Получение неконцентрированной азотной кислоты в промышленности

Вопросы

  1. Основные операции и принципиальная схема.
  2. Технологические схемы производства неконцентрированной азотной кислоты.
  3. Принципиальная технологическая схема получения неконцентрированной азотной кислоты под повышенным давлением.
  4. Комбинированная схема АК-72.

Основные операции и принципиальная схема 

Принципиальная схема производства азотной кислоты включает следующие основные операции:

  1. очистка воздуха и аммиака от пыли и каталитических ядов;
  2. конверсия аммиака на катализаторе;
  3. охлаждение нитрозных газов после конверсии;
  4. окисление нитрозных газов в диоксид азота (NO2) или его димер (N2O4);
  5. охлаждение продуктов реакции перед поглощением их водой;
  6. поглощение оксидов азота водой с образованием азотной кислоты;
  7. очистка отходящих газов перед их выбросом в атмосферу.

Составьте самостоятельно принципиальную технологическую схему производства азотной кислоты.

Используя типовые аппараты, нетрудно составить технологическую схему. Следует при этом учитывать дополнительное включение операций, например, связанных сжатием нитрозных газов. 

Технологические схемы производства неконцентрированной азотной кислоты

Анализ физико-химических условий осуществления процесса каждой из трех стадий, лежащих в основе синтеза азотной кислоты, ПРИВОДИТ К СЛЕДУЮЩИМ ВЫВОДАМ:

  • условия реализации процесса существенно отличаются для первой (окисление аммиака) и двух последующих стадий (окисление NO в NO2 и абсорбция нитрозных газов);
  • условия (давление и температура) практически совпадают для второй и третьей стадий;
  • на первой стадии (окисление аммиака) необходимо поддерживать стабильную температуру, отвечающую максимальной степени конверсии аммиака; давление существенным образом не сказывается на ходе реакции, поскольку реакция практически необратима;
  • обе последние (вторая и третья) стадии требуют отвода тепла и повышения давления, так как реакции, протекающие на этих стадиях обратимы, протекают с выделением тепла и уменьшением объёма газообразных веществ.

Существующие технологические схемы производства азотной кислоты по применяемому давлению можно разделить следующим образом:

  • системы, работающие при атмосферном давлении;
  • системы, работающие при повышенном давлении
    (около 1 МПа);
  • комбинированные системы.

Первые (системы, работающие при атмосферном давлении) не обеспечивают достаточную интенсивность протекания второй и третьей стадий; для них характерны большие объёмы абсорбционной аппаратуры и наиболее низкая концентрация конечного продукта, (50 – 60)%.

В настоящее время этот метод не применяется, несмотря на меньший расход платины. Отметим наиболее важные причины.

  • малая производительность;
  • громоздкость аппаратуры;
  • большие капиталовложения;
  • существенные потери аммиака;
  • необходимость применения дорогостоящей очистки отходящих газов.

Вторые (установки, работающие при повышенном давлении) лучше отвечают оптимальным условиям обратимых стадий процесса и поэтому являются более совершенными. Но протекание первой стадии при повышенном давлении является совершенно излишним и даже вредным.

Третий (комбинированный способ) производства азотной кислоты наилучшим образом учитывает оптимальные условия, необходимые для всех трёх стадий процесса. Он предполагает выбор условий синтеза азотной кислоты таким образом, чтобы каждая стадия протекала в оптимальных условиях. В таких установках окисление аммиака протекает при атмосферном давлении, а последующие стадии – при повышенном (порядка 2МПа) давлении и отводе тепла экзотермических реакций.

Современные промышленные установки работают

  • либо под давлением (от 0,2 до 1 МПа),
  • либо являются комбинированными.

И те и другие разработаны по принципу энерготехнологических схем. В таких схемах энергия отходящих газов (газы имеют высокую температуру и высокое давление) и теплота реакции (в данном случае реакции окисления аммиака) используется для сжатия воздуха и нитрозных газов, то есть для технологических целей, а также для получения технологического пара.

Принципиальная технологическая схема получения неконцентрированной азотной кислоты под повышенным давлением 

На рисунке представлена такая схема.

При повышенном давлении во много раз ускоряется процесс образования азотной кислоты, так как в этих условиях значительно возрастает скорость окисления NO в NO2. Это, в свою очередь, Способствует более быстрому и полному поглощению NO2 из нитрозных газов.

