Производство азотной кислоты

Производство азотной кислоты

Содержание

Введение

.        Технологическая часть

.1      Выбор метода производства (или выделение) готового продукта

.2      Теоретические основы процесса. Выбор оптимальных параметров

.3      Характеристика исходного сырья и готовой продукции, ГОСТы

1.3.1 Исходное сырье

.3.2   Готовая продукция

.3.3   Катализаторы

.3.4   Вспомогательные материалы

.3.5   Побочные продукты

.4      Описание технологической схемы установки. Нормы технологического режима

.5      Конструкция основного аппарата и вспомогательного оборудования

.6      Автоматизация производства. Аналитический контроль. Отходы производства

.7      Охрана труда и промышленная экология

. Расчетнкая часть

.1 Материальный баланс

.2 Тепловой баланс

.3 Конструктивный расчет

.4 Экономический расчет

Заключение

Список используемых источников

Введение

В настоящее время азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотсодержащих продуктов. Основная ее часть (до 70%) расходуется на производство удобрений. В производстве минеральных удобрений используется неконцентрированная азотная кислота концентрацией 47-60%. Мощности по производству неконцентрированной азотной кислоты, как правило, сбалансированы с мощностями переработки - производством нитрата аммония (аммиачная и известково-аммиачная селитра, растворы КАС, плав аммиачной селитры) и сложных удобрений, получаемых азотно-кислотным или азотно-сернокислотным разложением фосфатного сырья. Небольшая часть неконцентрированной азотной кислоты используется также для получения концентрированной азотной кислоты и для других целей.

Лидирующее положение в мире по имеющимся мощностям в производстве азотной кислоты занимают: Российская Федерация, Западная Европа, Центральная Европа и Северная Америка. На их долю приходится около 80% мировых мощностей. В настоящее время и по мощностям, и по производству азотной кислоты Россия занимает первое место в мире, ее доля составляет 17%. Второе место в мировом производстве азотной кислоты принадлежит США. Значительными мощностями располагают: Китай, Румыния, Нидерланды, Франция, Украина и Узбекистан.

Структура производства неконцентрированной азотной кислоты по технологическим процессам за последние 30 лет ХХ века претерпела существенные изменения. В конце 80-х и в начале 90-х годов ХХ века были выведены из эксплуатации старые производства под атмосферным давлением.

Мировое производство азотной кислоты в обозримой перспективе стабилизируется на достигнутом уровне или немного снизится, так как нитратный азот как удобрение популярен по преимуществу в странах с коротким вегетативным периодом, то есть главным образом в развитых странах Европы и Северной Америки. Нарастающее ужесточение экологических требований в этих регионах не позволяет надеяться на увеличение норм внесения азотных удобрений под сельскохозяйственные культуры в этой части мира. Более того, последнее десятилетие характеризовалось снижением потребления минеральных удобрений в Западной Европе.

В сельском хозяйстве России основным одинарным азотным удобрением является аммиачная селитра. И сегодня это удобрение составляет основную долю в поставках азотных удобрений нашему сельскому хозяйству. К сожалению, в России нынешние фактические нормы внесения удобрений в почву многократно ниже агрохимически обоснованных. Это приводит к нарастающей деградации почвы и снижению урожайности культур, как в количественном, так и в качественном отношении. Такая ситуация не может продолжаться вечно. Таким образом, в обозримой перспективе будет нарастать увеличение доли поставок азотных удобрений отечественному сельскому хозяйству за счет улучшения использования мощностей (включая мощности производства азотной кислоты).

Следовательно необходимо повысить мощность производства азотной кислоты. Для этого целесообразно строительство новых цехов азотной кислоты.

1.      Технологическая часть

1.1    Выбор метода производства (или выделение) готового продукта

азотный кислота производство

Современные методы производства азотной кислоты основаны на применении синтетического аммиака и воздуха.

Многолетние поиски новых промышленных методов (связывание атмосферного азота в высокочастотном разряде; термическим способом, основанный на использовании тепла сгорания газов, например метана при температуре выше 2200°С) пока не дали результатов, позволяющих осуществить их реализацию в промышленных масштабах. По этим методам получаются оксиды азота сравнительно низкой концентрации, обычно она составляет 1,5 - 2% NO, поэтому переработка их в азотную кислоту связана со значительными затратами и усложнением технологического и конструктивного оформления производственного процесса.

Промышленные системы производства неконцентрированной азотной кислоты различаются главным образом по давлению, при котором осуществляются основные стадии процесса.

В зависимости применяемого давления их можно условно подразделить на следующие группы:

1)      системы, работающие под единым давлением 0,73 МПа единичной мощностью 360 т/сутки (агрегаты УКЛ-7);

2)      системы, работающие по комбинированной схеме с конверсией аммиака под атмосферным давлением и абсорбцией оксидов азота под давлением 0,35 МПа единичной мощностью 135 т/сутки (агрегаты 1/3,5);

3)      системы, работающие крупнотоннажные агрегаты по комбинированной схеме с конверсией аммиака под давлением 0,4 МПа и абсорбцией оксидов азота под давлением 1,1 МПа единичной мощностью 1200 т/сутки (агрегаты АК-72 и АК-72М).

К достоинствам систем работающих при повышенном давлении, следует отнести значительно меньшие капитальные затраты при строительстве, выпуск более концентрированной азотной кислоты (на 6 - 8% выше, чем в системах, работающих при атмосферном давлении); возможность ввода в эксплуатацию отдельных агрегатов системы, что позволяет получать азотную кислоту задолго до полного завершения строительства цеха.

В комбинированных системах достигается высокая степень конверсии аммиака в диоксид азота и меньше потери катализатора, чем в системах, работающих при повышенном давлении; несложное обслуживание этих систем на стадии получения оксидов азота, которая проводится при атмосферном давлении. К недостаткам комбинированных систем следует отнести большие размеры контактного аппарата; большее количество агрегатов по сравнению с системами, работающими при повышенном давлении.

К недостаткам схем АК - 72 относится использование реактора каталитической очмстки в период пуска агрегата в качестве камеры сгорания для подъема температуры от 480 до 650 - 750 °С, что приводит к быстрому "старению" катализатора АПК - 2. В результате "старения" берется его активность при работе в окислительнойсреде (на воздухе), что затрудняет пуск агрегата.

В данном дипломном проекте выбранна система, работающая под единым повышенным давлением 0,73 МПа.

.2      Теоретические основы процесса. Выбор оптимальных параметров

Процесс производства азотной кислоты под повышенным давлением состоит из двух основных стадий: окисление аммиака до оксида азота и его переработка с образованием азотной кислоты. Вторая стадия включает окисление оксида азота и последующее поглощение их водой.

Стадия окисление аммиака в оксид азота в общем виде выражается уравнением:

 (1)

Стадия окисления оксида азота в высшие оксиды азота и переработка их в азотную кислоту осуществляется согласно реакциям:

 (2)

 (3)

Суммарную реакцию без учета побочных реакций, проходящих с образованием элементарного азота и других соединений,представляют в виде:

 (4)

Теоретические основы процесса проектируемого узла (отделения)

Каталитическое окисление аммиака является сложным процессом и может с одинаковой степенью вероятности протекать как до целевого продукта диоксида азота, так и до молекулярного азота и оксида азота.

В общем виде протекающие реакции описываются уравнениями:

 (1)

 (5)

 (6)

Кроме основных реакций (1), (5), (6), в зависимости от условий окисления аммиака протекать несколько последовательных и параллельно-паследовательных реакций. Все они приводят к образованию молекулярного азота.

Так, образовавшийся по реакции (1) диоксид азота разлагаться по реакции

 (7)

или взаимодействует с аммиаком:

 (8)

Аммиак, поступающий с аммиачно-воздушной смесью (АВС), разлагается до молекулярных азота и водорода, причем последний затем сгорает с образованием паров воды:

 (9)

Таким образом, для проведения процесса окисления аммиака с целью получения оксида азота нужен не только активный, но и весьма селективный катализатор. Особенностью катализатора, обладающего избирательными действиями, заключается в ускорении лишь одной из нескольких возможных реакций. Изменяя катализатор и условия проведения реакции, можно изменить и состав продуктов реакции.

Для осуществления реакции необходимо, чтобы реакционная система прошла через состояние повышенной энергии, т. е. через энергетический барьер, определенный энергией активации.

Наиболее перспективным катализатором для данного процесса является платина.

Платина проявляет высокую каталитическую активность в реакции (1), обеспечивается при 600 - 1000°С высокий выход оксида азота (до 99°С) при времени реакции около с. Одновременно с этим платина имеет низкую температуру инициирования реакции (195 - 200°С), имеет хорошую пластичность, ковкость и тягучесть, что делает сплавы на основе платины непревзойденными катализаторами окисления аммиака. Недостатком платины является ее склонность к разрушению при температурах конверсии под воздействием реакционной смеси и подверженность влиянию большого количества ядов. По этим причинам испытаны и в значительной степени запатентованы в качестве катализаторов окисления аммиака сплавы с различными металлами.

Признание и распространение в качестве катализаторов получили сплавы с родием, палладием и рутением. Они обладают высокой (>1500°С) температурой плавления, легко поддаются механической обработке, ковке, а Pd и Pt - еще и сварки. С платиной металлы Rh, Pd и Ru образуют сплавы в идее непрерывного ряда твердых растворов. Эти сплавы обладают лучшими механическими свойствами по сравнению с чистой платиной.

В производстве азотной кислоты платиноидные катализаторы применяются в виде сеток. Эта форма удобна в эксплуатации, характеризуется минимальным вложением платиноидов, позволяет применять наиболее простой и удобный в эксплуатации тип контактного аппарата и обеспечивает высокую поверхность соприкосновения газа с катализатором.

Практически все эти реакции могут считаться необратимыми. При нормальных условиях небольшую термодинамическую вероятность имеет реакция (6), поэтому при поджигании факела аммиака он горит на воздухе с образованием молекулярного азота.

Процесс окисления аммиака с точки зрения адсорбционно-химической теории катализа можно представить следующим образом. Кислород и аммиак диффундируют из газовой смеси к поверхности катализатора. Вследствие высокой температуры контактирования ковалентная связь между атомами в молекулах этих газов ослаблена. Так как скорость диффузии кислорода выше скорости диффузии аммиака, в первую очередь происходит активированная адсорбция кислорода, сопровождаемая образованием электронной связи с атомами платины, имеющий свободные валентности. В результате возникает комплекс катализатор - кислород.

Образование молекулярного азота происходит при неполном покрытии поверхности катализатора кислородом (недостаток кислорода в газе) и за счет протекания побочных реакций в объем за катализатором.

Ряд исследований показал, что процесс каталитического окисления аммиака имеет диффузионный характер.

