Основы прикладной химии Лекция 3 Технология связанного азота

Основы прикладной химии Лекция 3 Важнейшие химические производства. Анализ важнейших химических производств, обоснование выбора условий и типов реакционных узлов - в них построены на основе положений теории химических процессов и теории реакторов. По характеру образующихся продуктов рассматриваемые производства подразделены на две группы: неорганические и органические производства, причем объектами изучения являются многотоннажные производства.

Основы прикладной химии Лекция 3 Технология связанного азота. Под связанным азотом понимают азот, находящийся в виде соединений с другими элементами – аммиака, азотной кислоты, карбамида, аминов, аминокислот, белков и т.д. Азот является одним из 4-х элементов, без которых невозмож- но существование живой материи. Вовлечение азота в геобиохимические циклы осуществляется в природе путем его фиксации из атмосферы некоторыми почвенными микроорганизмами. Тем не мене количество атмосферного азота, фиксируемого этими микроорганизмами, не соответствуют потребностям современной цивилизации. В этой связи перевод атмосферного азота в его соединения в промышленных масштабах является глобальной практической задачей, решение которой нацелено на производство азотных удобрений, восполняющих дефицит связанного азота в почве.

Основы прикладной химии Лекция 3 В настоящее время доминирующим методом фиксации атмосферного азота является процесс соединения азота с водородом с получением аммиака.

Основы прикладной химии Лекция 3 Теоретические основы синтеза аммиака, обоснования выбора параметров процесса. Синтез аммиака протекает в соответствии со стехиометрическим уравнением: (1) Эта реакция обратимая, экзотермическая и сопровождается уменьшением объема. Реакция протекает на катализаторе – пористом железе с добавлением стабилизирующих и промотирующих добавок (Al 2 O 3, K 2 O, CaO, SiO 2 и др.). Он активен и термически устойчив в области температур 650 – 830 К. Соединения серы отравляют катализатор необратимо, а кислород и некоторые его соединения, особенно СО – обратимо, но очень быстро и даже в ничтожно малых концентрациях.

Основы прикладной химии Лекция 3 Температура является фактором скорости процесса, однако с ростом температуры равновесие реакции смещается в сторону реагентов. Это обусловливает наличие оптимальной температуры процесса, обеспечивающей максимальную производительность. На практике диапазон оптимальных температур составляет С в зависимости от совокупности других параметров.

Основы прикладной химии Лекция 3 Давление является одновременно и фактором скорости и фактором смещения равновесия в сторону продуктов реакции. Особенно важна последняя функция давления, т.к. благодаря повышению давления компенсируется негативное действие температуры как фактора смещения равновесия в сторону исходных реагентов. Высокое давление также благоприятствует конденсации аммиака на последующих стадиях. Сверху давление ограничивается увеличением расходов на компримирование и ускорением износа оборудования. Учет влияния всех противоборствующих факторов обусловливает выбор оптимального значения давления. На практике работают при давлениях 30 – 32 МПа.

Основы прикладной химии Лекция 3 Соотношение реагентов выбирают исходя из требований стехиометрии и максимальной про- изводительности, которая как раз соответствует стехиометрическому соотношению.

Основы прикладной химии Лекция 3 Объемная скорость является фактором увеличения производи- тельности реактора, т.к. величина определяющая производительность, возрастает. Снижение конверсии исходной смеси в аммиак перекрывается ростом объемной скорости W. Поскольку с ростом объемной скорости газового потока возрастает объем непрореагировавших газов, которые необходимо возвращать в цикл, то это приводит к увеличению энергозатрат на транспортировку газов, их нагревание, охлаждение, увеличение размеров трубопроводов и реакционной аппаратуры. Другим серьезным препятствием к увеличению объемной скорости является нарушение автотермичности режима из-за снижения тепловыделений. На практике работают с оптимальными значениями W ч -1 которому соответствует степень превращения азота 27 – 28%.

Основы прикладной химии Лекция 3 Высокие объемные скорости в сочетании с соблюдением оптимального температурного режима, применение азото-водородной смеси высокой степени чистоты и использованием достаточно активных контактных масс должны обеспечить большую производительность цехов синтеза аммиака при высоких экономических показателях процесса.

