Курсовая работа: Производство азотной кислоты

Курсовая работа: Производство азотной кислоты

План

Введение

1. Технологическая часть

1.1 Выбор метода производства

1.2 Основные физико-химические свойства сырья, вспомогательных материалов, катализаторов, готовой продукции (характеристика их качества согласно государственным стандартам)

1.3 Теоретические основы принятого метода

1.4 Описание технологической схемы узла

1.5 Выбор оборудования

1.6 Автоматизация технологического процесса и аналитический контроль производства

1.7 Отходы производства, их применение

1.8 Охрана труда и промышленная экология

2. Расчетная часть

2.1 Предварительный расчет

2.2 Материальный баланс

2.3 Тепловой расчет

2.4 Конструктивный расчет

2.5 Расчет расходных коэффициентов

Список использованных источников

Введение

До начала 20-го века HNO3 получали из природной натриевой (чилийской) селитры:

NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3 (1)

При использовании 95-97% H2SO4 и 96% NaNO3 получали 96-98% HNO3. Позднее процесс стали вести под вакуумом, что снижало температуру процесса и его продолжительность.

В начале 20-го века был предложен метод фиксации атмосферного азота в пламени электрической дуги (1906г.). для производства азотной кислоты этим методом не требуется искусственное сырье и сложное оформление процесса, но этот метод не выгоден в связи с большим расходом электроэнергии.

В 1913г. был освоен промышленный синтез аммиака из элементарных веществ, он быстро получил широкое распространение. Вскоре был разработан и способ получения азотной кислоты из аммиака.

1-й завод азотной кислоты, по схеме работающий при атмосферном давлении производительностью 8000 т/год был построен в 1916г. в г. Юзовке (СССР). В основе этого метода лежал метод окисления аммиака, полученного из коксового газа. Метод предложен русским ученым Андреевым. Он же предложил и катализатор - платиновые сетки, изучил процессы окисления аммиака на сетках, абсорбцию оксидов азота водой и получение аммиачной селитры.

В наше время разработаны различные методы получения оксидов азота по плазменной технологии, но они очень электроемкие. Ведутся работы по снижению расхода электроэнергии.

В наше время основным способом производства азотной кислоты (разбавленной) является способ, предложенный Андреевым.

Азотную кислоту применяют в:

сельском хозяйстве (аммиачная селитра, комплексные минеральные удобрения);

производстве взрывчатых веществ;

производстве красителей и иных химикатов;

производстве ракетного топлива (оксиды азота и азотная кислота);

производстве искусственного шелка;

производстве лекарственных препаратов;

производстве серной кислоты.

По объему производства азотная кислота занимает 2-е место. В промышленности получают:

1) неконцентрированную АК (45-60%);

2) концентрированную АК (90%).

Кислота азотная неконцентрированная, полученная абсорбцией оксидов азота водой, используется для получения плава аммиачной селитры, сложных удобрений, для окислительных процессов травления металлов для производства концентрированной азотной кислоты.

Вывод: в связи с ростом потребления сельским хозяйством и промышленностью азотной кислоты, производство ее в 20-м веке увеличивается.

1 Технологическая часть

1.1 Выбор метода производства

Азотную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота (неконцентрированная) и перегонкой 56-60 %-ной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серной кислоты или плава нитрата магния) и прямым синтезом (концентрированная).

В зависимости от условий ведения производственного процесса различают типы схем:

1) Схема, работающая под давлением 0,716 МПа.

Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716 МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 тыс. т\год (100%-ной азотной кислоты). Восстановление оксидов азота происходит на двухступенчатом катализаторе АПК-2 и Al2O3. Содержание оксидов азота в отходящих газах после каталитической очистки не более 0,005% (об.). Агрегаты, работающие под давлением 0,716 МПа, оснащены приборами автоматизации, позволяющими управлять процессом из ЦПУ. Эти агрегаты характеризуются высокой степенью использования энергии процессов, большой мобильностью при пуске, остановках и изменении нагрузок, большой единичной мощностью и эффективной очисткой отходящих газов от оксидов азота.

НТР процесса:

- содержание аммиака в АВС, % (об.) – 9,7 – 10,7

- температура, ˚С:

АВС – 180-230

Контактирования – 890-910

- концентрация продукционной кислоты, % (масс.) – 58-60

Схема спроектирована в 1968 г. (цех №5).

2) Крупнотоннажный агрегат АК-72.

Производство разбавленной азотной кислоты в агрегате АК-72 осуществляется по комбинированному методу: окисление аммиака проводится под давлением 0,42 МПа, абсорбция оксидов азота – при 1,1 МПа.