Для реакции каталитического окисления аммиака характерны зависимости скорости от линейной скорости газа, незначительное время контактирования (), относительно низкая энергия активации (до 2,5 кДж/моль), что свойственно диффузионным процессам.

Остальное время контактирования может быть представлено как отношение свободного объема катализатора (, ), и объемной скорости газа в условиях конверсии ().

Изучение кинетики окисления аммиака до оксида азота сильно осложняется протеканием параллельных побочных реакций, конечным продуктом большинства из которых является молекулярный азот.

Реакция разложения оксида азота может протекать сразу после появления NO в газе, но скорость этой реакции намного меньше скоростей реакций (1), (5),(6). Поэтому ее влияние наблюдается на участке кинетической кривой после максимума.

Наиболее существенным параметром, оказывающим значительное влияние на выход оксида азота, является температура.

Появление оксида азота на платиноидных катализаторах наблюдаются при температурах около 300°С. При дальнейшем повышении температуры, выход оксида азота увеличивается как за счет уменьшения проскока аммиака, так и в результате снижения содержания в продуктах реакции , т. е. при проявлении катализатором большей селективности к реакции (5). Максимальный выход  наблюдается при 900 - 920 °С. На чистой платине он достигает 96 %, на сплавах Pt - Rh - Pd - Ru - 99 % (рисунок 4). При этих температурах вторым продуктом окисления является азот.

Значительное влияние на выход оксида азота оказывает концентрация кислорода в АВС. При использовании воздуха максимально возможной концентрацией аммиака в АВС, при которой достигается высокие выходы оксида азота, является 11,0 - 11,5 % и [] : [] ~ 1,7, причём это характерно для температур 870 - 900 °С. При более низких температурах (750 - 800 °С) содержание  в АВС должно быть снижено примерно до 10 %.

Как правило, выход NO при проведении процесса конверсии под давлением несколько ниже, чем в сравнимых условиях при атмосферном давлении. Снижение степени конверсии вызывается не самим фактором повышения давления, а предкатализом, более резко выраженным влиянием каталитических ядов, увеличение напряжённости катализатора и некоторыми другими явлениями.

При повышении давления необходимое время контактирования возрастает и тем больше, чем ниже температура. Оптимальное время контактирования не изменяется при изменении концентрации аммиака и числа сеток.

Повышение давления в процессе конверсии позволяет увеличивать линейную скорость и напряжённость катализатора. Изменение этих параметров требует увеличения числа катализаторных сеток.

Несомненное влияние на выход оксида азота имеет линейная скорость газа. В условиях процесса окисления аммиака её влияние не равноценно влиянию времени контактирования, вследствие, одновременного протекания ряда других параллельных и последовательных реакций с участием аммиака, кислорода и диоксида азота.

Естественно, невозможно уменьшать напряжённость и линейную скорость газа до безгранично малых значений, т. к. при этом увеличиваются капитальные вложения в узле конверсии, возрастает обратная диффузия аммиака и возникает вероятность воспламенения АВС.

При окислении аммиака , как и во всем каталитическом процессе, платиноидный катализатор подвергается воздействию реакционной среды. Вследствии высоких температур, присутствие химических реакций окисления аммиака, воздействия примесей, поступающих с газами, и других явлений происходит изменение структуры катализаторных сеток, в частности, разрыхление их поверхности, увеличение размеров кристаллов и т. д. эти изменения, приводящие к потерям массы катализатора, зависят как от технологических условий процесса, так и от физико-химических свойств сплава сеток.

Окисление платины происходит по реакции:

 (10)

Зависимость константы равновесия этой реакции от температуры имеет вид:

Потери платиноидного катализатора возрастают при использовании на стадии конверсии воздуха, обогащенного кислородом.

При окислении аммиака на поверхности катализатора появляются грани зерен, внутри которых различаются каналы травления. В следующем на поверхности нити вообще не остается чистых зон; происходит деформация кристаллической решетки сплава платины с быстрым увеличением удельной поверхности. Такое превращение поверхности катализатора при воздействии химической реакции названо каталитической эрозией.

На катализатор воздействуют также некоторые соли, попадающие с воздухом. Наибольшее разрушение поверхности катализатора вызывают оксиды, гидроксиды и карбонаты натрия и калия, меньше корродируют поверхность хлориды и сульфиды этих металлов. Попадая на катализатор при высоких температурах, эти соли проникают в кристаллическую решетку, образуя с его компонентами легкоплавкие соединения.

Вложения и потери платиноидов могут быть снижены одновременно оптимизацией технологических условий конверсии; путем разработки катализаторных сплавов с добавками более тугоплавкими и менее подверженных окислению металлов, чем платина: заменой в сетках части нитей из платиноидных сплавов на нити из жаростойких сплавов других металлов; переходом на двухступенчатое окисление аммиака с использованием в качестве второй ступени недефицитных оксидных катализаторов.

Удельные потери платиноидов снижаются в результате разработки различных способов улавливания - химического связывания паров и аэрозолей и механической фильтрации, нитрозных газов через различные волокнистые материалы.

Первый способ - осуществляется по двум направлениям - связывание паров платиноидов различными металлами за счет внедрения атомов платины в кристаллическую решетку сплава с образованием твердых растворов и использование оксидов некоторых металлов, устойчивых в условиях конверсии и обладающих свойством взаимодействовать с парами благородных металлов.Исследованиями установлено, что в условиях конверсии более всего пригодны такие металлы, как золото, палладий, серебро, их сплавы и некоторые другие редкие металлы.

Недостатком способа являются большие вложения золота и палладия и значительные потери палладия.

Для повышения степени улавливания разумно применять одновременно с химическим связыванием также и механическое фильтрование. Механические фильтры используют в зависимости от термостойкости метериала как на стадии конверсии (температура 800 - 900°С), так и при температурах 250 - 350°С.

В качестве фильтрующих компонентов наибольшее распространение получили фильтры из волокнистых материалов, в частности, стекловолокон. Эффективность работы таких фильтров в общем случае зависит от состава используемого материала, его физико-химических и механических свойств, размера волокон, толщины слоя волокна, скорости газа, размера частиц платиноидов и некоторых других факторов.

Потери катализатора будут тем меньше, чем ниже температура конверсии, линейной скорости газа и время пробега сеток. Тщательная очистка аммиака и воздуха также снижает потери катализатора, уменьшая эрозию легкоплавящимися примесями.

Если для достижения высоких выходов оксида азота окисление аммиака желательно вести при повышенных температурах, то для уменьшения возрастающих при этом потерь дорогостоящего катализатора - платины необходимо ограничить верхний температурный предел процесса. Так, для установок, работающих при повышенном давлении температура составляет 880 - 930°С.

Для увеличения производительности аппарата и возможности упрощения контактного узла, работающего под давлением, процесс необходимо вести под повышенным давлением 0,73 МПа.

1.3   
Характеристика исходного сырья и готовой продукции, ГОСТы

В производстве неконцентрированной азотной кислоты в качестве сырья используется аммиак, воздух и вода. Вспомогательными материальными и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия. Готовой продукцией является слабая азотная кислота. Побочные продукты - перегретый пар и "хвостовые" газы.

.3.1 Исходное сырье

Аммиак - в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты.

Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-90. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости АВС.

Жидкий аммиак - бесцветная жидкость. Температура кипения жидкого аммиака при атмосферном давлении -34°С. При температуре -77,7 °С жидкий аммиак застывает в белоснежную кристаллическую массу. Жидкий аммиак, попадая на кожу, вызывает сильные ожоги.

Газообразный аммиак - бесцветный газ с резким запахом (порог восприятия обонянием 35 мг/м3), легче воздуха, плотность газа по воздуху - 0,59 (при 25°С), хорошо растворим в воде. В воздухе горит плохо, в кислороде - хорошо. В смеси с воздухом газообразный аммиак способен образовывать взрывоопасные концентрации в пределах 15,0÷28,0 % об. С повышением давления нижняя граница взрывоопасной концентрации аммиака в аммиачно-воздушной смеси снижается. Вызывает острое раздражение слизистых оболочек, слезоточение, удушье. При тяжелых отравлениях может быть отек легких.

Предельно допустимая концентрация аммиака в воздухе рабочей зоны помещения - 20 мг/м3.

Воздух - для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [%,об]: N2 - 78,1, О2 - 21,0, Ar2 - 0,9; Н2О- 0,1-2,8.

В воздухе могут присутствовать также следы SO2, NH3, CO2. В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO2, SO3, H2S, С2Н2, Cl2 и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5-1,0 мг/м3.

Вода - используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случае вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свободного аммиака и твердых взвесей, содержание хлорид-Иона должно быть не более 2мг/л, масла не более 1мг/л, NH4NO3-не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствоватьтребованиям ГОСТ 20995-75. Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям:

Жесткость карбонатная, мэкв/кг не более 3,6

Содержание взвешенных веществ, мг/кг не более 50

Значение pH 6,5÷8,5

Природный газ

Природный газ представляет собой газовую смесь состава:СН4 - 97,5 % об.; С3H8 - 0,15 % об.; СО2 - 0,5 % об.;С2H6 - 0,25 % об.

.3.2 Готовая продукция

Азотная кислота - жидкость желтоватого цвета с едким запахом, на воздухе дымит. Удельный вес 58-60% продукционной кислоты при температуре 15 0С составляет 1,375 кг/м3. Азотная кислота вызывает ожоги кожного покрова и слизистых оболочек. Животные, растительные ткани при действии азотной кислоты разрушаются. Органические вещества (бумага, масла, древесина, тряпки и т.п.) при соприкосновении с концентрированной азотной кислотой воспламеняются, и может быть взрыв. Пары азотной кислоты, аналогично оксидам азота, вызывают раздражение дыхательных путей, одышку и при вдыхании большого количества - отек легких. Пары азотной кислоты ядовиты даже при малых концентрациях. При больших концентрациях пары азотной кислоты вызывают удушье.

Предельно допустимая концентрация паров азотной кислоты в воздухе производственных помещений в пересчете на NO2 - 2 мг/м3.

Готовый продукт должен соответствовать ОСТ 113-03-270-90, изм.1 или показателям, предусмотренным условиями договоров (контрактов).

По физико-химическим свойствам кислота азотная неконцентрированная должна соответствовать нормам и требованиям, указанным в приведенной таблице. Азотная кислота является энергичным окислителем. Животные и растительные ткани при воздействии азотной кислоты разрушаются.

Азотная кислота неогранично растворима в воде, при растворении выделяется тепло. Азотная кислота гигроскопична. На воздухе сильно дымит, выделяя оксиды азота и пары азотной кислоты, которые образуют с влагой воздуха туман. Пары азотной кислоты в 2,2 раза тяжелее воздуха.

