Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Технология химических производств

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный

инженерно-экономический университет»

Кафедра экономики и менеджмента

в химической промышленности

Курсовой проект по дисциплине

«Технология химических производств»

Выполнил_________________________________________

(фамилия И.О.)

студент_______курса______специальности_____________

срок обучения

группа_______№ зачет. книжки_______________________

Подпись_____________

Преподаватель_____________________________________

Должность____________________________________

(уч. степень, учебное звание)

Оценка______________ Дата:____________________

Подпись_____________

Санкт-Петербург

2011 г.

Оглавление

Задание на проектирование 3

Введение 4

1.Технологическая часть. 6

1.1. Теоретические основы процесса. 6

1.2. Описание технологической схемы установки. 11

1.3. Устройство, принцип работы основного аппарата. 13

1.4. Техника безопасности при обслуживании оборудования. 15

2. Расчетная часть. 18

2.1. Материальный баланс основного аппарата. 18

2.2. Тепловой баланс основного аппарата. 21

Выводы 23

Список литературы 24

Задание на проектирование.

Вариант №1.

Составить материальный и тепловой балансы процесса окисления аммиака на 1 в контактном аппарате 100 %-ной НNO₃.

Исходные данные для составления материального баланса:

Производительность контактного аппарата по 100 % -ой кислоте – 1000 кг/час
Содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси — 10,0 об.%.
Степень контактирования — 96,0 %.
Степень окисления окиси азота — 100,0 %.
Степень абсорбции — 98,0 %
Температура отходящих нитрозных газов – 790^оС
Потери тепла от общего расхода – 10 %

Введение

Безводная азотная кислота (моногидрат HNO₃) представляет бесцветную жидкость с температурой кристаллизации -41,6°С, температурой кипения 82,6°С и плотностью 1,513 г/м³. Смешивается с водой во всех отношениях, образуя при этом индивидуальные соединения – гидраты состава HNO₃ · Н₂О и HNO₃· 3Н₂О.

^{Рис. Структурная
формула азотной
кислоты.}

Азотная кислота широко используется для получения нитросоединений. Органические соединения под действием азотной кислоты окисляются или нитруются, причем в последнем случае остаток азотной кислоты – нитрогруппа – NO2 + замещает в органических соединениях водород. Этот процесс имеет большое значение в производстве ароматических нитросоединений, в том числе входящих в состав взрывчатых веществ. Соли азотной кислоты называются нитратами, а соли с Na, K, Са, NO4 – также селитрами. Нитраты получают действием HNO3 на металлы, оксиды, гидроксиды или карбонаты. При этом практически все нитраты хорошо растворимы в воде. Поэтому в виде минералов их в природе чрезвычайно мало; исключение составляют чилийская (натриевая) селитра и индийская селитра (нитрат калия). Натриевая и калиевая селитры, а также нитрат аммония используются в качестве удобрений, причем нитрат калия содержит два необходимых растениям элемента: азот и калий. Нитраты натрия и калия применяются также при стекловарении и в пищевой промышленности для консервирования продуктов.

Для практических целей используют 30-60%-ные водные растворы азотной кислоты или 97-99%-ные (концентрированная азотная кислота).

Помимо использования азотной кислоты в производстве азотсодержащих удобрений, взрывчатых веществ и органических красителей, она входит в состав ракетного топлива. Ее применяют в качестве окислителя во многих химических процессах, для травления и растворения металлов в металлургии. Кроме того, азотная кислота идет на приготовление фосфорной и серной (по нитрозному способу) кислот, целлюлозных лаков, нитроглицерина, азотнокислого серебра (ляписа, адского камня), употребляемого в фармацевтическом и фотографическом деле. Азотнокислое железо применяется как протрава в красильном деле при окраске шелка.

В настоящее время мировое производство азотной кислоты оценивается в 750-800 млн т. При этом только около 15-20% азотной кислоты поступает на рынок вообще. Остальная азотная кислота используется производителями азотных удобрений, адипиновой кислоты и других химикатов. Во внешнеторговый оборот вовлекается не более 8-10% производимой в мире азотной кислоты.

