Анализ развития технологии получения аммиачной селитры

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «Белорусский государственный  экономический университет»

 

 

 

 

 

 

 

Кафедра технологии важнейших отраслей промышленности

 

 

 

 

 

 

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ РАБОТА

 

по дисциплине: Производственные технологии

на тему: Анализ развития технологии получения аммиачной селитры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент

ФВШУБ, 3-й курс, ВВП-8                     __________________                    А.А. Самсонова

 

 

Проверил

канд.тех.наук,

доцент                                                      __________________                   М.В. Самойлов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МИНСК 2012г.

 

 

 

Реферат

 

Работа содержит: 26 страницы, 8 рисунков, 3 таблицы.

Ключевые слова: технологический  процесс, аммиачная селитра, аммиак, азотная кислота, синтез, уровень  технологии, технологическая система, свойства, характеристики.

Изучена и описана технология производства аммиачной селитры. Дана характеристика используемого сырья и получаемой продукции.

Для выявления путей и закономерностей  развития технологического процесса последний  разбит на составляющие его элементы (переход, ход). Определены границы рационалистического развития технологического процесса и уровень технологии.

Представлены стандарты  на аммиачную селитру, стандарты  на правила приемки, испытания, хранения и эксплуатации.

 

 

1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКА

 

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА  ПОЛУЧАЕМОЙ ПРОДУКЦИИ

Аммиачная селитра, или  нитрат аммония, NН4NО3 — кристаллическое вещество белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах, обе формы азота легко усваиваются растениями. Гранулированную аммиачную селитру применяют в больших масштабах перед посевом и для всех видов подкормок. В меньших масштабах ее используют для производства взрывчатых веществ.

Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и обладает большой гигроскопичностью (способностью поглощать влагу из воздуха). Это является причиной того, что гранулы удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую форму, происходит слеживание удобрений- сыпучий материал превращается в твердую монолитную массу.

Аммиачную селитру выпускают  двух марок:

А – используют в промышленности; применяют во взрывчатых смесях (аммонитах, аммониалах)

В – эффективное и  наиболее распространенное азотное  удобрение , содержащее около 33-34% азота; обладает физиологической кислотностью.

 

Селитра удобрение универсальное. Может использоваться на любых почвах. Но следует учитывать, что если для  таких видов почв как буферные или щелочные возможно постоянное применение без ограничений, то для кислых почв необходимо добавление известковой муки в равном соотношении с весовым количеством селитры.

Обладает высокой растворимостью, что позволяет почве полностью  усваивать аммиачную часть. Большего эффекта можно достичь при  дробном внесении, в целях снижения вымывания нитратного азота.

О том, как вносить  аммиачную селитру, существует подавляющее  мнение об использовании 2 способами, как  основное удобрение и как подкормка. Нормы внесения селитры при использовании  под основную обработку почвы  составляют расход до трех центнеров на 1 га, а при использовании в качестве подкормки от одного до двух центнеров на 1 га. Наибольший эффект достигается при использовании как подкормка озимых. Подкормка зерновых культур позволяет увеличивать урожайность в среднем от трех до пяти центнеров на 1 га.

Подкормка селитрой, имеющей  в своей основе азот, имеет ряд  преимуществ. Во-первых, азот регулирует рост вегетативной массы. Во-вторых, азот является необходимой составной  частью белков, соответственно позволяет  увеличить содержание белка и клейковины. В-третьих, азот напрямую участвует в процессе образования молекул и как следствие дает значительный рост урожайности культур.

Аммиачная селитра после  внесения в почву растворяется, аммонийный азот поглощается почвой в результате обменных реакций, нитратный азот вступает во взаимодействие с катионами почвенного раствора. В подзолистых почвах, характеризующихся недостаточным количеством катионов в растворе, может наблюдаться при этом подкисление почвы. Аммонийная часть селитры может нитрифицироваться, что также вызывает подкисление среды. На черноземных и других почвах нейтрального и щелочного ряда такое явление не отмечается.

Нитратная часть удобрения  создает опасность миграции азота  по профилю, поэтому на легких почвах, в зоне достаточного и избыточного увлажнения, при орошении в качестве основного удобрения аммиачную селитру рекомендуют вносить весной при предпосевной обработке почвы. Но в наибольшей степени вероятность потери азота за счет вымывания уменьшается при использование удобрения в качестве подкормки, приуроченной к периоду максимального потребления растениями. На известковых почвах способствует подкислению почвы.