Основы прикладной химии Лекция 3 Сырье для синтеза аммиака. В качестве исходной смеси в процессе синтеза аммиака используется азото-водородная смесь. Водород получают конверсией метана Обе реакции протекают совместно, при этом в целях значительного связывания метана процесс ведут при высоких температурах К, обеспечивающих практическое смещение равновесия (2) в правую сторону.

Основы прикладной химии Лекция 3 Процесс ведут в трубчатом реакторе, через межтрубное пространство которого циркулируют горячие топочные газы, образующиеся при горении природного газа в факе- льных горелках, расположенных в верхней части реактора. С целью форсирования процесса до образования водорода и связывания СО (контактный яд) выходящий из реактора газ поступает на 2-ю ступень конверсии в реактор адиаба- тического типа. Здесь для поддержания необходимой температуры в реак- ционной зоне (1230 – 1280 К) в реактор подается воздух. Необходимое тепло аккумулируется за счет частичного сжигания природного газа.

Основы прикладной химии Лекция 3 С другой стороны, последняя реакция (4) явля- ется источником образования необходимых для реакции (2) и (3) водяных паров. Поскольку вместе с воздухом в реактор подает- ся азот, конвертор 2-ой ступени выполняет одновременно функцию выделения азота из воздуха. Чтобы сформировать стехиометрическую смесь Н 2 : N 2 = 3 : 1 воздуха подается столько, сколько требует стехиометрия процесса синтеза аммиака (1).

Основы прикладной химии Лекция 3 Конвертированный газ содержит СО 2 (17 – 18 об.%) и СО (0,3 – 0,5 об. %). Первая примесь является балластом для синтеза аммиака. Многократный рецикл азотоводородной смеси содержащий СО 2 может привести к прогресси- рующему накоплению СО 2 в рециркуляте. Это приведет к снижению скорости реакции и смещению равновесия (1) в нежелательную левую сторону. Вторая примесь, СО, является катализаторным ядом.

Основы прикладной химии Лекция 3 В этой связи, водород, поступающий на синтез, подлежит очистке от СО 2 и СО. От диоксида углерода освобождаются абсорбцией 19 – 21% раствором моноэтаноламина (NH 2 CH 2 CH 2 OH). Абсорбцию ведут при низких температурах обеспечивающих смещение равновесия (5) в сторону продукта карбонизации.

Основы прикладной химии Лекция 3 Полученный абсорбат подвергают десорбции при более высокой температуре смещая рав- новесие (5) в левую сторону. Образующийся в результате чистый СО 2 явля- ется товарным продуктом и может использова- ться как реагент (синтез мочевины), хладоагент и растворитель для извлечения ценных компо- нентов из лекарственных трав. Моноэтаноламин после десорбции возвраща- ется на процесс абсорбции.

Основы прикладной химии Лекция 3 СО крайне трудно извлечь количественно сорбцион- ными методами. Поэтому очищенный от СО 2 водород подвергают метанизации, превращая СО в безвредный для процесса метан (6). Газ после моноэтаноламинной очистки подогревают и направляют в реактор, содержащий никелевый катали- затор. На нем гидрируется СО и остатки СО 2 (6-7).

Основы прикладной химии Лекция 3 Технология процесса В качестве основного реакционного аппарата синтеза аммиака использу- ется многополочная колонна (рис. 1). 1 - Люк для выгрузки катализатора; 2- Центральная труба; 3 – Корпус катализаторной головки; 4 – Термопарный че- хол; 5 – Загрузочный люк; 6 – Теплообменник; 7,9,11,13 – Ввод байпасного газа; 8,10,12,14 – Катализаторные слои; 15 – Корпус колонны Рисунок 1 Схема четырехполочной колонны синтеза аммиака

Основы прикладной химии Лекция 3 Колонна представляет собой ци- линдр высотой около 30 м и диа- метром примерно 2,5 м, выполнен- ный из специальной стали, способ- ной выдерживать высокие давле- ния, температуры и агрессивное воздействие азота, водорода и аммиака. Холодный газ подается в нижнюю часть колонны и направля- ется вверх между корпусом колон- ны (15) и корпусом катализаторной коробки (3).

Основы прикладной химии Лекция 3 В верхней части реактора холодный газ попадает в межтрубное прост- ранство теплообменника (6), в кото- ром он нагревается до 400 С за счет теплоты выходящего из реактора по трубам теплообменника газа синтеза. Подогретая азотно-водородная смесь проходит последовательно четыре слоя катализатора (8, 10, 12 и 14) и попадает в центральную трубу (2), по которой направляется к теплообмен- нику (6). При этом газ охлаждается примерно до 330 С.

