Анализ технологического процесса производства азотной кислоты

Азотная кислота – продукт, являющийся одним из исходных продуктов для получения большинства азотосодержащих веществ. Цель работы заключается в изучении технологического процесса производства азотной кислоты с помощью контактного окисления аммиака. При исследовании процесса производства необходимо охарактеризовать целевой продукт, исходное сырье, рассмотреть и описать технологический процесс получения кислоты, описать основное технологическое оборудование, рассчитать тепловой и материальный балансы, рассмотреть контроль производства, изучить вопросы охраны труда и окружающей среды, проблемы утилизации и обезвреживания отходов.

Характеристика целевого продукта

В проведенной работе рассмотрен процесс производства азотной кислоты с помощью контактного окисления аммиака, а также дана характеристика целевого продукта - азотной кислоты.

Азотная кислота – это бесцветная жидкость с температурой замерзания -41ºС и температурой кипения 86ºС. HNO3 является сильным окислителем. При её действии многие органические вещества разлагаются, а некоторые воспламеняются. Химические свойства азотной кислоты увеличиваются, когда она разбавлена. Охарактеризовано исходное сырье. Исходным сырьем является аммиак [1]. Аммиак в обычных условиях - это бесцветный газ вдвое легче воздуха с резким характерным запахом нашатырного спирта, кроме того, ядовит. С кислородом и воздухом способен образовывать взрывоопасные смеси. Аммиак имеет хорошую растворимость в воде и других растворителях.

Характеристика технологического процесса

Рассмотрено и описано основное технологическое оборудование и технологический процесс получения азотной кислоты контактным окислением аммиака. Азотную кислоту получают контактным окислением аммиака в две стадии [2]:

• -    первая стадия – контактное окисление аммиака в оксид азота (II):

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O + 904 кДж

• -    вторая стадия – окисление NO 2 в высшие оксиды и поглощение их водой с образованием кислоты:

2NO + O 2 → 2NO 2 + 212,7 кДж

2NO + H 2 O → 2HNO 3 + NO + 73,6 кДж

Так, суммарная реакция получения азотной кислоты может быть представлена следующим уравнением:

NH 3 + 2O 2 → HNO 3 + H 2 O + 329,5 кДж

Процесс образования азотной кислоты описывается реакциями:

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO

3N 2 O 3 + H 2 O → 2HNO 3 + 4NO

Аммиак в жидком виде поступает через ресивер в испаритель, где температура 10–16 °С и давление 0,6 МПа. Далее происходит очищение аммиака в газообразном состоянии от разных механических примесей в фильтре и масла. Затем уже очищенный аммиак направляется в подогреватель, где принимает температуру 80–120 °С. Аммиак и очищенный воздух затем поступают в смесительную камеру контактного аппарата. Образовавшаяся при этом аммиачно-воздушная смесь содержит 9,6– 10,0% аммиака. Далее эта смесь поступает на двухступенчатый катализатор. Нитрозные газы при температуре 840– 860 °С поступают в котел-утилизатор, который располагается прямо под контактным аппаратом. После котла-утилизатора газы охлаждаются в экономайзере и водяном холодильнике до достижения температуры 55 ºС.

При их охлаждении происходит конденсация водяных паров с образованием 40–45%-ной азотной кислоты, которая подается в газовый промыватель, куда же поступают и нитрозные газы. В промывателе одновременно с охлаждением происходит промывка нитрозных газов от нитрит-нитратных солей и дальнейшая конденсация азотной кислоты.

Кислота из нижней части аппарата следует в абсорбционную колонну, а промытые газы сжимаются в компрессоре до давления 11–12,6 Мпа, нагреваясь при этом до 210–230 °С. После сжатия нитрозные газы снова охлаждаются в холодильнике до 155–165°С на первой ступени. На второй степени требуемая температура снижается до 60– 65°С. Следующий этап - абсорбционная колонна. В верхнюю часть поступает паровой конденсат (H2O) с температурой не выше 40°С. Снизу выходит 58– 60%-ная азотная кислота, далее поступающая в продувочную колонну для удаления растворенных в ней оксидов азота, и затем направляется в хранилище.

Произвели практический расчет материального баланса производства с использованием следующих исходных данных: концентрация продукционной HNO 3 – 50%; H 2 O – 50%, состав аммиачно-воздушной смеси, %: NH 3 – 11%; О 2 – 17 %; N – 67 %; H 2 О – 3; производительность цеха – 180000 т /год; производительность агрегата – 4400 т /год [3,4].

Рассчитали количества прихода и расхода веществ, объемные концентрации, количество водяных паров, кислорода, азота и оксида азота.

Примеры расчетов:

Рассчитываем часовую производительность по формуле:

Пч = П/24 · 0,965 · 365 = 180000/24 · 0,964 · 365 = 26,416 т час = 26416 кг/час где П–производительность цеха, т/год; 24 – часов в сутки;

0,965 – коэффициент использования оборудования; 365 – дней в году.

При средней производительности моногидрата азотной кислоты одним агрегатом 4400 т/год количество установок в проектируемом цехе составит:

N = Пч/Пагр = 26,416/5,130 = 5,14

где Пагр – средняя производительность одного агрегата, т/час.