Таблица 1 - Нормы и требования по азотной кислоте

1.3.3 Катализаторы

Таблица 2 - Катализаторы

1.3.4 Вспомогательные материалы

Природный газ горюч, не имеет запаха, удельный вес - 0,72 ÷ 0,78 кг/м3. Температура воспламенения +530 °С Концентрационные пределы взрываемости - 5,0 ÷ 15,0% об.(по метану). В больших концентрациях приводит к удушью из-за недостатка кислорода в воздухе. ГОСТ 5542 - 87.

В производстве применяется в качестве топлива подогрева "хвостовых" газов.Азот - применяется для продувки аммиачных трубопроводов и аппаратов при подготовке к ремонту, для продувки коммуникаций природного газа и азотоводородной смеси.

Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха, легче воздуха, плохо растворяется в воде. Плотность по отношению к воздуху - 0,97. Не поддерживает горение. Атмосфера, обогащенная азотом, опасна для человека, так как с увеличением азота в воздухе, уменьшается количество кислорода, что вызывает удушье ГОСТ 9293 - 76.

.3.5 Побочные продукты

"Хвостовые" газы

В их состав входит оксид углерода (угарный газ) - бесцветный горючий газ без запаха, легче воздуха (уд. вес 0,967 кг/м3). В смеси с воздухом и кислородом образует взрывоопасную смесь: в смеси с воздухом предел взрываемости от 12,5% до 74%.

1.4   
Описание технологической схемы установки. Нормы технологического режима

Жидкий аммиак поступает в испаритель комбинированного аппарата подготовки аммиака (КАПА) который состоит из трех аппаратов:

испарителя аммиака;

фильтра тонкой очистки;

подогревателя газообразного аммиака.

В испарителе КАПА жидкий аммиак испаряется за счет подачи пара с давлением 0,5 МПа (изб.). После испарителя газообразный аммиак проходит через фильтры патронного типа, где очищается от масла, катализаторной пыли, соединений железа.

Затем газообразный аммиак направляется в подогреватель, где нагревается паром с давлением 0,5 МПа (изб.) до температуры не менее 70 0С и поступает в смеситель.

Воздух в количестве засасывается из атмосферы через агрегатную воздухозаборную трубу аппарата очистки воздуха. В аппарате очистки воздуха происходит очистка воздуха от механических примесей на фильтрах грубой и тонкой очистки.

Очищенный от пыли воздух поступает на всас компрессора газотурбинной установки ГТТ-3М. Компрессор осевого типа приводится в движение газовой турбиной и имеет с ней общий вал. В осевом компрессоре воздух сжимается до давления 0,29 МПа (изб.), в результате чего, нагревается до 1900С. Из осевого компрессора воздух поступает в промежуточный двухсекционный воздухоохладитель, где охлаждается до 70-800С и направляется в нагнетатель. Нагнетатель (скорость вращения 7400 об/мин приводится во вращение через редуктор, который с одной стороны имеет привод от электродвигателя (3000 об/мин), а с другой стороны - от газовой турбины (5100 об/мин).

Нагнетатель центробежного типа, с двумя ступенями сжатия. В нагнетателе воздух компримируется до 0,63 МПа (изб.), нагреваясь при этом до 900С, и направляется в технологический цикл и на собственные нужды газотурбинной установки.

Поток воздуха, используемый на собственные нужды турбины, разветвляется на два потока. Основной поток воздуха собственных нужд сбрасывается через камеру сгорания ГТТ-3М на газовую турбину с целью охлаждения "хвостовых" газов после реактора. Другой поток воздуха используется на уплотнение и охлаждение турбины.

Воздух, направляемый на технологические нужды, разветвляется на три потока:

. Основной поток идет на конверсию аммиака.

. Воздух в количестве направляется в продувочную колонну для отдувки оксидов азота из продукционной кислоты.

. Воздух в трубопровод нитрозного газа для повышения степени окисленности газа в количестве.

Основной поток воздуха после нагнетателя турбокомпрессорного агрегата направляется в смеситель.

Газообразный аммиак подогретый до температуры не менее 70 0С так же поступает в смеситель. Образовавшаяся в смесителе аммиачно-воздушная смесь с содержанием аммиака 9,5 ¸ 11,0 % об. и температурой 140-190 0С проходит очистку в фильтрах тонкой очистки на основе базальтового волокна.

Тонкая очистка аммиачно-воздушной смеси повышает степень конверсии аммиака и предотвращает преждевременное отравление платино-родиево-рутениево-палладиевого катализатора.

Аммиачно-воздушная смесь вводится в кольцевое пространство в средней части контактного аппарата, образованное двумя конусами, подогревается за счет тепла реакции на сетках контактного аппарата, затем заходит сверху во внутренний конус и поступает на платино-родиево-рутениево-палладивые сетки, где при температуре 880-910 0С происходит окисление аммиака с образованием оксидов азота, паров воды и элементарного азота.

Образующиеся при окислении аммиака горячие нитрозные газы (NO, N2, H2O) с содержанием NO 9 - 9,6 % об. поступают в котел-утилизатор /поз.4, который является продолжением контактного аппарата, связан с ним через переходной конус.

В котле-утилизаторе за счет охлаждения нитрозных газов с 880-9100С до 230-3200С происходит испарение деаэрированной химочищенной воды с получением пара давлением до 1,3 МПа (изб.) и температурой 230-2750С. Для поддержания температуры нитрозного газа перед подогревателем "хвостового" газа в пределах 260-350 0С часть нитрозного газа байпасируется из входной камеры в выходную камеру котла утилизатора.

Для питания котла-утилизатора и получения пара используется питательная вода.

После котла-утилизатора нитрозный газ проходит двухступенчатое рекуперативное охлаждение в подогревателях "хвостового" газа и до температуры 150-185 0С.

Для увеличения степени окисленности нитрозного газа в коллектор нитрозного газа после подогревателя "хвостового" газа подается добавочный воздух в количестве.

Нитрозный газ после подогревателя "хвостового" газа поступает в два последовательно установленных на этажерке холодильника - конденсатора /п.

В холодильниках - конденсаторах нитрозный газ охлаждается до температуры 30 д. 50 0С и происходит конденсация водяных паров, частичное окисление оксида азота до диоксида азота и образование азотной кислоты концентрацией до 50% вес.

Слабая азотная кислота из холодильников-конденсаторов отводится в абсорбционную колонну на одну из тарелок с соответствующей концентрацией кислоты.

После холодильников - конденсаторов нитрозный газ поступает в нижнюю часть абсорбционной колонны под первую тарелку, и проходят последовательно все 47 тарелок.

Абсорбционная колонна имеет 47 ситчатых тарелок. Для отвода тепла реакции на 31 тарелках (считая снизу колонны) уложены змеевики, по которым циркулирует охлаждающая оборотная вода.

Сверху на 47 тарелку подается паровой конденсат. Образующаяся азотная кислота перетекает на нижележащие тарелки, двигаясь навстречу потоку нитрозного газа. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты увеличивается и на выходе из куба абсорбционной колонны составляет не ниже 55,0 % вес. Благодаря пенному режиму на тарелках обеспечивается хороший тепломассообмен. В верхней части колонны над 47 тарелкой установлено сепарирующее устройство сетчатого типа из проволоки диаметром 0,3 мм для отделения брызг азотной кислоты от "хвостовых" газов.

Кислота из абсорбционной колонны с содержанием растворенных оксидов азота до 1 % самотеком направляется в продувочную колонну, в которой на трех ситчатых тарелках, с помощью горячего воздуха, подаваемого нагнетателем, из нее отдуваются растворенные оксиды азота. Отдувочные газы из продувочной колонны поступают под шестую тарелку абсорбционной колонны.

Отбеленная кислота из продувочной колонны выдается на склад слабой азотной кислоты или в цех амселитры, минуя хранилища склада.

Выходящие из абсорбционной колонны непоглощенные оксиды азота и инертные газы ("хвостовые" газы) с температурой не более 35 0С и содержанием кислорода 2,0 ¸ 5,0% об., оксида азота не более 0,1- 0,15% об. поступают в центробежный сепаратор "хвостовых" газов для отделения брызг кислоты от газа, затем в подогреватель "хвостовых" газов, где теплом нитрозных газов подогреваются до 115-145 0С,в подогревателе "хвостовых" газов до температуры 220-280 0С. Далее "хвостовой" газ поступает в реактор селективной очистки.

В реакторе селективной очистки на катализаторе, содержащем оксид ванадия, происходит восстановление оксидов азота газообразным аммиаком.

После реактора очищенные "хвостовые" газы с температурой до 3000С, содержанием оксидов азота не более 0,005% об., аммиака - не более 0,015% об. поступают в кольцевой канал камеры сгорания турбины УКСТ-700. До пламенной трубы они смешиваются с воздухом неиспользованным в технологическом процессе, поступающим через пневмоклапан после нагнетателя.

В камеру сгорания турбины подводится топливный природный газ.

Предназначение камеры сгорания - повысить температуру "хвостовых" газов перед турбиной ГТТ-3М до проектной температуры не более 700 0С.

Через регулирующий клапан к горелке подводится воздух от нагнетателя с расходом, обеспечивающим соотношение топливный газ- воздух близкое к стехиометрическому (1:10).

Давление очищенных "хвостовых" газов на входе в газовую турбину ГТТ-3М составляет 0,44¸0,47 МПа (изб.). В газовой турбине происходит расширение газов до давления 0,006 МПа (изб.), температура их снижается до 410 0С, при этом вырабатывается мощность, потребная для компремирования воздуха до давления 0,63 МПа (изб.).

Для увеличения объема рабочего тела и снижения температуры, поступающих в турбину газов предусмотрена подача пара в количестве до 10 т/час в линию газов перед турбиной и в УКСТ-700 для уменьшения образования оксидов азота.

После газовой турбины "хвостовые" газы с давлением 0,006 МПа (изб.) и температурой до 410 0С поступают в котел-утилизатор "хвостовых" газов , в котором при их охлаждении образуется пар с давлением до 1,3 МПа (изб.) и температурой 230¸250 0С, далее "хвостовые" газы проходят чугунный и стальной экономайзеры, в которых за счет тепла отходящих "хвостовых" газов подогревается питательная вода, используемая для питания котлов-утилизаторов.

После экономайзеров "хвостовые" газы с температурой не более 185 0С и давлением 0,001 МПа (изб.) через коллектор поступают к выхлопной трубе.

Таблица 3 - Нормы технологического режима

1.5    Конструкция основного аппарата и вспомогательного оборудования

Выбор конструкции основного аппарата

В производстве неконцентрированной азотной кислоты применяются следующие конструкции контактных аппаратов:

)        Контактный аппарат (диаметр 2800 мм) с верхней подачей аммиачно-воздушной смеси

Аппарат, представленный на рисунке 1, состоит из картонного фильтра, конвертора и котла-утилизатора.

