Производство сульфата аммония. Расчет материального и теплового баланса установки G=2 тч продукта. Производство сульфата аммония. Расчет материального и теплового баланса установки G2 тч продукта
 Скачать 236.54 Kb.
|
|
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по общей химической технологии на тему: «Производство сульфата аммония. Расчет материального и теплового баланса установки G=2 т/ч продукта». СОДЕРЖАНИЕ Введение 3 1. Технико-экономическое обоснование выбранного способа производства 5 2. Физико-химические основы выбранного способа производства 14 3. Технологическая схема производства целевого продукта 21 4. Расчетная часть 24 Заключение 35 Список литературы 36 Введение Минеральные удобрения находят широкое применение, как в сельском хозяйстве, так и в различных областях промышленности. В отличие от мирового рынка, именно промышленное потребление азотных удобрений является основным на внутреннем рынке. Важнейшим видом удобрений являются азотные: сульфат аммония, аммиачная селитра, карбамид, водные растворы аммиака. В данном курсовом проекте рассматривается распространённое минеральное удобрение - сульфат аммония. По внешнему виду сульфат аммония [(NH4) 2SO4] - это кристаллический порошок белого или слабоокрашенного цвета, допускаются светло-желтый и розовый оттенок, хорошо растворяется в воде, нерастворим в ацетоне, этаноле и эфире. Плотность 1,769 г/см³. Температура плавления - 235-280 ° C, температура разложения – 218 ° C. В сухом состоянии обладает хорошими физическими свойствами и при хранении сохраняет рассыпчатость. Производится в крупнокристаллическом виде. По эффективности применения не уступает аммиачной селитре и карбамиду, а в части физико-химических свойств (не горючий, взрывобезопасный, не слеживается при долгом хранении) и своей стоимости выгодно отличается и обладает явным преимуществом. В промышленности сульфат аммония получают в виде кристаллов при взаимодействии аммиака и серной кислоты, как прямым способом, так и способом оксимирования циклогекcанона и нейтрализации сернокислого эфира и свободной серной кислоты аммиаком, в результате перегруппировки Бекмана при производстве капролактама. Также сульфат аммония является продуктом улавливания аммиака серной кислотой при коксовании угля, в металлургической промышленности, при производстве капролактама. В соответствии с производственным процессом металлургический сульфат аммония имеет существенные примеси соединений, даже тяжелых металлов. Применение сульфата аммония в сельском хозяйстве. Сульфат аммония - одно из широко применяемых в сельском хозяйстве азотно-серных минеральных удобрений, содержит 21 % азота в аммонийной форме и 24 % серы. Гигроскопичность его слабая, поэтому при длительном хранении не слеживается и сохраняет сыпучесть. Обеспечивает значительный прирост урожая чая, ржи, картофеля, хлопка, риса, овса, сахарной свеклы. С успехом конкурирует с лучшими азотными удобрениями. Известно, что при использовании азотных удобрений в сельском хозяйстве, особенно при несбалансированном соотношении питательных элементов, возникают экологические проблемы. К основным из них следует отнести: занитрачивание продукции, загрязнение подземных и поверхностных вод, потери азота до 20-30 % из нитратных удобрений и карбамида, вследствие денитрификации и вымывания. Потери азота из нитратных удобрений значительно больше, чем из аммиачных. Если при поверхностном внесении сульфата аммония потери аммиака составляют, как правило, не более 1-3%. Важно также то, что этот элемент питания в сульфате аммония находится в наиболее доступной форме для растений и участвует в формировании урожая на протяжении всего вегетационного периода. Сульфат аммония, благодаря аммониевой форме азота, совместимой с серой, предотвращает накопление нитратов в 3 раза, уменьшает содержание радионуклидов в растениях в 2 раза. Может применяться на загрязненных территориях. Используется под все сельскохозяйственных культур (от картофеля до цитрусовых) на черноземах и сероземах. Удобрение обладает ценным качеством – низкой миграционной способностью, так как катион аммония активно поглощается почвой и это предохраняет его от вымывания. Поэтому сульфат аммония рекомендуют вносить на легких почвах, при орошении, т.