Минеральные удобрения  находят широкое применение, как  в сельском хозяйстве, так и в  различных областях промышленности. В отличие от мирового рынка, именно промышленное потребление азотных удобрений является основным на внутреннем рынке.

Пористая аммиачная  селитра применяется только в  производстве взрывчатых веществ. С 2003 года производятся такие разновидности  пористой селитры, как пористая аммиачная селитра с добавлением нитрата кальция, пористая аммиачная селитра – миниприлят, аммиачная селитра средней плотности для технических целей. Наиболее широко в промышленности и горном деле применяются смеси аммиачной селитры с различными видами углеводородных горючих материалов, других взрывчатых веществ, а также многокомпонентные смеси. Гранулированная аммиачная селитра используется как в сельском хозяйстве, так и в производстве сложных минеральных удобрений; в горнодобывающей, угольной (в качестве компонента ВВ), строительной, мебельной и деревообрабатывающей, нефтегазовой и ряде других отраслей промышленности.

Отрасли, использующие аммиачную  селитру как сырье для производства взрывчатых веществ (ВВ) являются вторым по емкости сегментом ее потребления на внутреннем рынке после сельского хозяйства. Аммиачно-селитряные ВВ представляют собой большую группу взрывчатых веществ. Их принято относить к бризантным взрывчатым веществам пониженной мощности (в тротиловом эквиваленте на 25% слабее тротила). Однако это не вполне так. По бризантности аммиачно-селитряные ВВ, как правило, мало в чем уступают тротилу, а по фугасности превышают тротил, причем некоторые из них весьма значительно. Аммиачно-селитряные ВВ более предпочтительны при подрывании грунтов, так как, благодаря хорошей фугасности, способны выбросить из области взрыва больше грунта. Однако при работах в скальных грунтах предпочтительнее все же тротил, поскольку из-за большей бризантности он лучше дробит горные породы. Аммиачно-селитряные ВВ в большей степени находят применение в народном хозяйстве и в меньшей степени в военном деле. Причиной такого применения является значительно меньшая стоимость аммиачно-селитряных ВВ, их значительно более низкая надежность в применении. Прежде всего, это связано с большой гигроскопичностью аммиачных ВВ, поэтому при увлажнении более 3% такие ВВ полностью теряют способность взрываться. Они подвержены слеживаемости, из-за чего полностью или частично теряют взрывную способность. Непрерывно происходящие в этих ВВ процессы перекристаллизации приводят к увеличению занимаемого ими объема, что может способствовать разрушению упаковки или оболочек боеприпасов.

Аммиачная селитра (нитрат аммония) NH4NO3 имеет молекулярную массу 80,043; чистый продукт – бесцветное кристаллическое вещество, содержащее 60% кислорода, 5% водорода и 35% азота (по 17,5% в аммиачной и нитратной формах). Технический продукт содержит не менее 34,0% азота.                                                                                Таблица 1.

Основные физико-химические свойства аммиачной селитры                                                                            

Плотность,т/м3

Истинная 1,690-1,725

Насыпная при влажности  гранулированного продукта 1% и 20С

При плотной упаковке 0,164

При неплотной упаковке 0,826

Температура плавления  С 169,5

Теплота плавления кДж/кг 73,21

Теплота образования  при 25С и 0,101 МПа , кДж/моль 365,6

Аммиачная селитра растворяется в воде с поглощением тепла.

Аммиачная селитра хорошо растворима в воде, этиловом и метиловом спиртах, пиридине, ацетоне, жидком аммиаке .

Требования потребителей к качеству выпускаемой промышленностью  аммиачной селитры отражены в  ГОСТ 2-85 «Селитра аммиачная. Технические условия», согласно которому выпускают товарный продукт двух марок. При этом массовую долю воды определяют в момент приемки у потребителя. Массовая доля гранул менее 1мм для высшего и первого сортов марки Б на момент отгрузки должна составлять не более 2 %. Допускается по согласованию с потребителем для марки А нормирование массовой доли гранул размером от 1 до 4 мм не менее 95%.