Картонный фильтр, расположенный в верхней части аппарата, имеет диаметр 3020 мм, высоту 1528 мм и содержит несколько кассет. Пройдя кассеты, газовая смесь через окна поступает во внутренний цилиндр и далее во входной конус конвертора.

В месте перехода конической части конвертора в цилиндрическую расположена решетка диаметром 2890 мм, которая служит для создания равномерного потока газовой смеси. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Сетки опираются на колосники, ниже их на решетке располагается слой металлических колец высотой 250 мм. Нижняя часть конвертора футерована жаростойким кирпичом и присоединяется непосредственно к верхней части котла-утилизатора прямоточного типа.

2)      Контактный аппарат совмещенный с котлом-утилизатором

Диаметр аппарата 4м, высота 5.57м. сжатый воздух подается в аппарат и проходит по кольцевому зазору между внутренним корпусом реакционной части и силовым корпусом аппарата и поступает во встроенный в верхней части смеситель, где осуществляется смешение воздуха с аммиаком. аммиачно-воздушная смесь (АВС) по центральному патрубку через конический распределитель поступает на фильтр АВС и после него - на огнепреградительную насадку, платиноидные сетки. Образовавшиеся нитрозные газы с температурой 850 0С проходит через пакеты змеевиков пароперегревателя и испарителя котла-утилизатора и по зазору между корпусом котла и аппарата выводятся из аппарата при температуре 300 - 3500С.

)        Контактный аппарат имеющий корпус с эллиптической крышкой,изготовленный из нержавеющей стали. Крышка снабжена штуцером для входа аммиачно-воздушной смеси. Внутри корпуса размещено устройство для равномерного распределения газовой смеси, состоящее из перфорированных пластин. Платиноидные сетки расположены на тонком слое колец Рашига из оксида алюминия, которые уложены в корзину из нержавеющей стали. Корпус снабжен фланцем для соединения с котлом-утилизатором. Имеет устройство для розжига платиновых сеток.

)        Контактный аппарат, работающий под повышенным давлением представляет собой два конуса, верхней - в виде усеченного конуса диаметром 2200 мм и нижней цилиндрической части, вставленных один в другой. Между конусообразной и цилиндрической частями в специальной кассете расположены 12 платиновых катализаторных сеток. Кассета с катализаторными сетками установлена на решетке из концентрических колец. Под ними на колосниковой решетке размещен слой керамических колец, уложенных правильными рядами высотой 200 мм. АВС поступает в пространство между конусами, поднимается вверх и направляется во внутренний открытый сверху конус. Смесь проходит распределительный слой колец Рашига, расположенный на решетке. Это позволяет обеспечить одинаковую плотность потока газа по всему сечению катализаторных сеток.

Сетки опираются на колосники. Под ними находится также слой колец Рашига, выполняющий роль теплового аккумулятора, благодаря которому можно после кратковременной остановки запускать конвертор в работу, не прибегая разогреву сеток. Одновременно на кольцах осаждаются наиболее крупные частицы платиноидного сплава, уносимыми нитрозными газами. Этот слой колец поддерживается колосниками, лежащими на кирпичном своде.

Для изменения температуры газов служат термопары, расположенные по окружности под углом 90°: четыре - до катализатора и четыре - после него. Проба для анализа газов отбирается через трубки (8 шт.), размещаемые по окружности аналогично термопарами: четыре - для отбора аммиачно-воздушной смеси, четыре - для отбора нитрозных газов.

Для визуального наблюдения за накалом сеток во время розжига и за их состоянием во время работы аппарата служат смотровые стекла (4 шт.), расположенные по окружности под углом 90°. В верхней части наружного корпуса на штуцере между фланцами закреплена предохранительная пластинка, которая разрывается в случае внезапного повышения давления внутри конвертора и тем самым предохраняет аппарат от разрушения.

Рабочий диаметр катализаторных сеток 1600 мм, количество загружаемой платины примерно 20 - 30 кг. Аппарат изготовлен из нержавеющей стали Х18Н10Т, его производительность 1500 т/сутки. Температура подогрева аммиачно-воздушной смеси 250 - 2800С, температура контактирования 900 - 9100С. Розжиг катализатора производится азотоводородной смесью, подаваемой с помощью поворотной горелки (запальника).

В данном дипломном проекте применяется конструкция контактного аппарата работающего под единым повышенным давлением 0,73 МПа.

Характеристика вспомогательного оборудования

1. Подогреватель "хвостовых" газов - Теплообменник, ø -1400 мм, Н-7240 мм, пов.теплообменника - 440 м2, толщина стенки - 8 мм, днища - 12 мм, емкость: а) трубной части - 3,6 м3 (3600 л); б) м/трубной части - 4,3 м3 (4300 л). Ррасчт. - 6.3 ати (0,63 мПа), скорость коррозии - 0,1 мм/год, срок службы - 8 лет. НЖ, Х18Н10Т.

2.      Совмещенный аппарат смесителя с базальтовыми фильтрами - ø верхней части - 2800 мм, ø нижней части - 1600 мм, Н - 7900, толщина стенки - 16 мм, нижней части - 16 мм; емкость - 28,7 м3 (28700 л), Ррасч. - 6,3 ати (0,63 мПа), Рраб.-6.3 ати (0,63 мПа); Т раб.- 150-2700С, Скорость коррозии - 0,1 мм/год, Скорость эксплуатации - 8 лет. ВМСТ.3СП, Х18Н10Т, 0Х13-днища, обечайки, ВМСТ.3СП.

3.      Котел-утилизатор Г-420 БПЭ - Длина 11030 мм, ø 2400 мм, толщина стенки - 20 мм, паропроизводительность - 25 т/час, поверхность нагрева пароперегревателя - 5,9 м2, испарительной части - 420 м2, дымогарных труб - 480 шт., ø - 50х3. Ррасч.пара в барабане - 16 ати (1,6 ПМа). Ррасч.пара после пароперегревателя - 15 ати (1,5 МПа). Трасч.пара - 2500 С. Объем котла - 24 м3 (24000 л). Ст. 20К.

4.      Котел-утилизатор Г-335 БП - Длина - 10090 мм, ø - 2400 мм, толщина стенки - 20 мм, паропроизводительность - 24 т/час; поверхность нагрева: котла 335 м2, пароперегреватель 5,7 м2, дымогарных труб - 480 шт., ø 50х3; Ррасч.пара - 15 ати (1,5 МПа); Ррасч.пара после пароперегревателя - 15 ати (1,5 МПа); Ррасч.пара - 2500 С. Объем котла - 32,5 м3 (32500 л). Ст.20К.

5.      Холодильник-конденсатор - ø -2000 мм; Н-6430 мм, толщина стенки - 10 мм, V тр.-8,5 м3; V м/тр.- 6 м3; ø -2000 мм; Н-6435 мм; толщина стенки - 10 мм; V тр.-8,5 м3; масса - 12877 кг. Срок службы - 8 лет. 03Х18Н11, 12Х18Н10Т, ВМ Ст.3сп.

1.6    Автоматизация производства. Аналитический контроль. Отходы производства

Автоматизация производства

Выбор средств контроля и управления процессом

) Значение автоматического контроля и управление процессом

Получение неконцентрированной азотной кислоты под давлением 0,73МПа - сложный физико-химический процесс, характеризующийся высокими скоростями протекания химических реакций, токсичностью используемого сырья. Эти обстоятельства исключают возможность ручного управления процесса, и диктует необходимость применения надежных и быстродействующих систем автоматизированного контроля и регулирования.

Их внедрение обеспечивает безаварийную и бесперебойную работу технологического оборудования, безопасность обслуживающего персонала, значительно повышает экономическую эффективность производства за счет уменьшения материальных и энергетических затрат, повышая производительность труда.

Предпологаемый в дипломном проекте вариант автоматизации основан на типовых решениях и с учетом изменений и дополнений, внесенных в него, обеспечивает все перечисленные функциональные свойства объекта.

Функцмональная схема автоматизации показывает, что часть приборовКИПи А (первичные преобразователи температуры, расхода, ) распологаются непосредственно на технологическом оборудовании. Другая часть приборов (измерительные преобразователи давления, расхода) размещаются в специальных помещениях датчиков (ящиках КИП). Остальная аппаратура, необходимая для управления процессом, сконцентрирована на щите ЦПУ. За щитом в ЦПУ на специальных панелях установлены устроцства специального назначения: нормирующие преобразователи, релейные элементы схем сигнализации, блокировки и т. д.. Непосредственно регулировать процессы можно с центрального щита, есть телефонная связь, связь при помощи голоса, которая позволяет давать указания аппаратчикам и машинистам, находящимся на рабочих местах

) Выбор параметров, подлежащих регулированию

В узле окисления аммиака необходимо создать условия для получения качественного продукта, т. е. нитрозных газов, с большим содержанием оксида азота. Для этого необходимо регулировать подачу аммиачно-воздушной смеси в контактный аппарат.

Необходимо регулировать температуру на катализаторныхсетках так как повышение температуры приводит к увеличению скорости реакции. Это помогает поддерживать оптимальный температурный режим. Предотвращает прогорание сеток.

Регулировать выдачу перегретого пара из котла-утилизатора, помогает избежать перерасхода пара, в свою очередь привести коррозии змеевиков.

Регулировать подачу аммиака, воздуха в смеситель.

)        Выбор параметров, подлежащих контролю

Для более полной информации о ведении технологического процессанеобходимо контролировать следующие параметры процесса: давления в контактном аппарате, параполучаемого в контактном аппарате; температуру пара в камере сгорания, пара из котла-утилизатора, температуру аммиачно-воздушной смеси, температуру "хвостовых" газов в подогревателях, нитрозного газа в котле-утилизаторе; уровня воды в котле-утилизаторе, в абсорбционной колонне, азотной кислоты на выходе из колонны, в продувочной колонне и концентрацию азотной кислоты.

Выбор сигнализируемых величин

Сигнализации подлежат параметры, предельные значения которых могут привести к пожару, взрыву, аварии, выходу из строя оборудования, несчастным случаям. Для исключения откланения от НТР необходимо сигнализировать следующие параметры:

максимальная и минимальная температура в газовой турбине, нагнетателе

минимальных расходов аммиака

максимального и минимального уровня воды в котле-утилизаторе, аммиака в комбинированном аппарате подготовки аммиака, в продувочной колонне уровень кислоты

максимальное давление воздуха на выходе из газовой турбины, нагнетателя

) Выбор параметров защиты и блокеровки

При достижении отдельными параметрами критических значений в схеме автоматизации предусмотрено автоматическое сбрасывание системы противопожарной защиты, которая автоматически, переводит объект в безопасное состояние путем отключения агрегата от коммуникаций, производится с помощью быстродействующих клапанов-отсекателей.