Задача химиков заключается не только в производстве больших количеств азотной кислоты и азотных удобрений, но и в том, чтобы производить их и использовать экологически безупречно, только с использованием очистки, с пользой для природы и общества. ПДК (предельно допустимые концентрации) для оксидов азота в воздухе, которые для рабочих зон составляют в пересчете на NO₂5 мг/м³, а для приземного слоя населенных мест всего лишь 0,086 мг/м³. Чтобы выполнить эти жесткие санитарные требования, необходимо снизить содержание оксидов азота в выхлопных газах заводов, производящих НNO₃до 0,01%. Это достигается применением адсорбентов в виде растворов щелочей, Н₂SO₄; наиболее радикальным методом, освоенным в промышленности, является восстановление оксидов азота до молекулярного азота различными восстановителями (Н₂, СН₄).

1.Технологическая часть.

1.1. Теоретические основы процесса.

Процесс получаемой азотной кислоты в промышленности протекает в несколько стадий:

1. Подготовка аммиачно-воздушной смеси. Ее получают непосредственно перемешиванием NН₃с воздухом, предварительно очищенного от примесей. Эта смесь поступает в контактный аппарат, где под влиянием катализатора (Рt - Rh сетки) происходит окисление NH3, т.к. эта реакция экзотермическая, то необходимая температура поддерживается за счет выделения теплоты реакции. И здесь происходит вторая стадия производства НNO₃- окисление NН₃до оксида азота (II).

2. Окисление оксида азота (П) до оксида азота (IV). Так как эта реакция идет при обычной температуре, поэтому выходящую из контактного аппарата газовую смесь, содержащую N0, охлаждают, пропуская ее в паровой котел-утилизатор, где получают водяной пар. Наступает последняя стадия.

3. Поглощение NO₂водой и получение НNO₃. Газовую смесь, содержащую NO₂, направляют в поглотительную башню, которая для увеличения поверхности соприкосновения газа с водой заполнена фарфоровыми кольцами (для увеличения площади взаимного контактирования веществ). Вода в башню поступает сверху, а газовая смесь, содержащая оксид азота (IV) - снизу - смешивание и взаимодействие идет по принципу противотока. Условием является избыток кислорода, тогда не будет в результате реакции выделятся NO:

3NO2+H2O -> 2HNO3+NO.

Окисление аммиака до оксида азота (II) При окислении аммиака кислородом воздуха на катализаторе возможно протекание следующих реакций:

4NH3 + 502 = 4NO + 6Н20 - ΔН (1)

4NH3 + 402 = 2N20 + 6Н20 - ΔН (2)

4NH3 + 302 = 2N2 + 6Н20 - ΔН (3)

а также реакция с участием образующегося оксида азота (II):

4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H20-ΔН (4).

Все реакции практически необратимы, поэтому направление процесса окисления определяется соотношением скоростей реакций 1—4. Из трех основных реакций окисления аммиака (1 — 3) реакция 3 термодинамически наиболее вероятна, так как протекает с максимальны выделением тепла. Поэтому, в отсутствии катализатора окисление аммиака идет преимущественно до элементарного азота. Для ускорения целевой реакции окисления до оксида азота (II) применяют селективно действующие катализаторы, В современных установках используют платиновые катализаторы в виде пакета сеток из сплава платины с 7,5% родия, или двухступенчатые катализаторы в виде слоя таблетированной смеси оксидов железа (III) и хрома (III). Введение родия повышает механическую прочность и уменьшает потери платины за счет ее уноса током газа. Поверхность подобных катализаторов достигает 1,5 м2/м3 объема. Механизм гетерогенного каталитического окисления аммиака состоит из следующих последовательных стадий:

— диффузия молекул аммиака и кислорода из газовой фазы к поверхности катализатора;

— активированная адсорбция молекул кислорода на поверхности катализатора с образованием промежуточного соединения;

— хемосорбция молекул аммиака и образование комплекса;

— разложение комплекса с регенерацией катализатора и образованием молекул оксида азота (II) и воды;

— диффузия продуктов реакции с поверхности катализатора в газовую фазу.