Основы прикладной химии Лекция 3 В связи с тем, что реакция синтеза аммиака экзотермична газ на ката- лизаторных полках сильно нагре- вается. При этом температура зна- чительно отклоняется от оптима- льной. Для регулирования темпера- турного режима предусмотрена подача байпасного потока холодной азото-водородной смеси через патрубки (7, 9, 11 и 13) в каждый слой катализатора.

Основы прикладной химии Лекция 3 На рисунке 2 приведена сокращенная технологическая схема процесса. Рисунок 2 Технологическая схема синтеза аммиака 1 – Колонна синтеза NH3; 2 – Водяной холодильник; 3 – Теплообменник; 4 – Воздушный холодильник; 5 – Сепаратор; 6 – Сборник аммиака; 7 – циркуляци- онный компрессор; 8 – Конденсационная колонна; 9 - Испаритель

Основы прикладной химии Лекция 3 Азотно-водородная смесь поступает в реактор 1. Нагретая за счет теплоты экзотермической реакции реакционная смесь, выходящая из колонны синтеза, охлаждается в трех теплообменниках. В первом из них (2) газ охлаждается водой. В теплообменнике (3) нагревается газ, направляемый в реактор. Окончательное охлаждение происходит в воздушном холодильнике (4). В охлажденном газе частично конденсируется аммиак, и его отделяют в сепараторе (5).

Основы прикладной химии Лекция 3 Жидкий аммиак собирается в сборнике (6) как продукт. Охлаждения до температуры окружающей среды недостаточно для пол- ного выделения аммиака и газ из сепарато- ра направляется в конденсационную колон- ну (8). В ней газ охлаждается до минус 2-3 С, так, что в нем остается 3 – 5 об. % аммиака. Охлаждение осуществляют за счет испаре- ния жидкого аммиака в испарители (9). Испаритель может быть совмещен с конден- сационной колонной. В ней же жидкий ам- миак отделяют от газа и направляют в сборники. Холодный газ затем подогревают в теплообменнике (3) и возвращают в коло- нну синтеза (1). Обеспечивают циркуляцию потока компрессором (7). Перед ним в цир- куляционный реакционный газ добавляют свежую азото-водородную смесь.

Основы прикладной химии Лекция 3 При многократной рециклизации азото-водородной смеси происходит накопление инертов (Ar и CH 4 ) в рециркуляцион- ном газе, поэтому на линии рециркулирующего газа предус- мотрена отдувка (вывод) части газа из рецикла. Эти газы мож- но использовать в качестве топлива или восстановительных агентов для обезвреживания выбросов, содержащих оксиды азота.

Основы прикладной химии Лекция 3 Основные направления в развитии производства аммиака. 1. Кооперирование азотной промышленности с промыш- ленностью основного органического синтеза на базе исполь- зования природного газа и газов нефтепереработки в качес- тве сырья; 2. Укрупнение всего производства в целом, и отдельных его подсистем; 3. Разработка процессов на основе более активных ката- литических систем и снижения за счет этого давления в процессе; 4. Применение колонн синтеза с «кипящем слоем» катализатора; 5. Дальнейшее совершенствование систем рациональ- ного использования тепла.

Основы прикладной химии Лекция 3 5. Дальнейшее совершенствование систем рационального использования тепла. Для последней проблемы можно использовать энерготехно- логическую систему в производстве аммиака. Сжатие вначале природного газа на стадии конверсии до 4,5 МПа, а затем азото-водородной смеси до 30 – 32 МПа, ее циркуляция в подсистеме синтеза осуществляется помощью мощных турбокомпрессоров. Кроме того, в энергетической системе имеется еще ряд линий. Общее потребление энергии составляет 880 – 900 к Втч/т (NH 3 ). Ключевым является компрессор азото-водородной смеси с частотой вращения около об./мин, потребляющий более половины энергии всего производства аммиака. Применение для привода этого компрессора электродвигателя практически невозможно. Поэтому для этой цели используется энергоноситель – пар с высокими параметрами: давлением до 10 МПа и температурой 720 – 740 К.