При давлении 0,42 МПа можно достичь высокой степени конверсии аммиака (до 97%) и расход платины будет составлять не более 0,1-0,12 г\т азотной кислоты.

Особенностью агрегата АК-72 является применение высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота с помощью природного газа и подача горячих выхлопных газов в газовую турбину без предварительного охлаждения.

Агрегат АК-72 автоматизирован. Пуск и управление всех процессов осуществляется через ЦПУ.

При снижении к.п.д турбин высокого и низкого давления в результате загрязнения проточной части осевого воздушного компрессора и утечки газов через неплотности производительность агрегата снижается.

Производительность агрегата АК-72 составляет 1150 т\день.

НТР процесса:

- концентрация продукционной кислоты, % (масс.) – 58-60

- температура контактирования, ˚С – 840-880

- катализатор – платиноидные сетки.

3) Крупнотоннажный модернизированный агрегат АК-72М.

Комплексное устранение недостатков в агрегате АК-72М достигнуто исключением из схемы высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, исключено применение катализатора АПК-72, в котором используется дефицитный металл – палладий, выхлопные газы не содержат оксидов углерода и метана, но добавляется до 0,01% (об.) аммиака, энергозатраты снижены на 15%, но для повышения надежности и стабильности работы агрегата холодильники-конденсаторы изготовляют из титана.

На стадии конверсии окисление аммиака проводят на платиновом катализаторе и неплатиновом катализаторе НК-2У. На стадии селективной очистки от оксидов азота применяется алюмомедьцинковый катализатор АМЦ-10.

Производительность 380000 т\год, концентрация товарной азотной кислоты 60%.

Агрегат спроектирован в 1976 г.

4) Комбинированная схема с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.

Система состоит из нескольких агрегатов мощностью 45-50 тыс.т\год (в пересчете на 100%-ную азотную кислоту). Концентрация продукционной кислоты 47-50% (масс.).

Бóльшая часть агрегатов, работающих под давлением 0,35-0,4 МПа, оснащена установками селективной очистки отходящих газов от оксидов азота на ванадиевом катализаторе с применением в качестве восстановителя аммиака.

На стадии окисления аммиака используют платиновый катализатор, на стадии каталитической очистки – ванадиевый катализатор АВК-10М.

По сравнению с другими системами эта система характеризуется приблизительно на 40% меньшими капитальными затратами и отсутствием стадии щелочной абсорбции. К недостаткам системы относится повышенный расход электроэнергии, малая мощность агрегатов и большой расход аммиака в связи с применением низкотемпературной каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота.

НТР процесса:

- содержание механических примесей в воздухе перед контактными аппаратами, мг\м3 – н\б 0,007

- содержание аммиака в АВС, % (об.) – 10,5-11,5

- температура, ˚С:

АВС – 67-75

Контактирования – 800-820

- степень конверсии аммиака, % - 96,5-97,5

- концентрация продукционной кислоты, % - 47-49

Вывод: в связи с вышеперечисленными достоинствами и недостатками методов выбирается комбинированная схема с давлением на стадии абсорбции 0,35-0,4 МПа.

1.2 Основные физико-химические свойства сырья и готовой продукции. Государственные стандарты на них

1.2.1 Исходное сырье

Аммиак: в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, с воздухом и кислородом образует взрывоопасные смеси.

Химическая формула – NH3

Молекулярный вес – 17,03

Плотность, кг \ м3:

Жидкий аммиак – 681

Газообразный - 770

Температура самовоспламенения – 650 ˚С.

Температура затвердевания – 77,75 ˚С.

Без катализатора разлагается при температуре 1000 ˚С, с катализатором – при 300 ˚С.

Должен соответствовать ГОСТ 6221-90.

Воздух: сухой воздух должен содержать (% об.): N2 - 78.1; O2 – 21.0; Ar2 – 0.9; содержание водяных паров колеблется от 0,1 до 2,8 % (об.). В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганических газовых выбросов. Количество пыли в воздухе составляет 0,5 – 1,0 мг\м3.

Должен соответствовать ГОСТ 24484.

1.2.2 Вспомогательные материалы и катализаторы

Таблица 1 – Вспомогательные материалы и катализаторы

1.2.3 Готовая продукция

Азотная кислота.

Физико-химические свойства:

Химическая формула- НNO3

Молекулярная масса- 63,0

Плотность 46-48% азотной кислоты

при температуре 200С-1,285 - 1,298 кг/дм3

Температура замерзания- минус 210С - минус 19,50С

Температура кипения при давлении 0,1 МПа- 115 - 115,50С

Таблица 2 – Нормы для сортов неконцентрированной азотной кислоты

Кислота азотная неконцентрированная должна соответствовать требованиям ОСТ 113-03-270-90.