Определяющей стадией всего процесса окисления является скорость диффузии кислорода к поверхности катализатора. Следовательно, каталитическое окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает преимущественно в диффузионной области, в отличие от окисления на окисном катализаторе, которое идет в кинетической области. Платиновые катализаторы весьма чувствительны к каталитическим ядам, содержащимся в аммиаке и воздухе, образующим аммиачно-воздушную смесь (АмВС). Фосфористый водород вызывает его необратимое, а ацетилен, сероводород и органические соединения серы обратимое отравление. Так как вследствие этого активность катализатора снижается, его периодически регенерируют промывкой соляной или азотной кислотой. В процессе работы поверхность катализатора разрушается и частицы его уносятся с потоком газа. Эррозия катализатора тем больше, чем выше температура, давление и объемная скорость газа, проходящего через катализатор. Для систем, работающих под высоким давлением, унос катализатора составляет 0,3—0,4 г на 1 тонну азотной кислоты. В присутствии платиновых катализаторов селективность процесса окисления аммиака до оксида азота (II) составляет 0,95—0,98 дол, ед.

Температура. Повышение температуры способствует увеличению скорости реакций и коэффициента диффузии аммиака в смеси и, поэтому, является наиболее эффективным средством, увеличения скорости процесса, протекающего преимущественно в диффузионной области.

Состав АмВС. Соотношение аммиака и кислорода в газовой смеси влияет на температурный режим и общую скорость процесса в том случае, если лимитирующей в нем является химическая реакция, то есть процесс протекает в кинетической области. При стехиометрическом соотношении компонентов в АмВС степень превращения аммиака в оксид азота (II) не превышает 0,65 дол. ед. Для увеличения выхода оксида азота (II) процесс ведут при отношении О2 : NH3 = 1,8—2,0, что соответствует содержанию в АмВС 0,095—0,105 об. долей аммиака и 0,18—0,19 об. долей кислорода. Избыток кислорода используется на стадии доокисления оксида азота (II), а указанный состав АмВС обеспечивает автотермичность процесса окисления и лежит за пределом взрывчатости АмВС.

Давление. Повышение давления ускоряет процесс окисления аммиака за счет увеличения концентрации реагентов и производительности катализатора, что позволяет сократить размеры аппаратуры. При этом, однако, снижается выход оксида азота (II) и увеличивается эрозия и унос катализатора, что удорожает продукцию. Так, если при атмосферном давлении (105 Па) унос катализатора не превышает 0,05 г на тонну азотной кислоты, то при давлении 0,8 МПа он достигает 0,4 г/тонну.

Время контактирования, Скорость каталитического окисления аммиака до оксида азота (II) весьма высока. За десятитысячные доли секунды степень превращения составляет 0,9 7— 0,98 дол. ед. при атмосферном давлении и 0,98—0,96 при давлении 0,8—1,0 МПа. Время контактирования зависит от природы катализатора и составляет; для платиновых катализаторов 10⁴ – 10⁵ с, для окисных катализаторов около 10² с. Увеличение времени контактирования, то есть снижение объемной скорости АмВС приводит к развитию реакции окисления аммиака до элементарного азота. Оптимальный режим процесса на этой стадии должен обеспечить селективность окисления аммиака, минимальные потери катализатора вследствие его уноса и автотермичность процесса. Этим требованиям удовлетворяют следующие условия: температура 800°С, давление 0,1-1,0 МПа, молярное отношение О2 : NH3 - 1,8—2,0, время контактирования 1-2•10⁴ с.

Для соблюдения этих условий исходная АмВС должна иметь состав: аммиак 0,10—0,115 об. дол кислород 0,18—0,19 об. дол азот 0,70—0,72 об. дол.

При использовании АмВС такого состава нитрозные газы, выходящие из контактного аппарата, содержат от 0,08 до 0,11 об. дол, оксида азота (II). Абсорбция оксида азота (IV). Нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, представляют сложную смесь различных оксидов азота (NO2, N2O4, NO, N2О), элементарного азота, кислорода и паров воды. Их состав зависит от условий окисления. Все оксиды азота, входящие в состав нитрозных газов, нерастворимы в воде, но, за исключением оксида азота (II), взаимодействуют с ней. Механизм образования азотной кислоты при абсорбции оксида азота (IV) водой, а затем образующейся водной азотной кислотой, заключается в том, что оксид азота (IV) диффундирует через пограничный слой газа к поверхности жидкости и абсорбируется ею. При этом оксид азота (IV) реагирует с водой со скоростью, превышающей скорость диффузии и скорость реакции разложения азотистой кислоты. Образующийся оксид азота (II) выделяется в газовую фазу, где окисляется кислородом до оксида азота (IV).