Основы прикладной химии Лекция 3 В производстве аммиака используется высокопотенциаль- ные технологические потоки: конвертированный газ и дымовые газы после конверсии метана. Но их энергии и потенциала недостаточно для образования пара с высокими параметрами. Необходим дополнительный высокотемпературный источник энергии. Им является вспомогательный котел с огневым обогревом, установленный в газоходе после трубчатой печи. Пар, получа- емый в котлах, утилизаторах, в линиях технологических потоков и в дополнительном котле, собирается в паросборнике и оттуда распределяется на паровые турбины- приводы компрессоров. Т.о. производство аммиака становится автономным по энергетическому пару, но для его выработки используется свои вторичные энергетические ресурсы, потребляя также дополнительные количества топлива – природный газ.

Основы прикладной химии Лекция 3 Производство азотной кислоты. Чистая азотная кислота – бесцветная жидкость, замерзающая при - 41С, кипящая при 86С. Максимальная температура кипения 121,9С имеет раствор содержащий 68,4% HNO 3 и представляющий собой азеотропную смесь. Азотная кислота – очень сильный окислитель. Многие органические вещества при действии азотной кислоты разлагаются, а некоторые способны воспламеняться. Особенно сильна как окислитель разбавленная азотная кислота. Концентрированная азотная кислота пассивирует такие металлы как железо. На этом основано использование стали как конструкционного материала в производстве азотной кислоты.

Основы прикладной химии Лекция 3 Промышленность выпускает азотную кислоту двух видов: разбавленную с содержанием 50 – 60 % HNO 3 и концен- трированную, содержащую 96 – 98 % HNO 3. Разбавленная кислота используется в основном для производства азотсодержащих минеральных удобрений. Крепкая азотная кислота применяется для производ- ства взрывчатых веществ, красителей, пластических масс, нитролаков, кинопленки, и других важных продуктов. Азотную кислоту производят из аммиака.

Основы прикладной химии Лекция 3 Физико-химические основы процесса Производство разбавленной азотной кислоты из аммиака складывается из следующих стадий: 1. контактное окисление аммиака до оксида азота (II); 2. доокисление оксида азота (II) до оксида азота (IV); 3. поглощение оксида азота (IV) водой с образовани- ем азотной кислоты. Суммарная реакция образования азотной кислоты выражается уравнением:

Основы прикладной химии Лекция 3 Контактное окисление аммиака. При окислении аммиака кроме основной реакции могут проте- кать параллельные побочные процессы. и последовательная реакция

Основы прикладной химии Лекция 3 Поэтому одной из проблем увеличения выхода азотной кисло- ты является создание такого катализатора, который бы дейст- вовал избирательно на реакцию (1), мало влияя на побочные реакции. В производстве азотной кислоты в качестве катализаторов используются платиноидные катализаторы (Pt, Pt-Rh и Pt-Pd-Rh - сплавы с содержанием платины 81 – 92%).

Основы прикладной химии Лекция 3 Основная реакция – очень быстрая и протекает во внешнедиффузионной области, причем процесс лимитируется диффузией кислорода к поверхности катализатора. Это обусловливает повышенную по сравнению с кислородом концентрацию аммиака на поверхности катализатора и повышение удельного веса побочных реакций неполного окисления с образованием азота и закиси азота. Поэтому необходим значительный избыток кислорода у поверхности, чтобы вытеснить из нее аммиак. Тогда его окисление будет более глубоким до NO

Основы прикладной химии Лекция 3 Влияние соотношения O 2 : NH 3 в потоке на выход NO показано на рисунке 1. Можно видеть, что при соотношении O 2 : NH 3 более 1,8 селективность по NO - достигает постоянной макси- мальной величины, близкой к 100% и далее практически не меняется.

Основы прикладной химии Лекция 3 Обоснование роли параметров и их выбор. Температура оказывает слабо ускоряющее действие на процесс, поскольку реакция лимитируется внешней диффузией. В то же время выход NO изменяется с ростом темпе- ратуры по экстремальному закону с максимумом в области 900 – 920С в связи с прогрессированием в этой области реакции (5), а также термической диссоциацией аммиака и других побочных реакций.

Основы прикладной химии Лекция 3 Кроме того с ростом температуры возрастает унос катализатора в виде летучего оксида PtO 2. Для ула- вливания Pt под сетки кладут поглотитель на осно- ве CaO, который улавливает более 50% платины. Учет действия указанных противоположных факторов приводит к выбору оптимальной температуры 830 – 930С (в зависимости от совокупности других параметров). Следует иметь в виду, что положение оптимума температуры зависит от давления. При повышении давления он смещается в область более высоких температур, хотя само значение максимального выхода снижа- ется из-за увеличения удельного веса реакции (6) с ростом давления.