Азотная кислота является одним из исходных продуктов для получения большинства азотосодержащих веществ. До 70 – 80 % ее количества расходуется на получение минеральных удобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатых веществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; в промышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель в различных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства.

1.3 Теоретические основы принятого метода

Неконцентрированную азотную кислоту получают контактным окислением аммиака в две стадии:

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

4NH3 + 5О2 = 4NO + 6Н2О + 904 кДж (2)

- вторая стадия - окисление оксида азота (II) в высшие оксиды и поглощение их водой с образованием кислоты

2NO + О2 = 2NO2 + 212,7 кДж (3)

3NО2 + Н2О = 2НNO3 + NO + 73,6 кДж (4)

Суммарная реакция получения азотной кислоты может быть представлена уравнением:

NH3 + 2О2 = НNO3 + Н2О + 329,5 кДж

Производство неконцентрированной азотной кислоты осуществляется комбинированным способом: окисление аммиака происходит под атмосферным давлением, абсорбция оксидов азота происходит под давлением 0,35 МПа (3,5 кгс/см2).

Так как расходуется воздух на окисление, то в продукте реакции всегда находится азот.

В зависимости от катализатора и условий проведения процесса преобладают те или иные реакции. Состав конечных продуктов определяется избирательностью катализатора. Катализаторами для процесса являются следующие металлы: Pt, Pl, Cu, Ag, Ni, Au, Fe, W, Ti.

Достоинства платины:

1) Платина наиболее активна для реакции, обеспечивает при температуре 600-1000 оС высокий выход оксида азота (до 99%) при времени контакта 1· 10-4 с.

2) Платина имеет температуру инициации реакции, равную 195-200 оС.

3) Имеет хорошую пластичность, ковкость, тягучесть, что делает сплавы платины самыми лучшими катализаторами окисления аммиака.

Недостатки платины:

1) Ее склонность к разрушению при температуре конверсии под воздействием реакционной смеси.

2) Подверженность влиянию большого количества ядов, поэтому исследовались и применяются сплавы платины с различными металлами.

Катализатор применяют в виде сеток. Эта форма удобна в эксплуатации, характеризуется минимальным вложением платиноидов и позволяет применять наиболее простой и удобный в эксплуатации тип контактного аппарата. Для изготовления сеток используют проволоку Д=0.06-0.09 мм. Размер стороны ячейки 0,22 мм, число ячеек1024 на 1 см2.

Окисление аммиака до NO относится к гетерогенным системам. Скорость реакции окисления зависит в первую очередь от скорости диффузии O2 и NH3 к поверхности катализатора. Скорость диффузии аммиака к поверхности платиноидного катализатора ниже, чем скорость диффузии кислорода, поэтому она и является определяющей скорость окисления аммиака до NO.

Скорость окисления зависит от времени контактирования, температуры, давления, соотношения NH3 : O2.

Увеличение времени пребывания АВС в зоне катализа, т.е. уменьшение скорости газового потока, ведет к образованию элементарного азота. Увеличение скорости газа выше оптимальной уменьшает время пребывания газовой смеси в зоне катализа, что ведет к проскоку аммиака в поток нитрозного газа.

Процесс окисления оксида в диоксид осуществляется кислородом, находящимся в нитрозном газе.

2NO2 + O2↔2NO2 + 112,3 кДж (5)

2NO2↔N2O4 + 56,9 кДж (6)

NO2+ NO↔ N2O3 + 40 кДж (7)

Реакция 2 протекает только в жидкой фазе, а 1 и 3 – газовой. Все реакции экзотермические, обратимы, идущие с понижением объема, без катализатора.

По принципу Ле-Шателье с повышением температуры равновесие реакции сдвигается влево, что приводит к снижению выхода NO2. Для ускорения этой реакции целесообразно применять повышенные давления, пониженные температуры, а также повышенные концентрации NO и O2. Скорость реакции пропорциональна квадрату концентрации NO в газовой смеси и концентрации O2.

Нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, содержат NO2, N2O3, и NO. Все эти оксиды кроме NO реагируют с водой с образованием азотной кислоты. Суммарно процесс образования азотной кислоты описывается в виде следующих уравнений:

3NO2+H2O=2HNO3 + NO (8)

3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO (9)

Реакции экзотермичны, обратимы, гетерогенные, непрерывные, с уменьшением газового объема.