Для обеспечения заданной производительности нужно взять 5 установок, тогда по моногидрату на 1 установку составит:

П = Пч/N = 26,416=5,1 т час или 4400/63=69,84 кмоль где 63 – молекулярная масса азотной кислоты.

Расчет материального баланса на 1 агрегат в час:

Далее определяем теоретическое количество аммиака необходимого для получения 4,4 т /час моногидрата азотной кислоты по реакции:

NH 3 + 2O 2 → HNO 3 + H 2 O

Т. к. на получение 1 моль моногидрата кислоты расходуется 1 моль аммиака, то для получения 69,84 кмоль моногидрата соответственно необходимо 69,84 кмоль аммиака. Рассчитаем расход NH 3

со степенью окисления и абсорбции окислов азота:

С 1NH3 = П/0,96 · 0,98 = 5,236 кг или

149,22 кмоль где 0,96 – степень окисления аммиака (доли); 0,98 – степень абсорбции.

Расход сухого воздуха с 10,3 % содержанием аммиака:

149,22 кмоль аммиака соответствует 10,3 % об.

Х кмоль воздуха соответствует 89,7 % об.

Х 1 = 1299,51кмоль/ час воздуха.

Количество водяных паров, вносимых потоком воздуха при среднем содержании 0,2 % об.:

1299,51 кмоль воздуха – 98,2 % об.

Х кмоль воды – 0,2 % об.

Х 2 = 2,64 кмоль/ час водяных паров.

Количество кислорода, поступающего в систему с потоком воздуха:

С1О2 = х1 · 0,21 = 272,89 кмоль/час где х1 – расход сухого воздуха; 0,21 – содержание кислорода в воздухе.

Количество азота, поступающего в систему с потоком воздуха.

С1N 2 = х 1 · 0,79 = 1026,61 кмоль/час

Где 0,79 – содержание азота в воздухе.

Данные расчета материального баланса производства представлены в сводной таблице 1.

Таблица 1. Приход в контактный аппарат

Компонент	Кмоль	% об.	кг	% вес
Аммиак	149,22	10,27	2541,36	6,33
Кислород	272,89	18,80	4366,07	21,80
Азот	1026,61	70,73	14099,28	71,29
Вода	5,57	0,20	100,34	0,12
Итого:	1454,29	100	21107,05	100

Так же произвели расчет теплового баланса производства азотной кислоты. Исходными данными служат: температура аммиачно–воздушной смеси, температура от сеток с нитрозными газами, тепло газа в котле–утилизаторе. Рассчитали физические теплоты прихода и расхода, теплоты от экзотермических реакций, подводимую теплоту. Для расчета теплового баланса воспользовались формулами нахождения теплоты и температуры.

Результаты расчетов представлены в сводной таблице теплового баланса.

Таблица 2. Тепловой баланс азотной кислоты контактным окислением аммиака

Статья прихода	кДж	Статья расхода	кДж
Тепло, поступающее с амми-ачно – воздушной смесью при t = 200 ºС	8,70 · 104	Тепло, уходящее от сеток нитрозными газами при температуре конверсии 900 ºС	3,36 · 104
		Расход тепла на получение пара	5,20 · 104
Всего	8,70 · 104	Всего	8,56 · 104

Контроль производства и охрана труда

Изучили охрану труда и окружающей среды. В производстве азотной кислоты каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха контролируются следующие параметры: температура, концентрация, чистота полученной азотной кислоты.

При производстве кислоты в виде отходов производства образуются "хвостовые" газы, очищаемые реакторами каталитической очистки и вентиляци- онными выбросами вредных веществ. Кроме того, в цехе существуют вентиляционные выбросы оксидов азота и NH3 из контактного и машинного отделений, насосной продукционной кислоты. Также нужно помнить, что производство азотной кислоты является небезвредным, поэтому для персонала должны применяться средства индивидуальной защиты (СИЗ), к которым относится: спецодежда, спецобувь, индивидуальный фильтрующий противогаз, рукавицы, защитные очки с резиновой полумаской, защитный щиток из оргстекла, резиновые кислото-защитные перчатки и специальную кислото- защитную одежду.

Заключение

Таким образом, в работе исследовали технологический процесс производства азотной кислоты, основное технологическое оборудование, рассчитали материальный и тепловой балансы.

В настоящее время азотная кислота используется очень широко, охватывая многие отрасли промышленности, такие как:

• -    химическую (изготовление взрывчатых веществ, различных органиче-

• ских красителей, пластмасс, натрия, калия, пластмасс, кислот);

  - сельскохозяйственную (использует-

• ся для производства азотных минеральных удобрений); металлургическую (травление и растворение металлов);

• -    фармакологическую (входит в состав препаратов для удаления кожных образований); ювелирное производство (применяется для определения чистоты драгоценных сплавов и металлов);

• -    военную (входит в состав взрывчатых веществ как нитрующий реагент);

• -    ракетно-космическую (является одной из составляющих ракетного топлива).