е. там, где есть потенциальная опасность потери азота удобрения за счет миграционных явлений. Аммонийный азот сульфата аммония усваивается растениями. Сера необходима для питания всех культур, так как входит в состав некоторых синтезируемых растениями незаменимых аминокислот. В биохимии переосаждение сульфатом аммония является общим методом очистки белков. В пищевой промышленности зарегистрирован в качестве пищевой добавки эмульгатора E 517. В средствах тушения пожаров сульфат аммония применяется в качестве антипирена. Используется в технологии хлорирования воды с аммонизацией, вводится в обрабатываемую воду за несколько секунд до хлора, с хлором образует хлораммины - связывая свободный хлор, благодаря чему значительно сокращается образование хлорорганики вредной для организма человека, сокращается расход хлора, уменьшается корозия труб водовод. В горной промышленности - как гелеобразующий компонент при профилактической обработке выработанного пространства, в состав взрывчатого вещества сульфат аммония вводится для снижения горючести и устранения опасности самопроизвольного воспламенения. Также сульфат аммония применяется для производства: - гербицидов; - кормов для животных; - выделки кож; - строительной изоляции. Физико-химические характеристики сульфата аммония (аммония сернокислого) ГОСТ 9097-82. Требования безопасности сульфата аммония (аммония сернокислого) ГОСТ 9097-82. 1.Технико-экономическое обоснование выбранного способа В настоящее время применяют два способа улавливания аммиака из коксового газа: с переработкой его в сульфат аммония и с каталитическим его разложением [2]. Первый способ разделяют на сатураторный и бессатураторный. Сатураторный способ в свою очередь подразделяют на прямой, косвенный и полупрямой. На большинстве коксохимических заводов Украины и стран СНГ применяется сатураторный метод производства сульфата аммония из аммиака коксового газа. Особенность этого метода состоит в том, что процессы абсорбции аммиака и образования кристаллов сульфата аммония осуществляется в одном аппарате – сатураторе. При барботаже газа через насыщенный раствор сульфата аммония, содержащий 4-6 % свободной серной кислоты, аммиак поглощается с образованием сульфата аммония, в результате чего его концентрация становится выше равновесной (пересыщенное состояние раствора) и происходит образование кристаллов. Для получения крупнокристаллического сульфата аммония в химической промышленности освоены кристаллизаторы, в которых упаривание нейтрального или слабокислого раствора производится при атмосферном давлении, а рост кристаллов происходит во взвешенном состоянии в расширяющемся кверху потоке слабопересыщеного раствора, поступающего из испарителя. Для коксохимической промышленности ВУХИНом разработан такой кристаллизатор производительностью по соли 3-4 т/ч и схема двухкорпусной кристаллизационной установки [3]. При концентрации свободной серной кислоты менее 0, 2 г/л можно вести процесс выпарки в первом корпусе при атмосферном давлении, а образующийся вторичный пар использовать в качестве греющего во втором корпусе, работающем под вакуумом. При этом расход пара на получение сульфата аммония снижается примерно в 2 раза по сравнению с вакуум-кристаллизатором бессатураторной установки. На рис. 1 представлена схема, предложенная авторами [3], сульфатной установки с абсорбцией аммиака в сатураторе ненасыщенным раствором сульфата аммония и кристаллизацией соли в восходящем расширяющемся потоке пересыщенного раствора.  Рис. 1. Схема кристаллизационной установки для сульфата аммония 1-центрифуга; 2–испаритель; 3-кристаллизатор; 4-подогреватель; 5–сборник Критериями при определении оптимального режима установки является расход греющего пара в испарителе и количество водяных паров в газе после сатуратора. Лучшие показатели получены при использовании 92-%-ной кислотой и подаче 100 % аммиачных паров в нейтрализатор раствора. При одноступенчатом выпаривании раствора расход пара составляет 0, 9 т/т сульфата аммония, а при двухступенчатом выпаривании – примерно 0,5 т/т соли против 1,72 т/т соли по бессатураторному методу. Способ выделения аммиака из коксового газа смесью моно- и диаммонийфосфата. В литературе предлагается извлекать аммиак из коксового газа смесью моно- и диаммонийфосфата. Число ступеней абсорбции равно 4 - 15. Диспергирование раствора проводят на каждой ступени абсорбции однонаправленным потоком коксового газа. На каждой ступени осуществляют сепарацию капель из газового потока. Десорбцию аммиака ведут из насыщенного раствора после первой по ходу газа ступени абсорбции с последующим охлаждением регенерированного раствора и рециркулируют его на последнюю ступень абсорбции [4]. В данном способе повышается эффективность процесса абсорбции и снижаются затраты. Без сатураторный метод улавливания аммиака из коксового газа с получением сульфата аммония Без сатураторный процесс получения сульфата аммония по существу относится к полупрямому методу, но по аппаратурному оформлению он является новым и оригинальным, поэтому описание его приводится отдельно. При без сатураторном процессе коксовый газ подается в скруббер, за-полненный кислотоупорной насадкой, которая орошается раствором сульфата аммония, содержащим от 5 % до 6 % свободной серной кислоты. При этом аммиак полностью улавливается из газа и переходит в раствор в виде кислой и средней соли. Раствор после скруббера подвергается выпарке и охлаждению и благодаря этому переходит в пересыщенное