1.2. Описание технологической схемы установки.

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

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

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

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

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

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

1.3. Устройство, принцип работы основного аппарата.

Контактный аппарат, совмещенный с картонным фильтром для аммиачно-воздушной смеси и присоединенный в нижней части непосредственно к котлу-утилизатору. Картонный фильтр диаметром 3020/850 мм и высотой 1528 мм состоит из ряда кассет. Пройдя их, аммиачно-воздушная смесь через внутренний цилиндр поступает в верхний конус.

В месте перехода конической части аппарата в цилиндрическую размещена решетка, служащая для равномерного распределения газового потока. Это способствует созданию более благоприятных условий работы катализаторных сеток. В контактном аппарате имеются три катализаторных сетки диаметром 2800 мм из нитей диаметром 0,09 мм с 1024 отв./см2, их рабочая поверхность 33, 4 м2. Сетки помещаются на колосниках, под которыми находится слой металлических колец высотой 250 мм (размеры колец 32х32х1 мм).

Нижняя часть конвертора футерована жаростойким кирпичом и присоединена непосредственно к котлу-утилизатору. Для розжига аппарата и наблюдения за состоянием сеток в его цилиндрической части имеются запальные отверстия и «глазки».

Суточная производительность описанного аппарата составляет 18-19 т NH₃, или 48-50 т HNO₃.

Контактный аппарат:

1 - жаростойкая футеровка; 2 – слой колец; 3 – катализаторные сетки; 4 – распределительная решетка; 5 – конус контактного аппарата; 6 – картонные фильтрующие кассеты; 7 – взрывная мембрана.

1.4. Техника безопасности при обслуживании оборудования.

В контактном отделении аммиак и аммиачно-воздушная смесь, нагнетаемая вентиляторами в смесители, а затем в контактные аппараты, находится под некоторым давлением, поэтому через неплотности вентиляторов, соединений трубопроводов, задвижек трубопроводов, смесителей возможно выделение аммиака в рабочие помещения.

Ввиду того, что многие технологические процессы происходят при высоких температурах, на многих рабочих местах имеется значительное тепловыделение. Так, например, температура платиновой сетки, которая служит катализатором окисления, достигает 600-700°С и алюминиевые стенки контактных аппаратов на наружной поверхности имеют температуру около 300°С. Для борьбы с тепловыделением аппараты заключают в теплоизолирующие кожухи, соединённые с вытяжными системами вентиляции.

Контактное отделение представляет определённую опасность взрыва, так как при содержании аммиака в воздухе свыше 13-15% смесь становится взрывоопасной. Для предупреждения опасности взрыва служит, установленный на линии подачи аммиака от газгольдера к вентилятору, автоматический вентилятор, прекращающий подачу аммиака при отключении электрического тока и, следовательно, при остановке работы нагнетательных вентиляторов. Также для уменьшения опасности утечек аммиака служат автоматические газоанализаторы.

В абсорбционных отделениях происходит постоянное загрязнение воздуха окислами азота, постоянно проникающими в помещение из соседних газоходов и кислотопроводов, от насосов, мест взятия проб. В абсорбционном отделении также возможны аварии, связанные с выбросом газов, наиболее опасными местами по авариям являются стеклянные соединения кислотопроводов от башен к буферным бакам, а также кислотопроводы, находящиеся под высоким давлением, где при неисправностях или повреждениях системы также могут быть прорывы больших количеств кислоты.

В инверсионном отделении неблагополучным местом является верх керамиковой башни, куда поступает кислота и раствор нитритов, при взаимодействии которых происходит бурное образование окислов азота. При наименьших неплотностях, они поступают в рабочее отделение. Также необходимо отметить опасность ожогов лица и глаз брызгами кислоты, рук и тела кислотой при авариях, при взятии проб, при ремонте аппаратуры.

Загрязнение наружного воздуха на территории предприятия окислами азота, выбрасываемыми хвостовыми вентиляторами. Содержание окислов в этих выбросах достигает 0,5 - 1,5%.

В отделении хранения слабой кислоты причинами постоянных и аварийных ситуаций являются также неплотности и неисправности кислотопроводов, переливание ёмкостей через край. При этом также могут быть и химические ожоги кислотой.

Розлив азотной кислоты в железнодорожные цистерны производится снаружи, следовательно, здесь имеется главным образом опасность ожога кислотой при переливании цистерн, при неаккуратности рабочих.

