковый катализатор АМЦ-10.
Производительность 380000 т\год, концентрация товарной азотной кислоты 60%.
Агрегат спроектирован в 1976 г.
4) Комбинированная схема с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.
Система состоит из нескольких агрегатов мощностью 45-50 тыс.т\год (в пересчете на 100%-ную азотную кислоту). Концентрация продукционной кислоты 47-50% (масс.).
Бóльшая часть агрегатов, работающих под давлением 0,35-0,4 МПа, оснащена установками селективной очистки отходящих газов от оксидов азота на ванадиевом катализаторе с применением в качестве восстановителя аммиака.
На стадии окисления аммиака используют платиновый катализатор, на стадии каталитической очистки – ванадиевый катализатор АВК-10М.
По сравнению с другими системами эта система характеризуется приблизительно на 40% меньшими капитальными затратами и отсутствием стадии щелочной абсорбции. К недостаткам системы относится повышенный расход электроэнергии, малая мощность агрегатов и большой расход аммиака в связи с применением низкотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота.
НТР процесса:
- содержание механических примесей в воздухе перед контактными аппаратами, мг\м3 – н\б 0,007
- содержание аммиака в АВС, % (об.) – 10,5-11,5
- температура, ˚С:
АВС – 67-75
Контактирования – 800-820
- степень конверсии аммиака, % - 96,5-97,5
- концентрация продукционной кислоты, % - 47-49
Вывод: в связи с вышеперечисленными достоинствами и недостатками методов выбирается комбинированная схема с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.
1.2 Основные физико-химические свойства сырья и готовой продукции. Государственные стандарты на них
1.2.1 Исходное сырье
Аммиак: в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси.
Химическая формула – NH3
Молекулярный вес – 17,03
Плотность, кг \ м3:
Жидкий аммиак – 681
Газообразный - 770
Температура самовоспламенения – 650 ˚С.
Температура затвердевания – 77,75 ˚С.
Без катализатора разлагается при температуре 1000 ˚С, с катализатором – при 300 ˚С.
Массовая концентрация: - масла (после фильтров поз.2)- не более 1,0 мг/м3 - железа (после фильтров поз.2) - не более 1,0 мг/м3 - Инерты - не более 0,5% Массовая концентрация газообразного аммиака - не менее 99,6%Должен соответствовать ГОСТ 6221-90.
Воздух: сухой воздух должен содержать (% об.): N2 - 78.1; O2 – 21.0; Ar2 – 0.9; содержание водяных паров колеблется от 0,1 до 2,8 % (об.). В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганических газовых выбросов. Количество пыли в воздухе составляет 0,5 – 1,0 мг\м3.
Массовая концентрация пыли (после аппарата очистки воздуха)- не более 7,0 мг/м3Должен соответствовать ГОСТ 24484.
1.2.2 Вспомогательные материалы и катализаторы
Таблица 1 – Вспомогательные материалы и катализаторы
Наименование сырья, материалов, полупродуктов, энергоресурсов Показатели по стандарту, обязательные для проверки Регламентируемые показатели 1 2 3 Деаэрированная вода (смесь частично-обессоленной воды с паровым конденсатом) для водогрейных котлов Общая жесткость не более 0,01 ммоль/дм3 Прозрачность по шрифту не менее 40 см Массовая концентрация: - соединений железа (в пересчете на Fe++) не более 0,1 мг/кг - растворимого кислорода (О2) не более 0,03 мг/дм3 - массовая концентрация солей не более 150 мг/дм3 - рН при 250С 8,5 - 9,5 Сетки катализаторные из платинового сплава ГОСТ 3193-74 с изм. 5 сетки из платино-палладиевого сплава марки ПлПдРд -4 - 3,5 Кр.2875 мм с содержанием платины - 92,5% Диаметр:-
-
Проволоки - 0,092 мм
Сетки - 2875 мм
Удостоверение качества продукции на устанавливаемую сетку должно соответствовать стандарту и марке Катализатор железохромовый среднетемпературный конверсии оксида углерода СТК-1 ТУ 113-03-317-86 с изм. 3, марка CТК – 1 или CТК-1МДиаметр - 7 мм
Массовая концентрация:
железа в пересчете на Fe2О3
CТК-1 не менее 88%
CТК - 1М не менее 86%
Насыпная плотность н/б 1,3 кг/дм3 Паровой конденсат Массовая концентрация солей не менее 7,0% рН оксида железа (Fe2О3) не менее 6,5% Аммиак оксида хрома (Сr2О3) не нормир. н/б 0,3% 1,0-1,5%1.2.3 Готовая продукция
Азотная кислота.
Физико-химические свойства:
Химическая формула- НNO3
Молекулярная масса- 63,0
Плотность 46-48% азотной кислоты
при температуре 200С-1,285 - 1,298 кг/дм3
Температура замерзания- минус 210С - минус 19,50С
Температура кипения при давлении 0,1 МПа- 115 - 115,50С
Таблица 2 – Нормы для сортов неконцентрированной азотной кислоты
Наименование показателя Нормы для сортов Высший сорт ОКП 21 21320120 Первый сорт ОКП 21 21320130 Второй сорт ОКП 21 21320140 1 2 3 4 1. Внешний вид Бесцветная или желтая жидкость без механических примесей 2. Массовая доля HNO3, %, не менее 57,0 56,0 46,0 3. Массовая доля оксидов азота в пересчете на N2O4, %, не более 0,07 0,1 0,2 4. Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более 0,004 0,02 0,05Кислота азотная неконцентрированная должна соответствовать требованиям ОСТ 113-03-270-90.
Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотосодержащих веществ. До 70 – 80 % ее количества расходуется на получение минеральных удобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатых веществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; в промышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель в различных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства.
1.3 Теоретические основы принятого метода
Неконцентрированную азотную кислоту получают контактным окислением аммиака в две стадии:
- первая стадия - контактное окисление аммиака в оксид азота (II)
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О + 904 кДж (2)
- вторая стадия - окисление оксида азота (II) в высшие оксиды и поглощение их водой с образованием кислоты
2NO + О2 = 2NO2 + 212,7 кДж (3)
3NО2 + Н2О = 2НNO3 + NO + 73,6 кДж (4)
Суммарная реакция получения азотной кислоты может быть представлена уравнением:
NH3 + 2О2 = НNO3 + Н2О + 329,5 кДж
Производство неконцентрированной азотной кислоты осуществляется комбинированным способом: окисление аммиака происходит под атмосферным давлением, абсорбция оксидов азота происходит под давлением 0,35 МПа (3,5 кгс/см2).
Так как расходуется воздух на окисление, то в продукте реакции всегда находится азот.
В зависимости от катализатора и условий проведения процесса преобладают те или иные реакции. Состав конечных продуктов определяется избирательностью катализатора. Катализаторами для процесса являются следующие металлы: Pt, Pl, Cu, Ag, Ni, Au, Fe, W, Ti.
Достоинства платины:
1) Платина наиболее активна для реакции, обеспечивает при температуре 600-1000 оС высокий выход оксида азота (до 99%) при времени контакта 1· 10-4 с.
2) Платина имеет температуру инициации реакции, равную 195-200 оС.
3) Имеет хорошую пластичность, ковкость, тягучесть, что делает сплавы платины самыми лучшими катализаторами окисления аммиака.
Недостатки платины:
1) Ее склонность к разрушению при температуре конверсии под воздействием реакционной смеси.
2) Подверженность влиянию большого количества ядов, поэтому исследовались и применяются сплавы платины с различными металлами.
Катализатор применяют в виде сеток. Эта форма удобна в эксплуатации, характеризуется минимальным вложением платиноидов и позволяет применять наиболее простой и удобный в эксплуатации тип контактного аппарата. Для изготовления сеток используют проволоку Д=0.06-0.09 мм. Размер стороны ячейки 0,22 мм, число ячеек1024 на 1 см2.
Окисление аммиака до NO относится к гетерогенным системам. Скорость реакции окисления зависит в первую очередь от скорости диффузии O2 и NH3 к поверхности катализатора. Скорость диффузии аммиака к поверхности платиноидного катализатора ниже, чем скорость диффузии кислорода, поэтому она и является определяющей скорость окисления аммиака до NO.
Скорость окисления зависит от времени контактирования, температуры, давления, соотношения NH3 : O2.
Увеличение времени пребывания АВС в зоне катализа, т.е. уменьшение скорости газового потока, ведет к образованию элементарного азота. Увеличение скорости газа выше оптимальной уменьшает время пребывания газовой смеси в зоне катализа, что ведет к проскоку аммиака в поток нитрозного газа.
Процесс окисления оксида в диоксид осуществляется кислородом, находящимся в нитрозном газе.
2NO2 + O2↔2NO2 + 112,3 кДж (5)
2NO2↔N2O4 + 56,9 кДж (6)
NO2+ NO↔ N2O3 + 40 кДж (7)
Реакция 2 протекает только в жидкой фазе, а 1 и 3 – газовой. Все реакции экзотермические, обратимы, идущие с понижением объема, без катализатора.
По принципу Ле-Шателье с повышением температуры равновесие реакции сдвигается влево, что приводит к снижению выхода NO2. Для ускорения этой реакции целесообразно применять повышенные давления, пониженные температуры, а также повышенные концентрации NO и O2. Скорость реакции пропорциональна квадрату концентрации NO в газовой смеси и концентрации O2.
Нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, содержат NO2, N2O3, и NO. Все эти оксиды кроме NO реагируют с водой с образованием азотной кислоты. Суммарно процесс образования азотной кислоты описывается в виде следующих уравнений:
3NO2+H2O=2HNO3 + NO (8)
3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO (9)
Реакции экзотермичны, обратимы, гетерогенные, непрерывные, с уменьшением газового объема.
Полностью переработать оксиды азота в азотную кислоту при водной абсорбции невозможно. В газах, выходящих из абсорбционной колонны, всегда будут присутствовать оксиды азота, содержание которых зависит от условий их поглощения.
При избытке оксида азота будет происходить разложение азотной кислоты, поэтому необходимо вводить дополнительный кислород для максимального превращения NO в NO2.
Понижение температуры на 10 ˚С увеличивает скорость поглощения оксида азота в 2,5 раза, а скорость окисления NO в NO2 в 1,5 раза. Практически установлено, что температура абсорбции должна быть 20-35 ۫ С.
При увеличении давления: увеличивается скорость поглощения оксидов, но концентрация азотной кислоты повышается незначительно; повышается растворимость NO2 азотной кислоте, а это является большим минусом, поэтому азотная кислота после абсорберов подают в продувочную колонну, где ее продувают воздухом, удаляя NO2, продувочный газ возвращают в систему, а очищенная кислота идет на склад.
При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса одного из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, принимающее тепло, - холодным теплоносителем.
Существуют два основных способа проведения тепловых процессов:
1) Передача тепла непосредственным соприкосновением: теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.
2) Передача тепло через стенку: теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.
Различают установившиеся и неустановившиеся процессы