состояние. Пересыщенный раствор поступает в кристаллизатор, в котором выпадают кристаллы и раствор переходит в насыщенное состояние. Регулированием скорости выпарки и продолжительностью пребывания в кристаллизаторе можно получить очень крупные кристаллы соли. Кристаллы, оседающие в нижнюю часть кристаллизатора, подаются насосом через кристаллоприемник на центрифугу. После центрифуги сульфат поступает в сушилку и на склад. Маточный раствор из кристаллизатора направляется в сборник, откуда насосом подается вверх скруббера. Кислота и необходимое количество воды, пополняющие убыль испарившейся, подаются в сборник. Скрубберный метод производства сульфата аммония не получил распространения в коксохимической промышленности. Необходимо конструировать и осваивать ряд сложных аппаратов, нуждающихся к тому же в надежной защите от коррозии (скруббер, кристаллизатор, выпарной аппарат). Сатураторный прямой метод улавливания аммиака из коксового газа с получением сульфата аммония. Сущность прямого метода заключается в том, что при нем исключается возможность образования надсмольной воды, так как весь аммиак улавливается кислотой в сатураторе до начала конденсации водяных паров, содержащихся в коксовом газе. При прямом методе получения сульфата аммония газ после газосборника поступает в электрофильтры, где освобождается от смолы, и затем направляется в сатуратор, где весь аммиак связывается серной кислотой в сульфат аммония. После сатуратора коксовый газ, лишенный аммиака, поступает в холодильники, где охлаждается технической водой от 25 °С до 30 °С и только после этого транспортируется через всю последующую аппаратуру. При осуществлении этой схемы баланс надсмольной воды цикла газосборника оказывается нарушенным, так как убыль этой воды, вследствие ее частичного испарения в газосборнике нечем пополнить из-за отсутствия в системе надсмольной аммиачной воды. Пополнять воду цикла газосборника конденсатом, образующимся при охлаждении газа после сатуратора в холодильниках, нельзя, так как конденсат этот смешивается с охлаждающей технической водой, содержащей различные соли. По мере систематического пополнения убыли воды в газосборнике содержание этих солей в воде цикла газосборника будет возрастать. Между тем для предотвращения коррозионных процессов для орошения газосборника должна применяться мягкая, не содержащая никаких солей вода. Поэтому для сохранения цикла воды газосборника из газа еще до его поступления в сатуратор следует сконденсировать такую часть водяных паров, которая соответствовала бы количеству воды, испарившейся в газосборнике. Для этого газ необходимо охладить примерно от 70 °С до 72 °С и образовавшийся конденсат передать в цикл надсмольной воды для орошения газосборника. Охлаждать газ для этого следует в трубчатых холодильниках, чтобы не допускать смешивания конденсата с технической водой. После холодильников газ нужно подогреть от 75 °С до 80 °С, чтобы исключить возможность обводнения ванны сатуратора, и только после этого он может быть направлен в сатуратор для улавливания аммиака. Подобное предварительное охлаждение газа перед сатуратором и его последующий подогрев, хотя и усложняют схему процесса, но делают ее более осуществимой практически. Как видно из описания схемы, весь аммиак непосредственно переводится кислотой в сульфат аммония, почему этот метод и получил название прямого. Отсутствие необходимости в переработке надсмольной воды - большое преимущество метода, однако он не получил распространения, что можно объяснить следующими причинами: - большое число аппаратов, работающих под разряжением; - наличие хлористых солей аммония в маточном растворе, что приводит к образованию летучей соляной кислоты, вызывающей усиленную коррозию; - образование увеличенного количества кислой смолки в сатураторе из-за недостаточной очистки газа от смолы, причем кристаллы могут получиться темного цвета; - высокая температура процесса, что способствует образованию мелких кристаллов сульфата аммония. Существенным недостатком метода является необходимость пропускания через сатуратор очень большого объема газа из-за высокой температуры и большого влагосодержания. Это вызывает необходимость установки аппарата больших размеров. Сатураторный косвенный метод улавливания аммиака из коксового газа с получением сульфата аммония По этому способу коксовый газ, пройдя холодильники, эксгаустер и смолоотделитель, поступает в скрубберы и орошается сначала газовой водой, затем чистой водой и уходит свободным от аммиака. Вода из скрубберов с содержанием от 1 % до 2 % аммиака поступает в колонки, где нагревается до кипения в присутствии извести. Образующаяся смесь паров воды и аммиака направляется в сатуратор, в котором находится разбавленная серная кислота, нагретая до температуры 110 °С и насыщенная сульфатом аммония. В результате реакции с аммиаком из насыщенного раствора выпадает