Полностью переработать оксиды азота в азотную кислоту при водной абсорбции невозможно. В газах, выходящих из абсорбционной колонны, всегда будут присутствовать оксиды азота, содержание которых зависит от условий их поглощения.

При избытке оксида азота будет происходить разложение азотной кислоты, поэтому необходимо вводить дополнительный кислород для максимального превращения NO в NO2.

Понижение температуры на 10 ˚С увеличивает скорость поглощения оксида азота в 2,5 раза, а скорость окисления NO в NO2 в 1,5 раза. Практически установлено, что температура абсорбции должна быть 20-35 ۫ С.

При увеличении давления: увеличивается скорость поглощения оксидов, но концентрация азотной кислоты повышается незначительно; повышается растворимость NO2 азотной кислоте, а это является большим минусом, поэтому азотная кислота после абсорберов подают в продувочную колонну, где ее продувают воздухом, удаляя NO2, продувочный газ возвращают в систему, а очищенная кислота идет на склад.

При тепловых процессах тепло передается от одного вещества к другому. Для самопроизвольного переноса одного из этих веществ должно быть более нагрето, чем другое. Вещество с более высокой температурой, которое в процессе теплообмена отдает тепло, называется горячим теплоносителем, а вещество с более низкой температурой, принимающее тепло, - холодным теплоносителем.

Существуют два основных способа проведения тепловых процессов:

1) Передача тепла непосредственным соприкосновением: теплоносители обычно смешиваются друг с другом, что не всегда допустимо; поэтому данный способ применяется сравнительно редко, хотя он значительно проще в аппаратурном оформлении.

2) Передача тепло через стенку: теплоносители не смешиваются и каждый из них движется по отдельному каналу; поверхность стенки, разделяющей теплоносители, используется для передачи тепла и называется поверхностью теплообмена.

Различают установившиеся и неустановившиеся процессы теплоотдачи.

При установившемся (стационарном) процессе температуры в каждой точке аппарата не изменяются во времени. При неустановившемся (нестационарном) процессе температуры изменяются во времени.

Передача тепла от одного тело к другому может происходить посредством теплопроводности, конвекции и лучеиспускания.

Нагревающие агенты: водяной пар (150-170 ˚С), пары высококипящих жидкостей (выше 150-170 ˚С), горячие газы (от 400 до 700-1000 ˚С), электрический ток (1000-2000 ˚С).

Охлаждающие агенты: воздух , вода (40-50 ˚С), низкотемпературные агенты (ниже 5-20 ˚С).

1.4 Описание технологической схемы узла

Для окисления аммиака используется кислород воздуха, забираемый непосредственно около отделения из атмосферы через агрегатные воздухозаборные трубы высотой 25 м и диаметром 820х3 мм.

Для очистки воздуха от механических загрязнений предусмотрен аппарат (ОВ) в котором расположен суконный фильтр. Суконный фильтр выполнен в виде рукавов, закрепленных на раме в количестве 89 шт. После очистки воздух по трубопроводу направляется на всас газодувки (ГД), входящей в состав агрегата.

Предварительная очистка аммиака от механических примесей и масла, перед поступлением его в газодувку, осуществляется на матерчатых фильтрах (Ф). Каждый фильтр состоит из 15-ти фильтрующих секций, заключенных в общий корпус. Фильтрующим материалом служит хлопчатобумажная замша.

После фильтров аммиак поступает в общий коллектор, от которого имеются отводы к смесителям агрегата, где он смешивается с воздухом.Из газодувки (ГД) аммиачно-воздушная смесь поступает в подогреватель АВС (ПА), где подогревается до температуры 60 ÷ 700С за счет тепла нитрозных газов, выходящих из котлов-утилизаторов (КУ).

После подогревателя (ПА) аммиачно-воздушная смесь поступает в контактный аппарат (КА). Контактный аппарат состоит из двух частей: верхняя часть с картонным фильтром и нижняя часть с двухступенчатым катализатором.

Верхняя часть контактного аппарата с фильтром служит для тонкой очистки аммиачно-воздушной смеси от механических примесей. Картонный фильтр состоит из пяти фильтровальных пакетов, каждый пакет собран из 56 картонных колец в жестком каркасе.

Для равномерной подачи АВС на катализатор, после фильтров установлена газораспределительная решетка.

Аммиачно-воздушная смесь, проходя сверху вниз в контактном аппарате, поступает на платиноидную сетку и слой неплатинового катализатора КН-2, где при температуре не более 8250С происходит окисление аммиака.