Во избежании возникновения аварийных ситуаций и для нормальной и безопасной работы обслуживающего персонала необходимо иметь блокировку следующих параметров

температуру воздуха,

расход воздуха и аммиака,

уровень деаэрированной воды.

) Выбор средств автоматизации процесса

Условия пожаро - и взрывоопасности производства, агрессивность применяемых веществ предопределен выбор пневматической ветви ГСП. Это решение не входит в противоречие с таким фактом, как допустимое значение сигнала в командных линиях, поскольку все технологическое оборудование расположено компактно в радиусе 70 м от ЦПУ и быстродействие систем останется в пределах нормы.

Так как по информационной насыщенности и характеру технологического процесса получения неконцентрированной азотной кислоты можно отнести к объектам повышенной сложности, то для его управления необходимо применять АСУ ТП.Для контроля и регулирования одинаковых параметров применены аналогичные приборы и компоненты, что облегчает настройку, ремонт и эксплуатацию.

Описание функциональной схемы автоматизации технологического процесса

Для измерения давления в контактном аппарате и газообразного аммиака на входе в смеситель используют комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДИ поз. 1 - 1, 1 - 3 и измеритель-регулятора ТРМ - 4М поз. 1 - 4.

Для измерения и регулирования давления пара используют комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДИ поз. 1 - 2; нормирующего преобразователя Астра - 4М поз 1 - 5; измеритель-регулятора ТРМ - 4М поз. 1 - 4 и мембранного измерительного механизма (МИМ) поз. 1 - 6.

Для измерения и регулирования расхода газообразного аммиака, воздуха, используется комплект приборов, состоящий из диафрагмы ДК поз. 2 - 1, 2 - 2, 2 - 3; измерительного преобразователя Сапфир 22ДД поз. 2 - 4, 2 - 5, 2 - 6; измеритель-регулятора ТРМ - 8М поз. 2 - 7; нормирующего преобразователя Астра 8М поз. 8 - 8 и МИМ поз. 2 - 9, 2 - 10, 2 - 11.

Для измерения температуры воздуха, очищенного "хвостового" газа, АВС, хвостового" газа из подогревателя, в котле-утилизаторе, газообразного аммиака, нитрозного газа используется комплект приборов состоящий из термопары ТХА поз. 3 - 1 ÷ 3 - 16 и измеритель-регулятора ТРМ - 8М поз. 3 - 9, 3 - 17.

Для измерения уровняжидкости в котлах-утилизаторах, абсорбционной еолонне, продувочной колонне используется комплект приборов, состоящий из измерительного преобразователя Сапфир 22ДУ поз. 4 - 1 ÷ 4 - 4 и измеритель-регулятора ТРМ - 4М поз. 4 - 5.

Для измерения концентрации кислоты и нитрозных газов используется комплект приборов, состоящий из концентратомер ПЖК поз. 5 - 2, 5 - 3, 5 - 4 и измеритель-регулятора ТРМ - 8М поз. 5 - 5.

Для измерения и регулирования концентрации азотной кислоты используется комплект приборов, состоящий из концентратомера ПЖК поз. 5 - 1, измеритель-регулятора ТРМ - 8М поз. 5 - 5, измерительного преобразователя

Астра 8М поз 5 - 6 и МИМ поз. 5 - 7.

Аналитический контроль

Аналитический контроль производства необходим для поддержания норм технологического режима и выпуска качественной продукции.

Таблица 4 - График аналитического контроля

Методы аналитического контроля.        Методы анализа качества сырья и продукции

Выполнение измерения массовой концентрации хлоридов в азотной кислоте меркуриметрическим методом (с нитропруссидом натрия).

Диапазон измерения массовой концентрации от 10 до 100 км/дм3. Продолжительность анализа 10 мин.

. Метод измерений.

Метод измерений титриметрический, основан на взаимодействии хлоридов с азотнокислой окисной ртутью с образованием малодиссоциированных молекул хлорида ртути.

2Cl-+Hg(NO3)2 HgCl2 +2NO3

Анализируемый раствор титруют раствором азотнокислой ртути в присутствии нитропруссида натрия, который взаимодействует с избытком ионов ртути с образованием белого нерастворимого осадка нитропруссида ртути.

. Реактивы.

Ртуть (ll) азотнокислая раствор с =1,35 моль/дм3.

Натрия нитропруссид раствор с массовой долей 10 % (импортный реактив).

. Требования безопасности.

Все операции по проведению анализа выполняют в соответствии с основными правилами безопасности работы в химической лаборатории.

Азотная кислота - жидкость желтоватого цвета с едким запахом.Ткип = 86о.Смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла. Сильно дымит на воздухе, выделяя окислы азота. Является сильным окислителем. ПДК (паров HNO3)=2 мг\м3

В лаборатории все работы с кислотой - под тягой. Растворы солей ртути являются ядами. При работе с солями ртути следует отходы сливать в бутыль с концентрированными растворами щелочи и в дальнейшем регенерировать.

. Отбор проб.

Пробу азотной кислоты отбирают из общего коллектора в специально отведенном месте. Пробоотборная точка оборудована напорным вентилем. Перед отбором пробы вентиль отворачивают и отмывают пробоотборную точку. Кислоту отбирают в толстостенную склянку с завинчивающейся или притертой пробкой, ополоснув анализируемой кислотой.

Объем пробы от 300 до 500 см3.

. Выполнение измерений.

Пипеткой помещают в колбу 10(25см3) HNO3 (в зависимости от концентрации хлоридов), наливают 30-40 см3 H2О, 3-4 капли нитропруссида натрия, перемешивают и титруют раствором азотнокислой ртути до появления слабой мути.

. Вычисление результатов измерений.

Массовую концентрацию хлоридов в азотной кислоте (мг/дм3)

,0000 - масса хлор-ионов, соответствующая 1 см3 раствора азотнокислой ртути.

У-объем пробы HNO3, см3..         Методика определения массовой доли оксида азота в HNO3 титриметрическим методом.

Диапазон от 0,02 до 0,6 %. Продолжительность анализа 30 мин.

.Метод измерений.

Метод измерений титриметрический, основан на окислительно-восстановительном взаимодействии перманганат-ионов с окислами азота

С последующим титрованием избытка марганцовокислого калия раствором сернокислого закисного Fe.

2.Реактивы - С

С

Fe р-р=С (FeSO4)=0.1 моль/дм3

.Отбор проб.

Пробу неконцентрированной азотной кислоты отбирают в склянку с притертой пробкой.

.Выполнение измерений.

В коническую колбу вместимостью 250 см3 вносят цилиндром 50 см3 р-ра KMnO4 +10 см3 H2SO4. Перемешивают , прибавляют 10 см3 HNO3 (исследуемой) при этом конец пипетки должен быть опущен в р-р во избежание потерь окислов азота. Колбу закрывают, энергично встряхивают в течение 3 мин. Содержимое колбы до полного поглощения окислов азота.

Титруют раствором сернокислого железа до обесцвечивания потом по каплям KMnO4 до розовой окраски.

.Вычисление результата измерений.

Массовую долю окислов азота %

С

V1 - суммарный объем раствора KMNO4, используемой в анализе, см3.- суммарный объем FeSO4 С (FeSO4)=0.1моль/дм3, см3.

,0046 - масса четырехоксид азота, соответствующая 1 см3 р-ра KMnO4,- объем HNO3, см3

плотность HNO3, г/см3.

III.     Методика определения массовой доли остатка после прокаливания в HNO3.

Методика предназначена для контроля одного из качественных показателей концентрированной азотной кислоты.

Принцип метода гравиметрический, основанный на определении изменения массы пробы в результате ее упаривания и прокаливания.

В интервале определяемых массовых долей остатка после прокаливания от 0,004 до 0,034% в концентрированной HNO3 пределы допустимого значения абсолютной суммарной погрешности результатов измерения не превышает 0,0014% при доверительной вероятности P=0.95. За результат анализа принимают среднее арифметическое двух параллельных определений, абсолютное расхождение между которыми не превышает значения допускаемого расхождения = 0,0022%. Навеска кислоты должна быть не менее 28.00г.

1. Отбор пробы

Отбор кислоты производят в бюкс, взвешивают, переносят кислоту в предварительно прокаленный и взвешенный тигель (выпарительную чашку) и вновь взвешивают.

.Алгоритм выполнения измерений

Навеску кислоты 30.000 г в выпарной чаше осторожно выпаривают досуха вначале на водяной, затем на песчаной бане.

Во время выпаривания над чашей помещают воронку.

Затем остаток прокаливают в электрической печи в течение 1 часа. После прокаливания чашу с остатком охлаждают в эксикаторе и взвешивают.

.Обработка результатов

Массовую долю остатка после прокаливания (Х)

Х,

где: m - масса навески кислоты, г;

m1 - масса чаши (тигля) с остатком после прокаливания, г;

m2 - масса пустой чаши.

Отходы производства, их применение

При производстве неконцентрированной азотной кислоты образуются твердые, жидкие и газообразные отходы.

Твердые отходы это, как правило, отходы отработанных катализаторов, бытовые отходы (макулатура, пищевые отходы), промышленный мусор (смет с пола, промасленная ветошь и т.д.), отходы образованные при выполнении ремонтных работ (огарки электродов, металлолом, прокладочный материал, сальниковая набивка и т.д.).

Твердые отходы собирают (с учетом их наименования) в контейнеры и отправляют в переработку, либо на захоронение.

Жидкие отходы это отходы отработанных масел и химзагрязненные воды образованные при смыве проливов азотной кислоты и при промывке аппаратов во время вывода оборудования в ремонт. Отходы отработанных масел собирают в баки для отработанного масла, затем их отправляют на регенерацию. Химзагрязненные воды собирают в нейтрализаторы, где проводят нейтрализацию присутствующей в них азотной кислоты, далее, путем разбавления водой доводят содержание вредных веществ до нормы, после чего сливают в химзагрязненную канализацию для последующей биохимической очистки.

Газообразные отходы в производстве азотной кислоты это очищенные «хвостовые» газы и вентиляционные выбросы, поступающие в атмосферу через, выхлопные и вентиляционные трубы из технологического цикла и производственных помещений.

В них содержатся оксиды азота, пары азотной кислоты, аммиак, абразивная пыль от заточных станков и т.д. Так как оксиды азота наносят большой вред окружающей среде то перед выбросом в атмосферу их востанавливают до элементарного азота и тем самым уменьшают содержание NO до 0,005%.