Селитра выпускается только с применением кондиционирующих добавок, содержащих кальций, магний, сульфат или сульфат и сумме с фосфатом. Селитра с сульфатной и сульфатно-фосфатной добавками выпускается только с применением поверхностно-активных веществ: диспергатора НФ, жирных кислот или аминов жирных кислот.

Допускается в течение двух лет в селитре марки Б применять новые добавки по согласованию с потребителем.

Исходным сырьем в  производстве аммиачной селитры является аммиак и азотная кислота.

 

1.2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМОГО  СЫРЬЯ

В настоящее время в промышленности широко применяется только метод получения аммиачной селитры из синтетического аммиака и разбавленной азотной  кислоты. Метод получения аммиачной селитры из  аммиака коксового газа  и разбавленной азотной кислоты перестали применять как экономически невыгодный.

Азотная кислота. Чистая азотная кислота HNO —бесцветная жидкость плотностью 1,51 г/см при - 42 °С застывающая в прозрачную кристаллическую массу. На воздухе она, подобно концентрированной соляной кислоте, «дымит», так как пары ее образуют с 'влагой воздуха мелкие капельки тумана.

Промышленное получение  азотной кислоты. Современные промышленные способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха. При этом пропускается смесь аммиака с воздухом над катализатором, то при 750 °С и определенном составе смеси происходит почти полное превращение

 

 

Образовавшийся  легко переходит в , который с водой в присутствии кислорода воздуха дает азотную кислоту.

В качестве катализаторов  при окислении аммиака используют сплавы на основе платины.

Получаемая окислением аммиака азотная кислота имеет  концентрацию, не превышающую 60%. При  необходимости ее концентрируют,

Промышленностью выпускается  разбавленная азотная кислота концентрацией 55, 47 и 45%, а концентрированная—98 и 97%, Концентрированную кислоту перевозят в алюминиевых цистернах, разбавленную — в цистернах из кислотоупорной стали.

Синтез аммиака. Физико-химические основы процесса.

Синтез аммиака из элементов осуществляется по уравнению  реакции

 

N2+ЗН2 =2NНз; ∆H<0

 

Реакция обратимая, экзотермическая, характеризуется большим отрицательным энтальпийным эффектом (∆Н=-91,96 кДж/моль) и при высоких температурах становится еще более экзотермической (∆H=-112,86 кДж/моль). Согласно принципу Ле Шателье при нагревании равновесие смещается влево, в сторону уменьшения выхода аммиака. Изменение энтропии в данном случае тоже отрицательно и не благоприятствует протеканию реакции. При отрицательном значении ∆S повышение температуры уменьшает вероятность протекания реакции,

Реакция синтеза аммиака  протекает с уменьшением объема. Согласно уравнению реакции 4 моль исходных газообразных реагентов образуют 2 моль газообразного продукта. Основываясь на принципе Л е Шателье, можно сделать вывод о том, что в условиях равновесия содержание аммиака в смеси будет больше при высоком давлении, чем при низком.

В настоящий момент мощности по производству аммиака имеются  в 8 странах СНГ, при этом суммарный  потенциал по его выпуску превышает 24 млн. т/ год. В Республике Беларусь поставщиком аммиака и азотной  кислоты является ОАО «Гродно Азот». Кроме того ближайшими поставщиками могут быть предприятия Российской Федерации: ОАО «Дорогобуж» (п. Верхнеднепровский Слоленская обл.), АОА «Воскресенские минеральные удобрения» (г. Воскресенск Московская обл.), ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (г. Липецк), Украины: ОАО «Ровноазот» (г. Ровно), ОАО «Днепроазот» (г. Днепродзержинск Днепропетровская обл.) и др.

 

1.3. ХАРАКТЕРИСТИКА  ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА АММИАЧНОЙ  СЕЛИТРЫ

 

Основной метод

В промышленном производстве используется безводный аммиак и концентрированная азотная кислота:

 

 

Реакция протекает бурно  с выделением большого количества тепла. Проведение такого процесса в кустарных  условиях крайне опасно (хотя в условиях большого разбавления водой нитрат аммония может быть легко получен). После образования раствора, обычно с концентрацией 83 %, лишняя вода выпаривается до состояния расплава, в котором содержание нитрата аммония составляет 95—99,5 % в зависимости от сорта готового продукта. Для использования в качестве удобрения расплав гранулируется в распылительных аппаратах, сушится, охлаждается и покрывается составами для предотвращения слёживания. Цвет гранул варьируется от белого до бесцветного. Нитрат аммония для применения в химии обычно обезвоживается, так как он очень гигроскопичен и процентное количество воды в нём получить практически невозможно.