Выход оксидов азота от количества окисляемого аммиака не должен быть ниже 96%. В случае снижения степени конверсии ниже 96%, катализаторная сетка подлежит регенерации. Срок службы катализаторной сетки 7200 часов. Срок службы неплатинового катализатора не более 6 лет.

Нижняя часть аппарата футерована внутри огнеупорным кирпичом.

Образующиеся при окислении аммиака нитрозные газы, содержащие 10÷11% оксидов азота, поступают после контактного аппарата в котел-утилизатор (КУ), который расположен непосредственно под контактным аппаратом.

Питание котла-утилизатора производится деаэрированной водой. Поток нитрозных газов с температурой не более 8250С в котле-утилизаторе отдает свое тепло деаэрированной воде, при этом получается перегретый пар с температурой не более 4500С и давлением не более 3,9 МПа (39 кгс/см2).

Нитрозные газы из двух агрегатных котлов-утилизаторов с температурой 140 ÷2100С направляются в подогреватель АВС, где охлаждаются до температуры 100 ÷ 1100С и далее поступают в газовые холодильники-промыватели (ХП).

В газовых холодильниках-промывателях происходит дальнейшее охлаждение нитрозного газа оборотной водой до температуры 45 ÷ 600С и частичная конденсация водяных паров с образованием азотной кислоты с концентрацией 10÷15% (конденсат азотной кислоты - КАК). КАК самотеком поступает в баки отстойники и далее в буферные баки . Из буферного бака часть КАК насосами подается на верхние тарелки холодильников-промывателей (ХП) для промывки нитрозного газа от аммонийных солей, образующихся при проскоках аммиака через катализаторные сетки. Основная часть КАК перекачивается в бак кислого конденсата , где смешивается с паровым конденсатом и обессоленной водой, откуда насосами через холодильники подается на 40-ю тарелку абсорбционных колонн.

При необходимости, КАК из буферного бака насосами может подаваться на 8, 10 и 15 тарелки абсорбционных колонн для переработки.

В газовых холодильниках-промывателях протекают следующие реакции:

2NO + О2 = 2NO2 + 212,7 кДж

2NO2 = N2О4 + 56,9 кДж

N2О4 + Н2О = НNO3 + НNO2 + 74,8 кДж

НNO3 + NH3 = NH4NO3 + 148,6 кДж

НNO2 + NH3 = NH4NO2 + 121,9 кДж

Из цеха водоподготовки химочищенная вода поступает в отделение I и подается на деаэрацию. Химочищенная вода может подаваться на деаэрацию напрямую или через подогреватель (ПВ), где подогревается "сепаратом".

После подогревателя, или пройдя напрямую (по байпасу), ХОВ поступает на верхнюю распределительную тарелку деаэрационной колонны (ДК). Проходя последовательно ситчатые тарелки в колонне, вода подогревается паром вторичного вскипания давлением 0,05 МПа, вводимым непосредственно в химочищенную воду в нижнюю часть колонны и деаэрируется.

Растворенные в воде кислород и диоксид углерода (углекислый газ) выделяются из нее и вместе с частью пара направляются в конденсатор, где пар конденсируется и конденсат стекает в баки, а газы уходят в атмосферу.

Деаэрированная и подогретая вода из деаэрационной колонны стекает в деаэраторный бак (ДБ), куда также подается паровой конденсат. В деаэраторном баке смесь химочищенной воды и парового конденсата подвергается повторной деаэрации через барботажное устройство, острым паром давлением 0,8 ÷ 1,3 МПа (8 ÷13 кгс/см2) (МС-П2), поступающим из цехового коллектора перегретого пара. После деаэрации питательная вода с температурой 102 ÷ 104 0С поступает на всас насосов (НП) и подается по двум коллекторам питательной воды в агрегатный подогреватель (ППВ), установленный перед котлами-утилизаторами. В подогревателе питательная вода подогревается паром до температуры не менее 1300С и через фильтры и дроссельные шайбы поступает в котел-утилизатор (КУ) с давлением МПа (40 ÷ 74 кгс/см2).

В котле-утилизаторе прямоточного типа питательная вода проходит экономайзеры первой и второй ступени, пароиспарительный пакет. В пароиспарительном пакете образуется пароводяная эмульсия с объемной концентрацией пара 75÷88%.

Пароводяная эмульсия из пароиспарительного пакета направляется в два параллельно расположенных сепаратора пленочного типа, где производится осушка пара. Сухой насыщенный пар направляется в пароперегреватель котла-утилизатора, где он перегревается до температуры не более 4500С и выдается в общий коллектор перегретого пара с давлением не более 3,9МПа (39 кгс/см2). Общий коллектор перегретого пара имеет арматуру, разделяющую его на отдельные участки.