Основы прикладной химии Лекция 3 Давление является фактором ускорения процесса, так как является движущей силой внешней диффузии. Вместе с тем, с ростом давления наблюдается снижение выхода оксида азота (II). Поэтому давление является оптима- льной величиной, сочетающей взаимно противоположные требования увеличения производительности и уменьшения габаритов установки и повышение выхода NO. Следует также иметь ввиду, что при повышении давления существенно возрастает унос мельчайших частиц платины с газами, что удорожает товарную кислоту, т.к. платина имеет высокую стоимость, а процесс ее улавливания из нитрозных газов после контактного аппарата весьма сложен и не обеспечивает полноту компенсации потерь. На современных установках большой мощности оптимум давления составляет 0,4 – 0,7 МПа.

Основы прикладной химии Лекция 3 Состав газовой смеси. При выборе соотношения O 2 : NH 3 руководствуются зависимостью выхода NO от этого соотношения (рисунок 1), связанной с лимитированием процесса диффузией кислорода к поверхности катализатора. Оптимальными значениями O 2 : NH 3 является величина 1,8 – 2,0, что соответствует содержанию аммиака в аммиачно-воздушной смеси 9,5 – 10,5 (об. %). Следует учитывать, что при обычной температуре смесь аммиака с воздухом взрывается в интервале 16 – 27 (об. %), а при увеличении температуры и давления предел взрываемости расширяется.

Основы прикладной химии Лекция 3 Время контакта. Высокая селективность катализаторов позволяет в усло- виях оптимальных давлений, температур и соотношения O 2 : NH 3 достигать 97 – 98% выхода NO при практически полной конверсии аммиака. Поскольку NO при увеличе- нии времени контактирования может далее разлагаться на элементарные N 2 и О 2, то за время контакта выбира- ется то минимальное время, при котором достигается практически полная конверсия и которое обеспечивает минимальный объем реактора в условиях практически полного превращения NH 3. Это время составляет (1 – 2)10 -1 с.

Основы прикладной химии Лекция 3 Окисление оксида азота (II) до диоксида. Нитрозные газы, полученные при окислении аммиака содержат NO и другие оксиды азота, кислород, азот и пары воды. Для получения азотной кислоты оксид азота (II) окисляют до диоксида. Процесс окисления NO кислородом воздуха описывается уравнением:

Основы прикладной химии Лекция 3 В соответствии с принципом Ле Шателье равновесие этой реакции сдвигается вправо при повышении давления и снижении температуры. Практически равновесие образования диоксида азота при 100С почти полностью смещено вправо. Константа скорости процесса также увеличивается с понижением температуры. Такое аномальное поведение системы связано с тримолекулярным характером процесса (см. раздел «Химическая кинетика» курса «Физическая химия»).

Основы прикладной химии Лекция 3 В связи с требованиями смещения равновесия и ускорения процесса температуру необходимо понижать. Однако имеется нижний предел температуры, определяемый прогрессивным возрастанием энергетических затрат, связанных с использова- нием хладагентов. Вместе с тем понижение температуры обусловливает частичное превращение NO 2 в димер На практике процесс осуществляется при температуре 10 – 50С.

Основы прикладной химии Лекция 3 Давление является фактором ускорения основной реакции и фактором смещения ее равновесия в сторону целевого продукта. Однако одновременно рост давления обусловливает смещение равновесия димеризации в правую сторону. Чрезмерное повышение давления нецелесообразно, так как приводит к росту энергетических затрат на компримирование, а также образованию и выпадению в конденсат значительных количеств N 2 O 4 и HNO 3. На практике работают при давлениях 0,40 – 0,45 МПа. Выходящие после реакции контактные газы содержат NO 2, N 2 O 4, O 2, N 2 O, NO, N 2 O 3, пары воды.

Основы прикладной химии Лекция 3 Время контакта и степень превращения. Реакция окисления протекает самопроизвольно без каких- либо внешних ускорителей. В то же время общий третий порядок реакции обусловливает резкое снижение скорости с увеличением степени конверсии. Поэтому в качестве реактора окисления используют полый цилиндрический аппарат, работающий в режиме вытеснения. При этом резкое снижение скорости с ростом степени прев- ращения реагентов не позволяет осуществить процесс до их полного превращения. Поэтому его проводят до оптимальной степени превращения 92%. Этой величине соответствуют времена контакта порядка нескольких секунд.