Получение азотной кислоты при повышенном давлении
Получение азотной кислоты при повышенном давлении

1 –  воздухозаборная труба; 2 – воздухоочиститель; 3  – газовый компрессор; 4  –  газовая турбина; 5  –  воздухоподогреватель; 6  –  испаритель аммиака; 7 – смеситель с фильтром; 8  – контактный аппарат; 9, 17 – котел-утилизатор; 10  – окислитель с фильтром; 11 – абсорбционная колонна;
12 – отдувочная колонна; 13 – холодильник-конденсатор; 14  – по­догреватель хвостовых газов; 15 – реактор каталитической очистки;
16  – камера сгорания; 18  – выхлопная труба.

Описание схемы.

Атмосферный воздух через воздухозаборную трубу 1 после соответствующей очистки 2 поступает в компрессор 3, приводимой в движение газовой турбиной 4. В компрессоре воздух сжимается до давления 0,73 МПа, нагреваясь при этом до 135ºС, и поступает далее в подогреватель воздуха 5, где его температура поднимается до 250ºС за счёт теплоты выходящих из окислителя 10 нитрозных газов.

В смесителе 7 воздух смешивается с газообразным аммиаком, который поступает сюда из испарителя аммиака 6.

Образовавшаяся аммиачно-воздушная смесь далее поступает в контактный аппарат 8, где при температуре около 900ºС на платино-родиево-палладиевом катализаторе происходит окисление аммиака до NO по уравнению реакции

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

Нитрозные газы, содержащие (9,0 – 9,5)% NO, поступают в котёл-утилизатор 9, в котором происходит охлаждение до необходимой температуры и образование пара. Далее газы поступают в окислитель 10, в котором окисляются до NO2.

Охлаждённые в подогревателе воздуха 5, подогревателе хвостовых газов 14 и холодильнике–конденсаторе 13 до температуры около 45ºС нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 11, орошаемую водой  противоточно.

Поскольку абсорбция NO2 водой реакция экзотермическая, абсорбционные тарелки снабжены змеевиковыми холодильниками, в которых циркулирует охлаждающая вода (на схеме не показано).

Полученная азотная кислота самотёком поступает в отдувочную колонну 12, где с помощью горячего воздуха из готовой азотной кислоты происходит отдувка растворённых в ней нитрозных газов, которые подаются затем в абсорбционную колонну.

Хвостовые газы, пройдя систему каталитической очистки от оксидов азота восстановления их аммиаком до элементарного азота N2,выбрасываются в атмосферу.

В установках такого типа степень превращения аммиака в азотную кислоту достигает (98 – 99)%, а концентрация получаемой азотной кислоты составляет (60 – 62)%.

Однако при окислении аммиака под давлением увеличиваются потери платинового катализатора. Поэтому активнее применяют системы, в которых окисление аммиак производят при гораздо более низком давлении (около 0,4МПа), чем окисление NO (до 1,2МПа).

Современные технологические системы производства азотной кислоты характеризуются большой мощностью отдельной технологической нитки, составляющей 380 – 400 тыс. т/год. Указанные системы позволяют получить лишь разбавленную (неконцентрированную) азотную кислоту.

Комбинированная схема АК72 

Наиболее совершенной в настоящее время является комбинированная схема производства разбавленной (неконцентрированной) азотной кислоты. Схема АК-72 – это отечественная технологическая схема, комбинированная схема, с двумя ступенями давления. Первая ступень – конверсия аммиака и охлаждение нитрозных газов – проходят под давлением 0,42 МПа.

Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72
Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72:

1 – ресивер; 2 – испаритель; 3, 24 – фильтры; 4, 15 – подогреватели; 5 – рекуперационная турбина; 6 – реактор каталитической очистки; 7 – смеситель; 8 – топочное устройство; 9 – продувочная колонна; 10 – абсорбционная колонна, 11, 14 – водяные холодильники; 12, 23 – компрессоры;
13 – газовый промыватель; 16, 18 – холодильники нитрозных газов;
17 – деаэрационная колонна; 19 – котел-утилизатор; 20 – контактный аппарат; 21 – барабан с сепарационным устройством; 22 – смесительная камера; 25 – труба для забора воздуха

Рассматриваемая схема является наиболее современной: конверсия аммиака происходит на двухступенчатом катализаторе, состоящем из платиноидных  сеток и слоя оксидного катализатора; в основу этой схемы положен замкнутый энерготехнологический цикл. В этой схеме обеспечиваются наиболее оптимальные условия каждой из стадий производства – окисление аммиака и переработка нитрозных газов.