Из коллектора пар подается на редукционно-охладительную установку (РОУ-1) и редукционные установки (РУ-1, РУ-2, РУ-5, РУ-6, РУ-7). РОУ предназначена для увлажнения, охлаждения и регулировки давления полученного пара, а РУ - для снижения давления пара до определенных параметров перед выдачей его потребителям. Для охлаждения пара в смесительную камеру РОУ-1 подается вода от питательных насосов с температурой 102÷1040С.

На выходе пара из каждого котла-утилизатора (КУ) и на РОУ-1 установлены предохранительные клапаны.

Отделившаяся в сепараторах вода, называемая сепаратом, с температурой 200 ÷ 2500С поступает в копилку. В копилке автоматически поддерживается уровень сепарата, а излишки направляются в сепаратор непрерывной продувки, где при снижении давления происходит вскипание сепарата и частичное его превращение в пар. Пар вторичного вскипания давлением не более 0,7 МПа (7 кгс/см2) из сепаратора непрерывной продувки подается в деаэрационную колонну (ДК). Неиспарившаяся вода направляется в подогреватель химочищенной воды (ПВ), где отдает свое тепло химочищенной воде подаваемой на деаэрацию. Затем сепарат направляется в баки-барботеры, где смешивается с охлаждающей водой и сбрасывается в промливневую канализацию.

Во время работы котла-утилизатора поддерживается соотношение "небаланса" пар: вода в пределах 12 ÷ 25%, это значит, что 12 ÷ 25% воды поступающей в котел, должно непрерывно сбрасываться через копилки в виде сепарата.

Деаэрированная вода из деаэраторных баков I и II по отдельному трубопроводу с температурой 102 ÷ 1040С поступает в межтрубное пространство подогревателя химочищенной воды. Охлажденная до температуры 60 ÷ 900С, за счет химочищенной воды поступающей в трубное пространство подогревателя, деаэрированная вода с давлением 0,03 ÷ 0,08 МПа (0,3 ÷ 0,8 кгс/см2) поступает на всас подпиточных насосов, откуда с давлением 0,35 ÷ 0,55 МПа (3,5 ÷ 5,5 кгс/см2) подается в теплофикационный коллектор на подпитку системы теплофикации.

Подогретая в подогревателе (поз.99) химочищенная вода с температурой от 60 до 800С поступает на деаэрацию.

Для подпитки системы теплофикации в количестве до 25 м3/час, деаэрированная вода с I и II коллекторов питательной воды давлением до 7,4

МПа (74 кгс/см2) и температурой 102 ÷ 1040С поступает в теплообменник, где охлаждается химочищенной водой до температуры 60 ÷ 900С. Подогретая химочищенная вода после теплообменника (ПВ) направляется на деаэрацию.

Таблица 3 – Нормы технологического режима

1.5 Выбор оборудования

1.5.1 Выбор конструкции основного аппарата

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

- поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой, причем тепло передается через поверхность этой стенки;

- регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется по времени на два периода и происходит при переменном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

- смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Устройства теплообменных аппаратов.

Кожухотрубчатые теплообменники состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб расположен внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой – в пространстве между кожухом и трубами (межтрубное пространство).

Достоинства кожухотрубчатых теплообменников: компактность, небольшой расход металла, легкость отчиски труб изнутри (за исключением теплообменников с U-образными трубами).

Недостатки таких теплообменников: трудность пропускания теплоносителей с большими скоростями, трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта, трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки (чугун, ферросилид и др.).

Теплообменники «труба в трубе». Такие теплообменники включают несколько расположенных друг над другом элементов, причем каждый элемент состоит из двух труб: наружной трубы большого диаметра и концентрически расположенной внутри нее трубы. Внутренние трубы элементов соединены друг с другом последовательно; так же связаны между собой и наружные трубы. Для возможности очистки внутренние трубы соединяют при помощи съемных калачей.

Преимущества этих теплообменников: высокий коэффициент теплопередачи вследствие большой скорости обоих теплоносителей, простота изготовления.

Недостатки: громоздкость, высокая стоимость ввиду большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене; трудность очистки межтрубного пространства.

Оросительные теплообменники. Оросительные теплообменники состоят из змеевиков, орошаемые снаружи жидким теплоносителем (обычно водой), и применяются главным образом в качестве холодильников. Змеевики выполнены из прямых горизонтальных труб, расположенных друг над другом и последовательно соединенных между собой сваркой или на фланцах при помощи калачей. Орошающая вода подается на верхнюю трубу, стекает с нее на нижележащую трубу и, пройдя последовательно по поверхности всех труб, стекает в поддон, расположенный под холодильником.

Достоинства: пониженный расход охлаждающей воды; простота устройства и дешевизна; легкость осмотра и наружной очистки труб.

Недостатки: громоздкость; сильное испарение воды; чувствительность к колебаниям подачи воды; при недостатке воды нижние трубы не смачиваются и почти не участвуют в теплообмене.

Погружные теплообменники состоят из змеевиков, помещенных в сосуд с жидким теплоносителем. Другой теплоноситель движется внутри змеевиков. При большом количестве этого теплоносителя для сообщения ему необходимой скорости применяют змеевики из нескольких параллельных секций.

Преимущества: простота изготовления; доступность поверхности теплообмена для осмотра и ремонта; малая чувствительность к изменениям режима вследствие наличия большого объема жидкости в сосуде.

Недостатки: громоздкость; неупорядоченное движение (незначительная скорость) жидкости в сосуде, в результате чего теплоотдача снаружи змеевиков происходит путем свободной конвекции с невысоким коэффициентом теплоотдачи; трудность внутренней очистки труб.

Вывод: в связи с вышеперечисленными достоинствами и недостатками рассмотренных видов теплообменников выбирается погружной теплообменник типа котел утилизатор.

Котел-утилизатор прямоточный сепараторного типа УС-2,6/39 предназначен для утилизации тепла нитрозных газов с выработкой энергии энергетического пара давлением 3,92 МПа и температурой 440±10 ˚С. Включает два испарительных пакета, два пароперегревателя, размещенных в корпусах контактных аппаратов (температура нитрозных газов после них понижается от 850 до 300˚С), и один экономайзер, где питательная вода подогревается от 150 до 250 ˚С, а температура нитрозных газов снижается до 200-230 ˚С.

Высота – 5750 мм

Диаметр – 2770 мм

Поверхность теплообмена – 368 м2

1.5.2 Характеристика оборудования

Контактный аппарат (КА) предназначен для окисления аммиака до оксида азота. Состоит из 2-х частей: верхняя часть с картонным фильтром, который служит для тонкой очистки АВС, нижняя часть с катализаторными сетками – для окисления аммиака. Картонный фильтр состоит из 5-ти фильтровальных пакетов, заключенных в цилиндрический корпус, и изготовлен из фильтровального картона ФМП-1. нижняя часть – катализаторная сета из платинородиевопалладиевого сплава и слой неплатинового железохромового катализатора.

Диаметр – 3020 мм

Высота – 4200 мм

Диаметр сеток – 2900 мм

Вес сеток – 6184-7260 г

Активная поверхность катализаторной сетки – 11м2

Содержание: платины – 92,5%

Родия – 3,5 %

Палладия – 4,0 %

Диаметр проволоки – 0,09 мм

Число сплетений – 1024 на см2

Аппарат для очистки воздуха (ОВ) предназначен для очистки воздуха от механических загрязнений.

Поверхность фильтрации рукавных фильтров – 220 м2

Диаметр тарельчатого промывателя – 3000мм

Диаметр фильтра – 4000 мм

Высота – 11800 мм

Подогреватель АВС (ПА) предназначен для подогревания аммиачно-воздушной смеси нитрозными газами.

Диаметр – 1100 мм

Высота – 4645 мм

Диаметр трубок – 38 х 2,5 мм

Поверхность теплопередачи – 190 м2

Газовый холодильник-промыватель (ХП) предназначен для охлаждения и промывки нитрозного газа от аммонийных солей.

Д = 2800 мм;

Н = 5440 мм;

Fзмеевиков = 110 м2;

øтр. = 38х2,5 мм

Количество ситчатых тарелок – 3

Деаэрационная колонна (ДК) предназначена для деаэрации смеси ХОВ и парового конденсата, поступающей на питание котлов-утилизаторов.

Д = 1100 мм;

Н = 2530 мм.

1.6 Автоматизация технологического процесса и аналитический контроль производства

1.6.1 Автоматизация технологического процесса

Под автоматизацией понимают применение методов и средств автоматики для управления производственным процессом.

Конечной целью автоматизации является создание полностью автоматизированного производства, где роль человека сведется к составлению режимов и программ технологических процессов, к контролю за работой приборов, ЭВМ и их наладке.