Основы прикладной химии Лекция 3 Соотношение реагентов необходимо поддерживать в соответствии с требованиями стехиометрии, т.е. 2 : 1. При этом достигается максимальная производитель- ность процесса.

Основы прикладной химии Лекция 3 Абсорбция диоксида азота. Все оксиды азота, за исключением NO взаимодействуют с водой с образованием азотной кислоты. Поглощение оксидов азота с водой протекает через две макростадии – 1 - физическое растворение этих газов в воде 2 - и последующее их химическое взаимодействие с водой с образованием азотной и азотистой кислот. Азотистая кислота является малоустойчивым соединением и распадается на азотную кислоту, оксид азота (II) и воду.

Основы прикладной химии Лекция 3 Суммарно взаимодействие NO 2 с водой можно представить уравнением Образующийся NO снова окисляется до NO 2 Из двух макростадий – физическое растворение и химичес- кая реакция вторая протекает значительно быстрее и ее скорость определяется скоростью массопереноса газовой фазы в жидкую.

Основы прикладной химии Лекция 3 Разложение азотистой кислоты происходит сравнительно медленно. Образующийся NO частично окисляется в растворе кислородом, но его большая часть взаимодейству- ет с кислородом уже в газовой фазе по реакции (13). Одновременно с абсорбцией и протеканием хими- ческих реакций в растворе в газовой фазе так же частично протекают те же реакции, приводящие к образованию азотной кислоты. При взаимодействии паров воды и NO 2 в газовой фазе происходит образование кислотного тумана.

Основы прикладной химии Лекция 3 Степень поглощения диоксида азота водными раст- ворами азотной кислоты определяется такими фак- торами как температура, давление, концентрация кислоты. При понижении температуры и концентрации кисло- ты и повышении давления степень превращения дио- ксида азота растет. При концентрации азотной кислоты выше 65% поглощение практически прекращается.

Основы прикладной химии Лекция 3 Следует также отметить, что степень окисления NO зависит от свободного объема, а количество поглоща- емых оксидов азота – от поверхности контакта фаз. Поэтому одно из основных требований, предъявля- емых к абсорбционной аппаратуре – создание макси- мального свободного объема при одновременно сильно развитой поверхности поглощения.

Основы прикладной химии Лекция 3 Поэтому реактор образования азотной кислоты – абсорбционная колонна с копачковыми или ситчатыми тарелками. Пространство между тарелками работает как газофаз- ный окислитель основного количества выделивше- гося NO. Барботаж в новом слое жидкости на тарелке обеспе- чивает интенсивный массообмен с газом, способствуя поглощению компонентов газофазной смеси и тем самым образованию HNO 3 и жидкофазному окисле- нию NO.

Основы прикладной химии Лекция 3 Достаточно большой объем газовой фазы между таре- лками позволяет достичь высоких степеней газофазно- го окисления NO в NO 2, можно считать, что в абсорбци- онной колонне протекает превращение, описываемые следующим брутто-уравнениями: Для отвода избыточного тепла на тарелках установлены плоские змеевидные холодильники с циркулирующей в них водой.

Основы прикладной химии Лекция 3 Технология процесса. Современные установки, работающие под повышен- ным давлением (от 0,2 до 1 МПа) разработаны по при- нципу энерготехнологических схем, в которых энергия отходящих газов (связанная с их высокой температу- рой и давлением) и теплота реакции окисления амми- ака, используются для сжатия воздуха и нитрозных га- зов, а также получения технологического пара. Этими же схемами предусмотрено более полное ис- пользование низкопотенциальной энергии. Принципиальная технологическая схема получения разбавленной азотной кислоты под повышенным давлением приведена на рисунке 2

Основы прикладной химии Лекция 3 Рисунок 2 Схема производства азотной кислоты с приводом компрессора от газовой турбины 1 – фильтр воздуха; 2 – реактор каталитической очистки; 3 – топочное устройство; 4 – подогреватель метана; 5 – подогреватель аммиака; 6 – смеситель аммиака и воздуха; 7 – холодильник конденсатор; 8 – сепаратор; 9 – абсорбционная колонна; 10 – продувочная колонна; 11 – подогреватель отходящих газов; 12 – подогреватель воздуха; 13 – сосуд для окисления нитрозных газов; 14 – контактный аппарат; 15 – котел-утилизатор; 16,18 – двухступенчатый турбокомпрессор; 17 – газовая турбина