Метод Габера

 

 при давлении, высокой температуре  и катализаторе

 

По способу Габера из азота и водорода синтезируется  аммиак, часть которого окисляется до азотной кислоты и реагирует с аммиаком, в результате чего образуется нитрат аммония:

Нитрофосфатный метод

Этот способ также  известен как способ Одда, названный  так в честь норвежского города, в котором был разработан этот процесс. Он применяется непосредственно  для получения азотных и азотно-фосфорных удобрений из широко доступного природного сырья. При этом протекают следующие процессы:

1. Природный фосфат  кальция (апатит) растворяют в  азотной кислоте: 

 

 

2. Полученную смесь  охлаждают до 0 °C, при этом нитрат  кальция кристаллизуется в виде тетрагидрата — Ca(NO3)2·4H2O, и его отделяют от фосфорной кислоты.

На полученный нитрат кальция и неудалённую фосфорную  кислоту действуют аммиаком, и  в итоге получают нитрат аммония:

 

 

Для получения практически  неслеживающейся аммиачной селитры применяют ряд технологических приемов. Эффективным средством уменьшения скорости поглощения влаги гигроскопичными солями является их гранулирование. Суммарная поверхность однородных гранул меньше поверхности такого же количества мелкокристаллической соли, поэтому гранулированные удобрения медленнее поглощают влагу из воздуха. Иногда аммиачную селитру сплавляют с менее гигроскопичными солями, например с сульфатом аммония.

Технологический процесс  производства нитрата аммония состоит  из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта       (рис. 1.).

Рисунок 1. - Принципиальная схема производства нитрата аммония

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ДИНАМИКА ТРУДОЗАТРАТ  ПРИ РАЗВИТИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА

Исходя из имеющихся  данных, что Тж (t) = 200/(9t + 210) и

Тп (t) = 0,03 t + 0,7, проведя математические вычисления во временном интервале от 1 до 10 лет получим:                              Таблица 2.

Динамика трудозатрат  за 10 лет

t	Тж	Тп	Тс	dТж	dТп	модуль dТп	dТж/dТп
1	0,913242	0,73	1,643242	0,036049	-0,03	0,03	1,201634
2	0,877193	0,76	1,637193	0,033311	-0,03	0,03	1,110371
3	0,843882	0,79	1,633882	0,030874	-0,03	0,03	1,029124
4	0,813008	0,82	1,633008	0,028694	-0,03	0,03	0,95648
5	0,784314	0,85	1,634314	0,026738	-0,03	0,03	0,891266
6	0,757576	0,88	1,637576	0,024975	-0,03	0,03	0,832501
7	0,732601	0,91	1,642601	0,023381	-0,03	0,03	0,779362
8	0,70922	0,94	1,64922	0,021935	-0,03	0,03	0,731154
9	0,687285	0,97	1,657285	0,020619	-0,03	0,03	0,687285
10	0,666667	1	1,666667	-	-	-	-

 

 

 

 

 

 

 

На основании полученных значений построим график:

Рисунок 2.

Таким образом, так как  при развитии данного технологического процесса с течением времени затраты  живого труда уменьшаются, а прошлого – возрастают, реализуется ограниченный вид развития, а именно рационалистический. Так как наблюдается экономия живого труда за счет роста прошлого, то процесс развития имеет трудосберегающий характер. При этом экономический предел (ЭП) расположен в точке, соответствующей 3,3 года (3<ЭП >4). Чтобы определить ЭП более точно, необходимо провести ряд расчетов, исследовав функцию совокупных трудозатрат на экстремум. Для этого приравняем производную от функции совокупных трудозатрат к нулю.