1.7   
Охрана труда и промышленная экология (ОТ)

Цех по производству слабой азотной кислоты относится к производствам с вредными и опасными условиями труда. Наличие в цехе агрессивных жидкостей, токсичных и горючих газов (аммиака, оксидов азота, паров азотной кислоты, природного газа, аммиачно-воздушной смеси, азотоводородной смеси); давление, высокой температуры в аппаратах, трубопроводов; большого количества оборудования и электрооборудования; приходных механизмов, обуславливает строгие соблюдения правил и норм техники безопасности, противопожарной безопасности, производственной санитарии, правил эксплуатации оборудования. Свойства токсичных, агрессивных, горючих и отравляющих жидкостей и газов необходимо знать и пользоваться необходимыми средствами защиты при работе с ними.

Основы техники безопасности

Открытые проемы в межэтажных перекрытиях, площадки, переходные мостики должны иметь ограждение высотой 1 метр и в нижней части ограждения должны располагаться бортик или защитная полоса высотой 150 мм от уровня пола.

Все фланцевые соединения напорных кислотопроводов должны иметь предохранительные кожуха.

Все движущиеся и вращающиеся части насосов, вентиляторов должны иметь надежное ограждение.

Подтягивание болтов фланцевых соединений трубопроводов, а также производство работ на оборудовании, находящихся в рабочем состоянии, под давлением не допускается.

При необходимости использования пара через резиновые шланги необходимо:

проверить прочность, исправность шланга;

полотно прикрепить его к патрубку паровой линии специальными хомутами;

проводить работы с минимальным давлением пара в шланге, а при работе на высоте - с лестницы, в обязательном присутствии дублера.

Строго следить за поддержанием соотношения аммиака в воздушноаммиачной смеси в пределах нормы. Повышенное содержание аммиака в АВС может привести к взрыву. В процессе работ запрещается отключать приборы, сигнализацию и блокировки, т. к. это может привести к взрыву аммиачновоздушной смеси.

Содержать в чистоте и боевой готовности средства пожаротушения и связи, не загромождать к ним подходы.

. Имеются следующие средства пожаротушения и связи:

ящики с пожарным песком, совки;

огнетушители ОУ-5;

асбестовое полотно;

пожарные извещатели;

Не загромождать обслуживаемые площадки и проходы.

На рабочем месте должно быть чисто на протяжении всего рабочего дня.

В зимнее время расчищать от снега и наледей, посыпать песком пешеходные дорожки и обслуживаемые площадки.

Следить за исправностью заземления электрооборудования, аппаратов, трубопроводов.

В случае разлива кислоты немедленно перекрыть ее поступление к месту разлива, нейтрализовать ее содой, смыть оборотной водой.

Защита от поражения электрическим током

Для человека представляет опасность ток силой более 0,05 А и напряжением более 12 В.

Неосторожное обращение с электрическими приборами и проводами, находящимися под напряжением, может привести к местному ожогу или общему поражению человека током, даже со смертельным исходом при 0,1 А. Ток особенно опасен в условиях повышенной влажности воздуха. При этом под напряжением могут оказаться не только токоведущие части электрооборудования, но и посторонние металлические предметы.

Оказывая помощь пострадавшему, необходимо помнить, что нельзя прикасаться голыми руками к человеку, находящемуся под напряжением. Вначале следует выключить рубильник на участке, где произошло поражение током, если это невозможно, необходимо от пострадавшего отсоединить источник тока с помощью неэлектропроводных подручных средств.

Основы пожарной безопасности

Пожары могут возникнуть по различным причинам:

короткое замыкание при неисправности электрооборудования или повреждении электропроводки;

из-за перегруза электродвигателей;

при самовоспламенении горючих материалов, пропитанных азотной кислотой, шлаковаты;

при проведении газо- и электросварочных работ вблизи мест нахождения горючих веществ, загорании смазки, применяемой для смазки подшипников.

Основными условиями, обеспечивающими противопожарную безопасность, являются:

точное соблюдение технологического режима;

поддержание электрооборудования и электропроводки в исправном состоянии;

выполнение требований пожарной безопасности при выполнении огневых работ;

соблюдение чистоты рабочих мест.

При порыве уплотняющих прокладок на кислотных коммуникациях следует принимать меры к тому, чтобы кислота не попала на электрические кабели. При воспламенении электрических проводов необходимо отключить их от источника и тушить пламя полотном из стеклоткани, порошковым или углекислотным огнетушителем.

Загоревшуюся ветошь, пропитанную маслом, масло в таре нельзя тушить водой. Для этой цели надо применять песок, углекислотные огнетушители.

Все посторонние лица должны быть удалены с территории цеха.

О возникновении пожара немедленно сообщить в пожарную часть по телефону 40 - 41, 01 или вызвать пожарную часть по пожарному извещателю, расположенному вблизи очага загорания. До ее прибытия для ликвидации пожара следует применять имеющиеся противопожарные средства: углекислотные огнетушители, полотна из стеклоткани, песок, воду.

Основы взрывоопасности

Взрывы могут произойти по следующим причинам:

выделение газообразного или жидкого аммиака при нарушении герметичности коммуникаций, аппаратов КАПА, УПА, подогревателя жидкого аммиака поз.101, поз. 21, поз.22, образование взрывоопасной концентрации аммиак-воздух;

выделение азотоводородной смеси, водорода для розжига контактных аппаратов при нарушении герметичности, образование взрывоопасной концентрации водород-воздух;

выделение природного газа при нарушении герметичности коллектора подачи природного газа к камере сгорания турбины, образование взрывоопасной концентрации природный газ-воздух;

нарушение соотношения аммиак-воздух в смесителях, образование взрывоопасной концентрации аммиак-воздух, взрыв в контактном аппарате.

Основными условиями, обеспечивающими взрывобезопасность, являются:

точное соблюдение технологического режима;

поддержание в работоспособном состоянии систем противоаварийной защиты;

строгий контроль за герметичностью аппаратов, коммуникаций, содержащих взрывообразуемые среды;

проведение продувок аппаратов и коммуникаций от природного газа, азотоводородной смеси, аммиака только через свечи в атмосферу;

эксплуатация аппаратов, работающих под давлением, согласно действующим "Правилам устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением";

эксплуатация газопроводов для горючих газов (природный газ, аммиак, азотоводородная смесь) согласно "Правилам устройства и безопасной эксплуатации технологических трубопроводов".

Производственная санитария

Производство слабой азотной кислоты под давлением 0,716 МПа связано с выбросом отработанных «хвостовых» газов в атмосферу и сбросом сточных вод в канализацию, являющимися отходами производства.

Для предотвращения загазованности территории предприятия и окружающих жилых кварталов предусмотрена каталитическая очистка «хвостовых» газов после абсорбционных колонн природным газом на двухступенчатом катализаторе очистки до остаточного содержания оксидов азота - не более 0,005% об., аммиака - не более 0,015% об.

Выброс очищенных «хвостовых» газов осуществляется через трубу высотой 150 м.

Стоки из цеха выводятся по трем видам канализаций: химгрязной, промливневой, хозфекальной.

В канализацию химгрязных сточных вод поступают стоки из нейтрализаторов, в один из них поступают сбросные воды из производственного корпуса, которые предварительно собираются в технологическом канале и насосом откачиваются в нейтрализатор подается известковое молоко. В другой нейтрализатор загружен доломит. Туда поступают стоки из корпуса бытовых и вспомогательных помещений: два вывода из лаборатории помещений: два вывода из лаборатории регенерации катализаторных сеток, аккумуляторной. Постоянных хнологических стоков из цеха в химгрязную канализацию нет.

В канализацию промливневых сточных вод поступают: сбросные воды из бака-барботера, внутренние водостоки с крыш производственного корпуса отделений конверсии и турбокомпрессии, от питьевых фонтанчиков, атмосферные осадки, ливневые стоки с блока бытовых и вспомогательных помещений, с лотка насоса .

В хозфекальную канализацию сбрасываются стоки из производственного и бытового корпуса.

На складе азотной кислоты предусмотрена бессточная схема. Канализационные коллекторы и колодцы отсутствуют. Проливы кислоты и смывные воды из насосных складов собираются в дренажных баках, откуда насосами откачиваются в хранилища склада.

Проливы кислоты из хранилищ азотной кислоты собираются в поддонах и далее насосами могут быть откачаны в хранилища .

В случаях аварийных остановок агрегатов нитрозные газы через электрозадвижку сбрасываются в атмосферу, кислота из абсорбционной и продувочных колонн дренируется в дренажный бак, откуда насосом откачиваются в хранилища склада.

При остановках на ремонт, для освобождения коммуникаций и аппаратов от жидкого аммиака, предусмотрена аварийная емкость аммиака, снабженная паровым змеевиком. Испарившийся аммиак выдается в общую сеть давлением не более 0,5 МПа.

Жидкий аммиак - при температуре минус 77,70С он превращается в белоснежную кристаллическую массу. Попадая на кожу, он вызывает сильные ожоги. В этом случае необходимо сначала насухо вытереть обожженное место чистой тканью, промыть водой, смазать сульфидиновой эмульсией и обратиться в медпункт. При попадании брызг в глаза следует немедленно промыть их водой и обратиться в медпункт. При работе с жидким аммиаком необходимо пользоваться резиновыми перчатками, фартуком. Сапогами и защитными очками, иметь при себе противогаз марки КД или М.

Газообразный аммиак в смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь (17 - 20% об. аммиака). При отравлении им наблюдается раздражение слизистых оболочек, кашель, боль в груди, головокружение, тошнота, рвота. При тяжелых отравлениях может быть отек легких. Пострадавшего необходимо немедленно вывести на свежий воздух, дать кислородную подушку, вызвать врача. ПДК аммиака в воздухе производственных помещений 20 мг/м3. Средства защиты: фильтрующий противогаз марки КД или М, резиновые перчатки, сапоги.

Оксиды азота - выделяются из аппарата в виде диоксида азота - газа красно-бурого цвета. Они раздражающе действуют на легкие, в тяжелых случаях вызывают их отек. Пострадавшего необходимо вынести из загазованного помещения, дать кислородную подушку, обеспечить покой и тепло. отравление оксидами азота опасно тем, что последствия его могут сказаться не сразу после отравления, а через некоторое время, поэтому пострадавший должен находиться под медицинским наблюдением в течении последующих двух сеток. признаки отравления оксидами азота: тошнота, рвота, головная боль. Средства защиты: противогазы марки В или М. ПДК оксидов азота в производственных помещениях 5,0 мг/м3 (в пересчете на диоксид азота).

Азотная кислота - вызывает ожоги кожного покрова и слизистых оболочек. Животные и растительные ткани при воздействии азотной кислоты разрушаются. Органические вещества: бумага, масла, опилки - при соприкосновении с концентрированной азотной кислотой самовозгорают. При попадании кислоты на кожу необходимо немедленно обмыть пораженное место водой, смазать вазелином и обратиться в медпункт. При попадании брызг кислоты в глаза, их необходимо промыть большим количеством воды и обратиться в медпункт. Средство защиты: противогазы марки. В и М.

Природный газ - в смеси с воздухом горит и взрывается. Температура воспламенения 5370С. Предел взрываемости 4,9 - 15,98% об. Природный газ производит отравляющее воздействие на организм человека, в больших концентрациях - удушье. Средства защиты: противогазы марки СО и М, при высоких концентрациях - изолирующие противогазы.

Азот - бесцветный газ, не имеющий запаха, легче воздуха. Атмосфера, обогащенная азотом, вредно действует на организм человека, т. к. с увеличением содержания азота в атмосфере уменьшается содержание кислорода. При удушье в атмосфере азота необходимо надеть изолирующий противогаз; пострадавшего вынести из зоны загазованности, вызвать скорую помощь, если необходимо, то сделать искусственное дыхание. Для обеспечения нормального режима работы в производстве слабой азотной кислоты необходимо выполнять следующие условия:

- строгое выполнение технологического регламента, рабочих инструкций по ТБ, ПБ, производственной санитарии, общих инструкций по предприятию при выполнении работ в газоопасных местах, инструкций по стадиям и видам ремонтов оборудования, огневых работ, работ на высоте и др. в соответствии с перечислением обязательных инструкций.

- К работе допускаются лица, прошедшие стажировку на рабочем месте и сдавшие экзамен на допуск к самостоятельной работе

- Все работы, связанные со слабой азотной кислотой, производятся в противогазе, защитных очках и в рукавицах.

- Вся электропусковая аппаратура и электродвигатели должны иметь заземления.

.      
Расчетная часть

2.1   Материальный баланс

Предварительный расчет

Исходные данные:

Производительность агрегата по азотной кислоте в расчете на

моногидрат, т/сутки …………………………………………………990

Степень окисления аммиака, доли единиц………………………..0,97

Степень абсорбции диоксида азота, доли единиц………………...0,99

Объемная доля аммиака в аммиачно-воздушной смеси СNH3, %.........11

Водяные пары воздуха, %........................................................................1,91

Давление в системе, МПа……………………………..………….…….0,73

Часовая производительность установки составит:

/24 = 62,5 т/час

где: 24 - количество часов в сутках.

Определим количество агрегатов обеспечивающих данную производительность

,5/14,7 = 4,25 агрегатов

где: 14,7 - часовая производительность (заводские данные).

Принимаем 5 агрегатов, тогда производительность 1 агрегата, с учетом заданной производительности составит:

,5*1000/5 = 12500 кг/ч

Материальный баланс контактного аппарата

Расход аммиака на заданную производительность определяют из уравнения реакции:

Теоретический расход:

где:  - молярная масса аммиака,

 - молярная масса азотной кислоты.

Тогда

Фактический расход аммиака с учетом степени конверсии и абсорбции составит:

где:  - теоретический расход аммиака, кг

Отсюда

Кроме того, около 1% аммиака, то есть  превращается в кислоту и теряется после абсорбционной колонны. Таким образом фактический расход аммиака составит:

 или

где: 22,4 - объем, который занимает 1 моль газа,л.

Количество аммиачно-воздушной смеси, поступающей на окисление:

где:  - фактический расход аммиака, м3.

Следовательно

В этом количестве аммиачно-воздушной смеси содержится воздуха:

Отсюда

Состав воздуха, поступающего на конверсию:

количество паров

где:  - количество водяных паров воздуха, %;

тогда

количество кислорода

где:  - содержание кислорода в воздухе, в долях единиц;

или 22559,4 кг/ч; 361,2 моль.

количество азота

или 38205,1 кг/ч; 2364,5 моль.

Состав нитрозных газов, образующихся в результате окисления аммиака. основные реакции протекающие в контактном аппарате:

По первой реакции окисляется 97% аммиака, по второй - 3%. Состав нитрозных газов определяется стехиометрическим соотношением в этих иреакциях:

количество образующегося оксида азота (по реакции (1)):

где:  - степень окисления аммиака, в долях едениц;

тогда

количество образующегося азота (по реакции (2)):

 (24)

Всего азота в нитрозных газах:

количество образующихся водяных паров (по реакциям (1)и(2))

Всего водяных паров в нитрозных газах:

 или 6475,7 кг/ч; 358, 8 моль

Количество расходуемого кислорода

по реакции (1):

по реакции (2):

Полученные результаты сведем в таблицу.

Таблица 5 - Материальный баланс контактного аппарата

Всего кислорода в нитрозных газах:

,7 - (5905,7 + 109,6) = 2043,4 м3/ч

Материальный баланс котла-утилизатора

Нитрозные газы из контактного аппарата поступают в котел-утилизатор. В нем оксид азота частично окисляется до диоксида азота

На это расходуется кислорода:

Результаты сведем в таблицу.

Таблица 6 - Материальный баланс котла-утилизатора

.2 Тепловой баланс

Тепловой баланс контактного аппарата

Определим приход тепла, выделяющегося по реакциям:

Приход тепла по первой реакции:

по второй реакции:

где: 4,1=(1368,6 - 1364,5) моль .

Приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат, рассчитывается по формуле:

где:  - количество поступающей аммиачно-воздушной смеси, моль;

 - средние мольные теплоемкости компонентов аммиачно-воздушной смеси, в пределах от 0 до 250°С;

 - температура смеси, °С.

Определим расход тепла  с уходящими газами от сеток нитрозными газами при температуре конверсии 900°С, принимая следующие мольные теплоемкости компонентов нитрозного газа в пределах 0 - 900°С [в Дж/(моль·градус)]:……………………31,9

H2O……………………38,0

O2……………………..32,6

N2……………………...31,0

Потери тепла за счет излучения , вызывающие снижение температуры сеток, составляет 5%:

Исходя из количества поступающеготепла, можно определить температуру  аммиачно-воздушной смеси, поступающей в конвертор:

По результатам выполненных расчетов составим таблицу теплового баланса контактного узла.

Таблица 7 - Тепловой баланс контактного узла

Тепловой баланс котла-утилизатора

Запишем уравнение теплового баланса котла-утилизатора:

Qнг + Qпв = Q'нг + Q'кв + Q'пп + Q'фп + Q'пот

где: Qнг - тепло вносимое в котел с входящими нитрозными газами, кДж; Qпв - тепло вносимое в аппарат с входящей питательной водой, кДж;'нг - тепло уносимое из аппарата с уходящими нитрозными газами, кДж; Q'кв - тепло уносимое из аппарата с уходящей котловой водой, кДж;'пп - тепло уносимое из аппарата с уходящим перегретым паром, кДж;'фп - тепло поглощаемое при физоческом процессе (кипении), кДж;'пот - потери тепла в окружающую среду, кДж.

Определим количество теплоты, вносимое в аппарат с входящими нитрозными газами:

Qнг = (Σ (N (нг) i· Ср (нг) i)) · t нг

где N(нг) i - количество вещества компонентов нитрозного газа, моль;

Ср(нг) i - мольная теплоемкость компонентов нитрозного газа, Дж/(моль·К);

t нг - температура входящих нитрозных газов, оС.

Принимаем состав нитрозных газов на входе в котел-утилизатор:

Таблица 8 - Состав нитрозных газов на входе в котел-утилизатор

Для компонентов нитрозного газа запишем коэффициенты уравнения Ср = ƒ(Т):

Таблица 9 - Коэффициенты уравнения Ср = ƒ(Т)

Теплоемкость компонентов входящего нитрозного газа выражается уравнением:

Срi = аi + bi·T + ci·T2 + c'i/Т2 (32)

где Т - температура газа , К.

Ср(NO) = 29,58 + (3,85·10-3)·1173 - (0,59·105)/(1173)2 = 34,053 Дж/(моль·К)

Ср(NO2)=29,68 + (3,95·10-3)·1173 - (0,79·105)/(1173)2 = 34,256 Дж/(моль·К)

Ср(O2) = 31,46 + (3,39·10-3)·1173 - (3,77·105)/(1173)2 = 35,162 Дж/(моль·К)

Ср(N2) = 27,88 + (4,27·10-3)·1173 = 32,889 Дж/(моль·К)

Ср(Н2O) = 30,00 + (10,71·10-3)·1173 +(0,33·10-6)· (1173)2=43,017 Дж/(моль·К)

Таким образом, количество тепла вносимое в аппарат с нитрозными газами составит:

Qнг= ((93,4) · (34,053) + (32,6) · (35,162) + (1364,5) · (32,889) + (120,2)·(34,256)+ +(408,55) · (43,017)) · 900 = 61919063,73 кДж

Определим количество теплоты, вносимое в аппарат с входящей питательной водой:

Qпв = (Nпв · Ср(пв) ) · t пв (33)

где Nпв - количество вещества питательной воды, моль;

Ср(пв) - мольная теплоемкость питательной воды, Дж/(моль·К);

t пв - температура входящей питательной воды, оС.

Для питательной воды запишем коэффициенты уравнения

Ср = ƒ(Т) [3]:

Таблица 10 - Коэффициенты уравнения Ср = ƒ(Т)

Подставив значения из таблицы (4.3) в уравнение (3) получим:

Ср(пв) = 39,02 + (76,64·10-3)·377 +(11,96·10-6) · (377)2 = 69,613 Дж/(моль·К)

Таким образом, количество тепла вносимое в аппарат с питательной водой составит:

Qпв = (24500)·(69,613)·(104)/(18) = 9854106,889 кДж

Определим количество теплоты, уносимое из аппарата с уходящими нитрозными газами:

Q'нг = (Σ(N'(нг) i· С'р(нг) i)) · t' нг

где N'(нг) i - количество вещества компонентов нитрозного газа, моль;

С'р(нг) i - мольная теплоемкость компонентов нитрозного газа, Дж/(моль·К);

t' н г - температура уходящих нитрозных газов, оС.

Теплоемкость компонентов уходящих нитрозных газов выражается уравнением (3), подставив в него значения из таблицы (4.2), получим:

Ср(NO) = 29,58 + (3,85·10-3)·533 - (0,59·105)/(533)2 = 31,424 Дж/(моль·К)

Ср(NO2)=29,68 + (3,95·10-3)·533 - (0,79·105)/(533)2 = 31,507 Дж/(моль·К)

Ср(O2) = 31,46 + (3,39·10-3)·533 - (3,77·105)/(533)2 = 31,940 Дж/(моль·К)

Ср(N2) = 27,88 + (4,27·10-3)·533 = 30,156 Дж/(моль·К)

Ср(Н2O) = 30,00 + (10,71·10-3)·533 +(0,33·10-6)· (533)2 = 35,802 Дж/(моль·К)

Таким образом, количество тепла уносимое из аппарата с нитрозными газами составит:

Q'нг= ((93,4) · (31,424) + (32,6) · (31,940) + (120,2)·(31,507) + (1364,5) · (30,156) + +(359,8) · (35,802)) · 260 = 16066130,24 кДж

Определим количество теплоты, уносимое из аппарата с уходящей котловой водой:

Q'кв = (N'кв · С'р (кв)) · t' кВ

где N'кв - количество вещества котловой воды, моль;

С'р(кв) - мольная теплоемкость котловой воды, Дж/(моль·К);

t' кв - температура уходящей котловой воды, оС.

Подставив значения из таблицы (4.3) в уравнение (3) получим:

С'р(кв) = 39,02 + (76,64·10-3)·377 +(11,96·10-6) · (377)2 = 69,613 Дж/(моль·К)

Таким образом, количество тепла уносимое из аппарата с котловой водой составит:

Q'кв = (1050) · (69,613) · (104) / (18) = 422318,8667 кДж

Определим количество теплоты, уносимое из аппарата с уходящим перегретым паром:

Q'пп = (N'пп · С'р (пп)) · t' пп

где N'пп - количество вещества перегретого пара, моль;

С'р(пп) - мольная теплоемкость перегретого пара, Дж/(моль·К);

t' пп - температура уходящего перегретого пара, оС.

Подставив значения из таблицы (4.2) в уравнение (3) получим:

С'р(пп) = 30,00 + (10,71·10-3)·523 +(0,33·10-6) · (523)2 = 35,692 Дж/(моль·К)

Таким образом, количество тепла уносимое из аппарата с прегретым паром составит:

Q'пп = (19540) · (35,692) · (250) /(18) = 10182134,44 кДж

Определим количество теплоты, затраченное на образование перегретого пара:

Q'фп = mпп· (I- (С'р(пп) · tпв )/18)

где mпп - масса перегретого пара, кг;

I - энтальпия перегретого пара составляет 2916,5 кДж/кг;

- молекулярный вес воды, кг/кмоль.

Таким образом, количество тепла затраченное на образование прегретого пара составит:

Q'фп = 19540 ·(2916,5 - (69,613 · 104)/18) = 45257248 кДж

Из уравнения теплового баланса (1) определим потери тепла в окружающую среду:

Q'пот = (Qнг + Qпв ) - ( Q'нг + Q'кв + Q'пп + Q'фп)

Q'пот = (61919063,73 + 9854106,889) - (16066130,24 + 422318,8667 + 8923000 + +45257248) = 1104473,509 кДж

Потери тепла в окружающую среду не должны превышать 5 % от общего прихода тепла:

((Q'пот ) / (Qнг + Qпв )) · 100 % ≤ 5 %

((1104473,509) / (61919063,73 + 9854106,889)) · 100 % = 1,54 % , что довлетворяет поставленному условию.

Составим таблицу теплового баланса:

Таблица 11 - Таблица теплового баланса

.3 Конструктивный расчет

Если применяется комбинированный катализатор (платиноидные сетки и слой неплатинового катализатора - активного и стойкого при данной температуре).

Количество платиноидных сеток диаметром нитей 0,009 см должо состовлять не менее половины от нормельного расчетного количества.

Слой неплатинового катализатора в 50 мм заменяет две платиноидные сетки. Высота слоя в данном случае активированного и термостойкого железоалюминиевого катализатора составит

где:  - количество сеток, шт.;

тогда

Определим объем катализатора  в контактном аппарате и время контакта t газа с катализатором по следующим исходным данным:

Производительность конвертора 300000 кг/сутки

Давление 0,73 МПа

Температура 900 °С

Объемная скорость (согласно регламенту цеха)

Степень превращения 97%

На 1 т азотной кислоты расходуется 3637 м3 аммиачно-воздушной смеси.

Зная производительность конвертора 12500 кг/ч, найдем расход циркулирующего газа с учетом степени превращения:

Объем катализатора:

Время конверсии t при температуре окисления аммиака 900°С можно определить по уравнению

где: α - выход оксида азота,%.

При выходе оксида азота, равном 97%

отсюда

Площадь сечения Ѕ конвертора будет ровна:

где:  - объем аммиачно-воздушной смеси при 0°С равен

 - температура конверсии, К;

 - количество сеток, шт.;

 - диаметр проволоки сетки, см.;

 - давление газа при конверсии, н/м2;

 - число плетеней на 1 м2 сетки.

Подставив эти величины в формулу, определим площадь сечения аппарата:

Принимаем по справочным данным площадь сечения аппарата равное 5,0 м2.

Диаметр контактного аппарата определяется по уравнению

откуда

Поверхность 1 м2 площади сетки составит:

Общая поверхность сеток составит

Количество аммиака сжигаемого в сутки в одном контактном аппарате,

Напряженность катализатора

Для определения размеров штуцеров входа АВС и выхода нитрозного газа обычно применяют линейную скорость его в сечении штуцера равной от 5 до 10 м/секунду

отсюда

где:  - объемный расход газа при рабочих условиях, м3/с;- скорость газа в сечении штуцера, м/с.

Обыем газа на входе в аппарате равен:

где: 50°С температура аммиачно-воздушной смеси.

Принимая скорость газа в сечении штуцера 10 м/с, получаем:

Объем газа после окисления при 900°С:

Необходимый диаметр штуцера для выхода газа из контактног аппарата при скорости газа в нем 10 м/с:

Найдем высоту колонны:

Н = 6800 мм.

Принимаем по справочным данным высоту равную 6800 мм.

Расчет основных расходных коэффициентов

Расчет теоретических расходных коэффициентов

Теоретические расходные коэффициенты считают по суммарному уравнению

 (4)

Расчет практических расходных коэффициентов

Рассчитываем практические расходные коэффициенты на основании данных материального баланса.

Производительность одного агрегата - 12,5 т/ч.

Где: 270 - расход аммиака.

Где: 8,436 - расход кислорода.

.4 Экономический расчет

грамм неплатинового катализатора ИК - 42 - 1 заменяют две сетки платинового катализатора. Стоимость одной сетки плитинового катализатора 4800000, а стоимость 375 грамм катализатора ИК - 42 - 1 - 750000 руб.. В год меняют 4 сетки платинового катализатора, значит мы экономим две сетки в год, следовательно экономим в год 9600000 руб.

Вобщем мы экономим за год

В кратковременном периоде предприятие может изменить только часть издержек производства (переменных издержек) в связи с необходимостью изменения объёма выпуска продукции. Для исследования зависимости издержек от объёма производства можно условно задать несколько значений объёма выпуска продукции и при этих объёмах рассчитать соответствующие значения условно-постоянных и условно-переменных издержек на ед. продукции.

Удельные условно-переменные издержки при различных объёмах выпуска продукции одинаковы, т. к. расходные коэффициенты не зависят от объёма выпуска продукции. Исследования проводим на основании месячной планово-заводской калькуляции, которая приведена в таблице.

Таблица 12 - Калькуляция себестоимости производства

Таблица - Издержки производства на единицу продукции

На основании данных таблицы строится график зависимости издержек производства от объёма выпуска продукции.

Исследования:

При сложившейся цене на рынке  рублей.. Принимаем объем продукции  при этом себестоимость равна 460,08руб., по графику прибыль равна:

Принимаем объём продукции , себестоимость будет равна  руб.

Предположим, цена на рынке упадёт до 560 руб. .

Принимаем, тогда себестоимость будет равна 460,08 руб.

Принимаем , себестоимость равна  руб.

при /сутки, себестоимость равна  руб.

Расчёты показали, что при сложившейся цене на рынке 571,77 руб. предприятие будет иметь удовлетворительную рентабельность () при объёме выпуска в  т/сутки. Если предприятие будет иметь возможность продать большее количество продукции, то рентабельность, а следовательно и прибыль, возрастут.

Если же цена упадёт до 550 руб., то при объёме выпуска в  т/сутки рентабельность будет только %, и видим, что при увеличении объёма рентабельность значительно увеличивается.

Но если объём максимальный, то рентабельность повысится еще, до  %.

Заключение

В данном дипломном проекте применен неплатиновый катализптор ИК - 42 - 1 (заменены 6 сеток платинового катализатора неплатиновым). Это позволяет снизить потери платиноидов и затраты на дорогостоящий платиновый катализатор. Срок службы платинового катализатора 4000 часов, а неплатинового - 8000 часов.

Список используемых источников

1.   Чернышев А., Буслаев А., Тарасова Л. Материалы научно-практической конференции «Производство азотной кислоты» - М.: Химия и бизнес, 2002. 67 с.

2.      Постоянный технологический регламент по производству неконцентрированной азотной кислоты в агрегатах УКЛ-7 под единым давлением 0,7 МПа.

.        Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности. /Под ред. В.М. Олевского .- М.: Химия, 1985. 193с.

4.   Атощенко В.И., Каргин С.И. «Технология азотной кислоты». Издательство «Химия», М.,1970. 494с.

5.      Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 10-е, испр. и доп./ Под ред. А.А.Равдаля и А.М.Пономаревой - СПб.: Иван Федоров, 2002, 240 с.

6.   Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. «Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии». Изд. 7-е. Л.: Химия, 1970. 624с.

7.      Справочник азотчика, т. 2/Под ред. Е.Я. Мельникова - М.: Химия, 1967, 492с.

8.      Касаткин А.Г. «Основные процессы и аппараты химической промышленности». - М.: Химия, 1971, 784с.

9.      Дыбина П.В. «Расчеты по технологии неорганических веществ» - М.: Высшая школа, 1966. 523с.

10.    Лащинский А.А., Толщинский А.Р. «Конструктирование сварных химических аппаратов». Машиностроение, 1981. 72с.

11.    Мельников Е.А. «Технология неорганических и минеральных удобрений», М.: Химия, 1983. 432с.

12.    «Основные процессы и аппараты химической технологии». Под ред. Ю.И. Дытнерского, - М.: Химия, 1983.348с.

13.    Кузнецов А.А., Кагерманов С.М., Судаков Е. Н. «Расчеты процессов и аппаратов нефтеперерабатывающей промышленности». Изд. 2-е, перер. И доп. Л.: Химия, 1974. 340с.

14.    Иоффе И.Л. «Проектирование процессов и аппаратов химической промышленности». - Л.: Химия, 1991. 352с.

15.    Голубятников В.А., Шувалов В.Р. «Автоматизация производственных процессов и УСУП в химической промышленности» [Учебник для химико-технологических техникумов]. М.: Химия, 1987.

16.    «Расчеты по технологии неорганических веществ». Под общей ред. Поф., М.Е. Позина, М - Л.: Химия, 1966.