Основы прикладной химии Лекция 3 Рисунок 2 Схема производства азотной кислоты с приводом компрессора от газовой турбины 1 – фильтр воздуха; 2 – реактор каталитической очистки; 3 – топочное устройство; 4 – подогреватель метана; 5 – подогреватель аммиака; 6 – смеситель аммиака и воздуха; 7 – холодильник конденсатор; 8 – сепаратор; 9 – абсорбционная колонна; 10 – продувочная колонна; 11 – подогреватель отходящих газов; 12 – подогреватель воздуха; 13 – сосуд для окисления нитрозных газов; 14 – контактный аппарат; 15 – котел-утилизатор; 16,18 – двухступенчатый турбокомпрессор; 17 – газовая турбина Атмосферный воздух проходит тща- тельную очистку в двухступенчатом фильтре (1). Очищенный воздух сжимается двухступенчатым возду- шным компрессором (16, 18). В пер- вой ступени (18) воздух сжимается до 0,35 МПа, при этом он нагревает- ся до 165 – 175 С за счет адиабати- ческого сжатия. После охлаждения воздух направляется на вторую сту- пень сжатия (16), где его давление доводят до 0,7 – 0,8 МПа. Основной поток воздуха после сжа- тия нагревают в подогревателе (12) до 250 – 270 С теплотой нитрозных газов и подают на смешение с ам- миаком в смеситель (6).

Основы прикладной химии Лекция 3 Газообразный аммиак, полученный испарением жидкого аммиака, после очистки от влаги, масел и катализаторной пыли через подогреватель (5) при температуре 150 С также направляют в смеситель (6). Смеситель совмещен в одном аппарате с поронитовым фильтром. После очистки аммиачно- воздушную смесь с содержанием аммиака не более 10% подают в контактный аппарат (14) на окисление аммиака. Конверсия аммиака протекает на Pt-Pd-Rh-сетках при С причем степень конверсии составляет 97 – 98%. Нитрозные газы при 890 – 910 С поступают в котел-утилизатор (15), расположенный под контактным аппаратом. В котле за счет тепла контактных газов протекает испарение химически очищенной деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор. При том получается пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230 С, который поступает потребителю.

Основы прикладной химии Лекция 3 После котла-утилизатора нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов (13). Он представляет собой полый аппарат в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе (13) степень окисления нитрозных газов доводят до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300 – 335 С. Эта теплота используется в подогревателе воздуха (12). Охлажденные в теплообменнике (12) нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник (11), где происходит снижение их температуры до 150 С и нагрев хвостовых газов до 110 – 125 С. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор (7), охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе (8), из которого азотную кислоту направляют в абсорбционную колонну (9) на одну из средних тарелок, с соответствующей концентрацией кислоты.

Основы прикладной химии Лекция 3 Нитрозные газы направляют в нижнюю часть колонны (9). Сверху в нее подают охлажденный конденсат. Образующаяся в верхней части азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижние тарелки и по мере их прохождения укрепляется за счет поглощения новых порций нитрозных газов. При выходе из нижней части колонны концентрация кислоты достигает 55 – 58%, причем содержание растворенных в ней оксидов азота достигает ~ 1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну (10), где подогретым воздухом из нее отдуваются оксиды азота, а отдутая кислота направляется на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны (9).

Основы прикладной химии Лекция 3 Степень абсорбции оксидов азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35 С проходят подогреватель (11), где нагреваются до 110 – 145 С и поступают в топочное устройство (камера сжигания) (3) установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390 – 450 С за счет горения природного газа, подогреваемого в подогревателе (4), и направляемого в реактор с двухслойным катализатором (2), где первым слоем служит оксид алюминия. Очистку осуществляют при температурах 690 – 700 С. Энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомперессора (18). Затем газы направляют в котел-утилизатор и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005 – 0,008%, содержание СО 2 – 0,23%. Таким образом данный агрегат полностью автономен по энергии.

Основы прикладной химии Лекция 3 Спасибо за внимание

Основы прикладной химии Лекция 3