В схеме предусмотрено следующее:

  • – выпуск продукции в виде 60%–й азотной кислоты;
  • – тщательная очистка аммиака и воздуха; охлаждение нитрозных газов с промывкой их от нитрата и нитрита аммония;
  • – каталитическая очистка выхлопных газов (остаточное содержание оксидов азота не более 0,008% об.);
  • – использование вторичных энергетических ресурсов (теплота реакции используется для подогрева выхлопных газов перед их каталитической очисткой, а энергия сжатых газов для приводов воздушного и нитрозного компрессов). 

Описание схемы

Воздух забирают из атмосферы через трубу 25, очищают от пыли в фильтре 24, сжимают воздушным компрессором 23 до 0,42 МПа и, разделив на два потока, подают в контактный аппарат и подогреватель аммиака. Жидкий аммиак (парожидкостная смесь) через ресивер 1 поступает в испаритель 2, где испаряется при 10–16 °С и давлении 0,6 МПа.

После испарителя газообразный аммиак очищают от масла и механических примесей в фильтре 3 и направляют в подогреватель аммиака 4, где он нагревается до 80–120 °С воздухом.

Очищенный воздух и аммиак поступают в смесительную камеру 22 контактного аппарата 20. Образующаяся аммиачно-воздушная смесь содержит 9,6–10,0 % NH3. Пройдя тонкую очистку в фильтре, встроенном в контактный аппарат 6, аммиачно-воздушная смесь поступает на двухступенчатый катализатор, состоящий из трех платиноидных сеток и слоя неплатинового катализатора. Нитрозные газы при температуре 840–860 °С поступают в котел-утилизатор 19, расположенный под контактным аппаратом, где за счет их охлаждения получают пар давлением 40 МПа с температурой 440 °С. Котел питают химически очищенной водой, деаэрированной в колонне 17. Деаэрированная вода проходит теплообменник 16, где нагревается нитрозными газами до 150 °С, экономайзер 18 и затем поступает в барабан котла-утилизатора 21.

Нитрозные газы после котла-утилизатора охлаждаются в экономайзере 18, отдают свою теплоту в подогревателе 15 и затем поступают в водяной холодильник 14 для дальнейшего охлаждения до 55 ºС. При охлаждении нитрозных газов происходит конденсация паров воды с образованием 40–45%-ной азотной кислоты, которая подается в газовый промыватель 13. Сюда же поступают нитрозные газы.

В промывателе происходит одновременно с охлаждением промывка нитрозных газов от нитрит-нитратных солей и дальнейшая конденсация азотной кислоты. Кислота из нижней части промывателя подается в абсорбционную колонну 10, а нитрозные газы сжимаются в компрессоре 12 до 11–12,6 МПа, нагреваясь при этом до 210–230 °С. После сжатия нитрозные газы охлаждают в холодильнике 16 до 155–165 °С. в холодильнике 11 второй ступени до 60–65 °С и подают в абсорбционную колонну 10. На тарелках колонны расположены земеевики для охлаждения кислоты. Сверху в колонну поступает паровой конденсат (Н2O) с температурой не выше 40 °С. Снизу колонны выводится 58–60%-ная азотная кислота; она поступает в продувочную колонну 9 для удаления растворенных в ней оксидов азота и далее направляется в хранилище.

Отходящий газ из абсорбционной колонны нагревается в подогревателе (топочном устройстве) 8, смешивается в смесителе 7 с природным газом и подогретый до 480 °С направляется на каталитическую очистку от оксидов азота в реактор. Катализатором очистки служит алюмопалладиевый катализатор АПК-2. После каталитического разложения выхлопные газы, содержащие до 0,008% оксидов азота при температуре 750 °С, поступают в рекуперационную турбину 5, входящую в состав газотурбинного агрегата. Здесь тепловая энергия выхлопных газов преобразуется в механическую с одновременным снижением давления газа до 0,95–1,05МПа. Энергия, вырабатываемая в газовой турбине, используется для привода компрессоров 12 и 23 (нитрозного и воздушного).

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector