Производство неконцентрированной азотной кислоты. 1. Выбор и обоснование принятой схемы производства
 Скачать 1.25 Mb.
|
|
3.2 Описание технологической схемы Переработка окислов азота в азотную кислоту Нитрозный газ после котла-утилизатора направляется в экономайзеры, который установлен последовательно по ходу нитрозного газа. Каждый водяной экономайзер состоит из трех блоков змеевиков, помещенных в общей камере. По трубкам экономайзера протекает питательная вода, а в межтрубном пространстве – нитрозный газ. В теплообменной части экономайзера нитрозный газ охлаждается до температуры 250 ÷ 260оС. В объеме газоходов и в свободном объеме второго по ходу нитрозного газа «не кипящего» экономайзера температура нитрозного газа повышается до температуры 270 ÷ 290оС. В теплообменной части экономайзера нитрозный газ охлаждается до температуры 185 ÷ 195оС. Затем нитрозный газ охлаждается до температуры 110 ÷ 188оС в подогревателе частично обессоленной воды , который представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В трубной части теплообменника – нитрозный газ, в межтрубном – частично обессоленная вода. После подогревателя частично обессоленной воды нитрозный газ поступает в водяной холодильник нитрозного газа I ступени, где охлаждается до температуры 55 ÷ 65оС. Одновременно с охлаждением газов происходит конденсация паров воды, образующихся в результате реакции окисления аммиака и образование азотной кислоты при поглощении окислов азота водой. Образовавшаяся азотная кислота с массовой концентрацией 35 ÷ 45% отводится в нижнюю часть газового холодильника-промывателя . Водяной холодильник нитрозного газа I ступени представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. В трубном пространстве нитрозный газ, в межтрубном – оборотная вода. После длительного периода эксплуатации схемой предусмотрена кислотная промывка холодильника для очистки поверхности трубчатки от солей. Промывка осуществляется 50 ÷ 60% азотной кислотой, в межтрубное пространство холодильника. На период промывки холодильник оглушается от водяных коллекторов заглушками из нержавеющей стали. Охлажденный нитрозный газ после холодильника нитрозного газа I ступени поступает в газовый промыватель, где на четырех тарелках повального типа происходит охлаждение и отмывка нитрозного газа азотной кислотой от нитрит – нитратных солей аммония. Нитрозный газ на тарелках охлаждается до температуры 40 ÷ 60оС. В теплообменниках и образовавшиеся нитрит – нитратные соли аммония частично поглощаются конденсатом азотной кислоты. Основное количество аммония и проскочивший газообразный аммиак улавливается в газовом промывателе, поэтому накопление солей аммония в азотной кислоте в кубе является основным показателем полноты сгорания аммиака в контактных аппаратах. В кислой среде куба газового промывателя нитрит аммония окисляется по реакции: 2NН4NО2 + 2 НNО3 = 2 NН4NО3 + NО2 + NО + Н2О При выходе на режим массовая концентрация аммонийных солей в азотной кислоте в кубе промывателя должна быть не более 2 г\дм3 , в нитрозном газе после – не более 500 мг\м3 . При нормальной работе массовая концентрация солей аммония в азотной кислоте на выходе из 70 ÷ 200 мг\дм3 , в нитрозном газе после 100 ÷ 200 мг\дм3 . При нормальном технологическом режиме впрыск смеси частично обессоленной воды и парового конденсата производится два раза в смену в течение 30 минут. При подаче смеси частично обессоленной и конденсата пара в нитрозный нагнетатель, необходимо контролировать температуру нитрозного газа после нагнетателя, не допуская понижения более, чем на 10 ÷ 15оС. Отмывка и охлаждение нитрозного газа осуществляется азотной кислотой массовой долей 35 ÷ 45%, циркулирующей по циклу: газовый промыватель → холодильник азотной кислоты I cтупени → кислотный насос → холодильник азотной кислоты II ступени – газовый промыватель . В холодильнике I ступени азотная кислота охлаждается оборотной водой до температуры 50 ÷ 55оС, в холодильнике II ступени – до температуры 35 ÷ 40оС. Нижняя часть газового промывателя является сборником азотной кислоты, образующейся в холодильнике нитрозного газа и газовом промывателе . Образующаяся в холодильнике II ступени азотная кислота с массовой долей 60 ÷ 65% (вес) отводится в нижнюю часть абсорбционной колонны . Нитрозный газ поступает под первую тарелку абсорбционной колонны. Сверху абсорбционная колонна орошается смесью ЧОВ и конденсата водяного пара. На тарелках абсорбционной колонны происходит поглощение окисов азота из нитрозного газа конденсатом водяного пара с образованием азотной кислоты в кубе колонны с массовой долей 58 ÷ 60%. Охлаждение нитрозного газа после нагнетателя до температуры 135 ÷ 145оС происходит в холодильнике нитрозного газа питательной водой. Дальнейшее охлаждение нитрозного газа до 60 ÷ 65оС происходит в водяном холодильнике II ступени, который представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. По трубкам проходит нитрозный газ, в межтрубном пространстве - оборотная вода. Промывка холодильника аналогична промывке холодильника нитрозных газов I ступени. 3.3 Расчеты технологических процессов 3.3.1 Расчеты материальных балансов процессов Целью материального баланса является определение равновесного состава газовой смеси, степени окисления оксида азота, состава газа после процесса конденсации. Исходные данные для расчета [1]: Состав газа на входе в холодильник-конденсатор [1].
Расчет ведем на 1000 кг 100,00%-й HNO3, получаемой в технологическом процессе. Температура нитрозных газов на входе в холодильник, 0С 130. Температура нитрозных газов на выходе из холодильника, 0С 65. Температура охлаждающей воды , 0С 40. Давление в холодильнике, МПа 0,36 Диаметр холодильника-конденсатора, м 2,2. Поверхность теплообмена, м2 1428. Наружный диаметр трубок, м 0,05. Расход газа, поступающего в холодильник-конденсатор 3789,17нм3/т [1]. Зная состав газа, можно определить расход каждого компонента:
Расчет материального баланса процесса окисления нитрозного газа Равновесие и скорость окисления оксида азота II. NO+1/2O2=NO2 ΔrH(298) =112кДж/моль (3.1) Зависимость константы равновесия от температуры по данным М. Боденштейна [3] выражается следующим уравнением: LgK =Lg  +1,75LgT-0,0005T+2,839 (3.2)Для расчета равновесной степени окисления оксида азота (II) выразим парциальные давления газов, входящие в уравнение равновесия, через общее давление в зависимости от начальной концентрации газа[3]: Введем обозначения: 2a- начальная концентрация NO, мольн.доли; b- начальная концентрация O2, мольн.доли; xр- равновесная степень окисления NO, доли единицы; Робщ- общее давление газа, атм. Равновесные концентрации компонентов газовой смеси согласно реакции (3.1)составят:
Тогда парциальные давления компонентов газа при общем давлении 3,6 атм. в момент равновесия будут равны: PNO=  Pобщ;РO2=  Pобщ;РNO2=  Pобщ;Подставляя значения парциальных давлений в уравнение равновесия, получим:  = P (3.3)Определим равновесную степень окисления оксида азота (II) для газа, содержащего 3,09% NO и 3,57% (об) O2 при 3,6 атм. Тогда 2a=0,0309 м.д. a=0,01545м.д. b=0,0357м.д. LgKр =−  +1,75lg403-0,0005 403+2,839Откуда Кр=8,546  Подставляя значения Кр и парциальных давлений в уравнение (3.3)получим:   Из этого уравнения определяем  .В результате протекания реакции (3.1) окисляется оксида азота (II): VNO  Х= ;Остается NO:  ;Расходуется кислорода на окисление  ;Остается кислорода:  ;Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:  ;Результаты расчета материального баланса процесса окисления представлены в таблице 3.1. Таблица 3.1. Равновесный состав газовой смеси
Средняя температура нитрозных газов [4]:  где t1-температура нитрозного газа на входе в аппарат,  t2- температура нитрозного газа на выходе из аппарата, Свободный объем [1, 4]:   где Dв- внутренний диаметр трубок, м; L-длина трубного пространства, м; n-количество трубок, шт; Объемная скорость нитрозного газа: Wс ==45,77нм3/с; где 380000-мощность производства по проекту, т100%HNO3 /г; 330 рабочих дней в году; 24 часа в сутках. Время пребывания газа в окислителе:[4]  Определяем степень окисления NO (α).Находим:  ;  ;По справочным данным К при 94,2  [3]Тогда  где К-константа скорости реакции, а-начальная концентрация NO, мольн. доли,  -общее давление, атм.По номограмме В.А. Каржавина [3] определяем практическую степень окисления оксида азота: x=0,47. Степень приближения практической степени превращения к равновесной:  99,81%x 47% x= x=47% Определяем практический состав газа. Окисляется монооксида азота:  ;Остается:  ;Расходуется кислорода:  ;Остается кислорода:  ;Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата: 241,01+55,01=296,02. Таблица 3.2 Материальный баланс процесса окисления NO в NO2 в холодильнике-конденсаторе
Газ после окисления NO в NO2 имеет следующий состав:
Выразим парциальное давление паров воды через общее давление и концентрацию: PH2O=Pобщ; Тогда  ;Процесс в холодильнике-конденсаторе происходит при следующих условиях: -концентрация HNO3 60-65%масс.; -температура 60-65°C. Упругость паров воды над 65-% кислотой при 65°С 54,5мм.рт.ст. [3]. Принимаем, что на выходе из холодильника-конденсатора нитрозные газы содержат Х паров воды, тогда PH2O=54,5мм.рт.ст. Pобщ = 0,36 МПа; 1мм.рт.ст.-133,3Па Х-0,36 106 Па Х==2700,07мм.рт.ст; ; Х= 2,81кмоль/т153,15- количество газа, прошедшее через холодильник- конденсатор в кмоль/т; 1,95-количество водяных паров на входе в холодильник-конденсатор. Конденсируется паров воды:  кмоль/т или 10,8 кг/т;В этом количестве воды будет растворено У кг/т моногидрата азотной кислоты с образованием 65-% кислоты (3.4), тогда можно записать, что  , тогда У=15,85кг/т.Остается воды:  кг/т;Х1 10,8 15,85 Х2 3NO2+H2O=2HNO3+NO (3.4) 3  18 2 30Отсюда Х1=17,35кг/т; Остается оксида азота (IV):  кг/т;Х2=3,77кг/т; Остается оксида азота (II):  кг/т;Количество сконденсировавшейся азотной кислоты: 15,85кг/т-65% mвсего-100% mвсего=24,38кг/т; Таблица 3.3 Состав газа после процесса конденсации
Таблица 3.4. Материальный баланс холодильника-конденсатора нитрозных газов.
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||