Для наибольшей безопасности работников, обслуживающих вращающиеся и движущиеся части машин и механизмов, применяют защитную блокировку, которая срабатывает при снятии ограждений или попадании человека в опасную зону. Различают механические и электрические блокирующие устройства, а также блокировку с помощью фотоэлементов.

По статистике наибольшее количество нещадных случаев на химических производствах случается при проведении ремонтных работ с применением открытого огня.

Ответственный за проведение огневых работ обязан обеспечить безопасное ведение огневых работ: провести инструктаж; обеспечить средства пожаротушения; знать состояние воздушной среды; постоянно находиться на месте огневых работ; по завершении их убедиться в отсутствии источников возникновения огня.

При ремонтных работах не допускается одновременное проведение несовместимых операций. Например, нельзя проводить электрогазосварку и одновременно разбирать или промывать, технологическое оборудование и трубопроводы, так как выделяющиеся при промывке и разборе легковоспламеняющиеся и взрывоопасные пары аммиака могут загореться (взорваться).

2. Расчетная часть.

2.1. Материальный баланс основного аппарата.

Расчет введенного количества реагентов

На 1 т 100%-ой азотной кислоты необходимо аммиака:

17*1000/63 = 270 кг

С учетом степени контактирования и степени поглощения полученных оксидов количество необходимого аммиака составит:

270

_________ = 287 кг

0,96 * 0,98

или

287/17 = 16,9 кмоль.

Расчет аммиачно-воздушной смеси.

Содержание аммиака в смеси 10,0%. Следовательно на воздух приходится 90,0%. Необходимое количество воздуха:

(16,9 * 90) / 10 = 152, 1 кмоль,

в том числе О₂:

(152,1* 21) / 100 = 31, 9 кмоль,

N₂:

(152,1 * 79) / 100 = 120, 2 кмоль.

Состав аммиачно-воздушной смеси:

Компонент	кмоль	об.%	кг
NH₃	16,9	10,0	287,0
O₂	31,9	18,9	1020,0
N₂	120,2	71,1	3365,0
Всего	169,0	100,0	4672,0

Расчет выведенного количества газов

Окисление аммиака на платине происходит по реакциям:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

4NH₃ +3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

Количество получаемой окиси азота:

1 кмоль аммиака даёт 1 кмоль NO, а при степени контактирования 96% из 16,9 кмоль получится:

16,9 * 0,96 = 16,2 кмоль

или

16,9 * 0,96 * 30 = 487 кг.

По второй реакции из 1 кмоль аммиака получается 0,5 кмоль N₂. В этой реакции участвует 4% аммиака от начального количества:

16,9 * 0,5 * 0,04 = 0,34 кмоль

или

16,9 * 0,5 * 0,04 * 28 = 9,0 кг.

Количество получающихся водяных паров.

Из уравнений реакции видно, что 4 кмоль аммиака образуют 6 кмоль H₂O, и суммарное количество паров воды составит:

(16,9 * 6) / 4 = 25,4 кмоль

или

25,4 * 18 = 457 кг.

Количество кислорода.

По первому уравнению вступило в реакцию кислорода:

(16,9 * 5 * 0,96) / 4 = 20,3 кмоль.

По второму:

(16,9 * 3 * 0,04) / 4 = 0,5 кмоль.

Всего вступило в реакцию кислорода:

20,3 + 0,5 = 20,8 кмоль

Осталось в нитрозных газах:

31,9 – 20,8 = 11,1 кмоль

или

11,1 * 32 = 355 кг.

Количество N₂в нитрозных газах складывается из первоначального количества N₂ и азота, образовавшегося по реакции:

3365 + 9 = 3374 кг

Материальный баланс контактного узла на 1 т 100%-ой азотной кислоты:

Введено				Выведено
Статья	кмоль	об.%	кг	Статья	кмоль	об.%	кг
NH₃	16,9	10,0	287,0	NO	16,2	10,4	487,0
O₂	31,9	18,9	1020,0	O₂	11,1	7,6	355,0
N₂	120,2	71,1	3365,0	N₂	120,54	72,2	3374,0
				H₂O	25,4	9,8	457,0
Всего:	169,0	100,0	4672,0	Всего:	173,24	100,0	4673,0