сернокислый аммоний. Непрямой способ получения сульфата аммония применяется всё реже, так как он экономически менее выгоден, чем прямой и особенно чем полупрямой способ, тем более что одно из основных его преимуществ (возможность получения аммиачной воды) стало менее актуальным с развитием производства синтетического аммиака. Повышенная стоимость сульфата аммония, изготовленного по косвенному способу, вызывается тем, что расход электроэнергии, пара и воды в связи с необходимостью получения и переработки больших количеств аммиачной воды весьма велик; требуются большие капиталовложения для сооружения скрубберов и аммиачных колонн, для переработки скрубберной воды; повышаются потери аммиака в газе при улавливании его в скрубберах, по сравнению с извлечением аммиака из газа в сатураторах. Сатураторный полупрямой метод улавливания аммиака из коксового газа с получением сульфата аммония Газ по выходе из коксовых печей охлаждается в первичных газовых холодильниках до температуры от 25 °С до 30 °С. При этом часть аммиака растворяется в образующейся надсмольной воде. После холодильников газ эксгаустером подается в электрофильтр, где освобождается от остатков смолы и затем поступает в подогреватель, в котором в случае необходимости с помощью глухого пара подогревается до температуры от 50 °С до 60 °С. Подогрев газа бывает, необходим, во избежание возможного обводнения ванны сатуратора. После подогревателя газ поступает в сатуратор, где освобождается от аммиака, проходит кислотную ловушку для выделения увлеченных газом капель маточного раствора и направляется по назначению. Надсмольная вода перерабатывается на известково-аммиачной колонне. Выделяющиеся из колонны аммиачные пары направляются в сатуратор, где одновременно с аммиаком газа связываются в сульфат аммония. Оседающие на дне сатуратора кристаллы и одновременно увлекаемый маточный раствор с помощью эжектора или кислотоупорного насоса подаются в кристаллоприемник, в котором происходит отстой маточного раствора и накопление кристаллов. Отстоявшийся раствор стекает обратно в сатуратор. Накопляющаяся в кристаллоприемнике соль подается в центрифугу, где она отделяется от маточного раствора и промывается водой, после чего поступает на сушку и на склад. В сатуратор непрерывно подается свежая кислота для покрытия ее расхода на связывание аммиака и поддержание постоянства ее концентрации в маточном растворе. Равномерность концентрации в ванне сатуратора достигается интенсивным перемешиванием маточного раствора, которое осуществляется барботажем газа и циркуляцией раствора. Последний частично через перелив поступает в циркуляционную кастрюлю, из которой кислотоупорным насосом подается снова в сатуратор. Если газ не очищается от смолы в электрофильтрах, то перед сатуратором он содержит в себе от 0,5 грамм на 1 м3 газа смоляного тумана, который при взаимодействии с кислотой образует кислую смолку в виде пленки на поверхности ванны. Плавающая смолка вместе с маточным раствором попадает в циркуляционную кастрюлю, где всплывает на поверхность. Из кастрюли смолку следует регулярно выбирать. Также при брызгообразовании часть смолки и раствор попадают на внутреннюю поверхность сатуратора. Когда раствор высыхает, на внутренней поверхности образуется корка сульфата аммония. При работе сатуратора за счет зарастания их солью увеличивается гидравлическое сопротивление. Для снижения гидравлического сопротивления проводится промывка ванны сатуратора. Промывка производится поочередно с целью обеспечения подачи достаточного количества воды. Подачу коксового газа в сатуратор перекрывают, а затем проводится промывка одного сатуратора в течение часа ± 10 минут для достижения наибольшей эффективности. В конце промывки в течение пятнадцати минут горячая вода подается через форсунки для промывки сатуратора. При выводе одного сатуратора на промывку, нагрузка на работающие сатураторы возрастает. При этом ухудшаются условия извлечения аммиака из коксового газа и, в выходящем из сатураторов коксовом газе, остаточная концентрация аммиака превышает установленные регламентом нормы. Для устранения этого недостатка необходимо совместить стадию промывки сатуратора с его нормальным режимом работы. С периодичностью один раз в час проводится промывка внутренней части сатуратора водой, поступающей из центрифуг после промывки сульфата аммония При работе по описанному методу только часть аммиака поглощается из газа серной кислотой, а остальная часть – образующейся в холодильниках надсмольной водой, которую дополнительно приходится перерабатывать. Это является недостатком метода, так как переработка больших количеств надсмольной воды требует соответствующего оборудования, расхода пара и извести. Достоинства полупрямого метода заключаются в его надежности, удобстве управления, простоте технологической схемы и экономичности по сравнению с другими методами. |