Тс'(t) = -1800/(9t+210)² + 0,03 = 0

0,03 = 1800/(9t+210)²

примем (9t+210) за х, тогда

0,03х²= 1800

х = 245

9t+210 = 245

t = (245 – 210)/9 = 3,89

Тп (ЭП) = 0,03*3,89+0,7 =0,817

Таким образом, экономический  предел равен 3,89 года. До этого момента  времени целесообразно рационалистическое развитие, при котором будет происходить  снижение Тс.

Для определения, в какой  степени снижаются затраты живого труда по мере роста затрат прошлого труда, т.е. для определения типа отдачи от дополнительных затрат прошлого труда, сравним величину прироста прошлого труда и соответствующего уменьшения труда живого. Построим график функции Тж = f(Тп). И определим тип отдачи от дополнительных затрат прошлого труда проведя ряд расчетов.

Тп(t) = 0,03t + 0,7

T = (Тп – 0,7)/0,03

подставим Тж (Тп) = 200/9(Тп – 0,7)/0,03 + 210 = 1/9Тп

найдем Т'ж (Тп)

Т'ж (Тп) = (-1)/9Тп²

|(-1)/9Тп²| = 1/9Тп²

 

Рисунок 3.

Полученные данные свидетельствуют о том, что имеет место убывающий тип отдачи от дополнительных затрат прошлого труда (наблюдается снижение с течением времени).

Вывод: развитие данного технологического процесса является ограниченным вариантом динамики трудозатрат с трудосберегающим характером и убывающим типом отдачи от дополнительных затрат прошлого труда.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. УРОВЕНЬ ТЕХНОЛОГИИ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

 

Исходя из имеющихся  данных, что Тж (t) = 200/(9t + 210) и

Тп (t) = 0,03 t + 0,7, проведя математические вычисления во временном интервале t = 3 года получим:                                                             Таблица 3.

Уровень технологического процесса в 3-й год

t	Тж	Тп	L	B	У*	У
3	0,843882	0,79	1,185	0,93615	1,265823	1,5

 

 

Так как относительный  уровень технологии (У* = 1,266) больше производительности живого труда (L = 1,185), то для данного временного интервала (t = 3 года) рационалистическое развитие технологического процесса целесообразно, что подтверждается выводами, сделанными в главе 2 (экономический предел при t = 4).

Оценим состояние технологии: так как У = 1,5, что менее 4,1, технологии производства аммиачной селитры  находятся на очень низком уровне. Для изменения данной ситуации необходима замена технологии производства.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. СТРУКТУРА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АММИАЧЕОЙ СЕЛИТРЫ

Технологический процесс производства аммиачной селитры (нитрата аммония) включает в себя следующие стадии:

- нейтрализацию азотной  кислоты аммиаком;

- упаривание раствора  нитрата аммония;

- кристаллизацию нитрата аммония;

- гранулирование и  охлаждение плава;

- рассев гранул на товарные  фракции.

 

 

 

 

                                                                                          - предметные связи

                                                                                         - временные связи            

Рисунок 4. Пооперационная структура технологического процесса производства аммиачной селитры

 

 

 

 

 

 

                       - предметные связи

                       - временные связи            

 

Рисунок 5. Структура технологического перехода «физико-химического процесса нейтрализации»

 

Поскольку при производстве аммиачной селитры имеет место чередование рабочих и вспомогательных действий, то технологический процесс является дискретным.

 

 

 

 

 

5. АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВНЫХ  НАПРАВЛЕНИЙ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО  ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ АММИАЧЕОЙ СЕЛИТРЫ

В настоящее время  в связи с освоением производства 18 – 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1171 т/сутки с упариванием в одну ступень (рис.6.) , а также на установках безупарочного метода (рис.7.).

 

Рисунок 6. - Технологическая схема производства АС-72М:

 

1 – подогреватель  аммиака; 2 – подогреватель кислоты; 3 – аппарат ИТН; 4 – донейтрализатор; 1 – выпарной аппарат; 6 – гидрозатвор-донейтрализатор; 7 – сборник плава; 8 – напорный  бак; 9 – виброакустический гранулятор; 10 – грануляционная башня; 11 – транспортер; 12 – охладитель гранул «КС»; 13 – подогреватель воздуха; 14 – промывной скруббер

 

Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом  сокового пара, нагретый до 120 - 160єС, и  азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90єС поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 1. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку.

Воздух из верхней  части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат – основные аппараты в технологической схеме АС-72М.