К параметрам, подлежащим регулированию, относят давление и температуру в аппаратах, расход сред, используемых в технологическом процессе, уровень веществ в аппаратах, состав и качественные показатели сырья и готовой продукции.

Устройства контроля служат для получения и отображения текущих значений параметров процесса.

Устройства регулирования (регуляторы) предназначены для поддержания текущего значения параметра равным заданному.

Устройства программного управления служат для включения и выключения различных механизмов, машин и аппаратов по заранее заданной временной программе.

Устройства сигнализации предназначены для оповещения оперативного технологического персонала о наступлении тех или иных событий в объекте управления подачей звуковых и (или) световых сигналов.

Устройства защиты (блокировки) предназначены для предотвращения аварий, пожаров, взрывов, выхода из строя оборудования.

На линиях аммиака установлены узлы учета по измерению расхода (ДМПК-100), давления (ДМПК-4) и температуры (КСМ-3).

Объемная концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси регулируется (ПРЗ-24) автоматически пневмоклапаном в пределах 10 ÷ 11,5%.

Расход (ДМПК-100) деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор, регулируется пневмоклапаном дистанционно вручную.

На выходе пара из каждого котла-утилизатора (КУ) и на РОУ-1 установлены предохранительные клапаны.

Регулирование давления на нагнетании подпиточных насосов осуществляется регулирующим (ПРЗ-21) пневмоклапаном, установленным на байпасном узле между коллекторами всаса и нагнетания.

Таблица 4 – Описание функциональной схемы автоматизации технологического процесса

Таблица 5 – Аналитический контроль

1.7 Отходы производства, их применение

В производстве азотной кислоты комбинированным методом в качестве отходов производства образуются "хвостовые" газы, очищенные в реакторах каталитической очистки, вентиляционные выбросы вредных веществ, сточные воды.

После абсорбционных колонн образуются "хвостовые" газы с содержанием NO + NO2 не более 0,5 % об. (при получении неконцентрированной азотной кислоты) и не более 0,2 % об. (при получении нитроолеума), которые направляются на установку каталитического разложения оксидов азота до элементарного азота газообразным аммиаком на алюмованадиевом катализаторе АВК-10 (АОК-78-55) и железохромовом катализаторе СТК-1 при температуре 320оС и давлении не более 0,35 МПа.

Очищенные "хвостовые" газы после реакторов каталитической очистки с температурой не более 320оС, направляются в турбодетандеры для рекуперации энергии и далее в выхлопную трубу.

Отдувочные газы из хранилищ, продувочных колонок и отделения 2 поступают на всас турбокомпрессора.

Кроме того, в цехе имеются вентиляционные выбросы оксидов азота и аммиака из контактного отделения, машинного отделения, насосной продукционной кислоты.

Сточные воды из отделения неконцентрированной азотной кислоты выводятся по:

- хозфекальной канализации;

- промливневой канализации;

- канализации химзагрязненных стоков.

Таблица 6 – Твердые отходы производства

1.8 Охрана труда и промышленная экология

Для обеспечения безопасного режима работы в производстве неконцентрированной азотной кислоты по комбинированной схеме необходимо строгое выполнение технологического регламента, инструкций по охране труда по рабочим местам, инструкции по охране труда и промышленной безопасности отделения, инструкций по отдельным видам работ.

Обслуживающий персонал допускается к работе в положенной по нормам спецодежде и спецобуви, обязан иметь при себе исправные средства индивидуальной защиты. Средства защиты (индивидуальный противогаз) обязательно проверяется ежесменно перед началом работы.

Лица, обслуживающие механизмы, должны знать правила Госгортехнадзора, относящиеся к обслуживаемому оборудованию. Лица, обслуживающие котлонадзорное оборудование, - правила котлонадзора.

Не допускать нарушения нормального технологического режима на всех стадиях процесса.

Работы вести только на исправном оборудовании, оснащенном всеми необходимыми и исправно действующими предохранительными устройствами, контрольно-измерительными и регулирующими приборами, сигнализациями и блокировками.

При сдаче в ремонт оборудования и коммуникаций, в которых возможно скопление аммиака, производить продувку оборудования и коммуникаций азотом до отсутствия в продувочном азоте горючих.

Перед заполнением аппаратов и коммуникаций аммиаком после их ремонта производить продувку азотом до содержания кислорода в продувочном азоте не более 3,0% об.

Не допускать ремонт коммуникаций, арматуры, оборудования, находящихся под давлением. Ремонт должен производиться после сброса давления и отключения ремонтируемого участка заглушками. Оборудование, коммуникации, подлежащие ремонту, должны быть продуты или промыты.

Во избежание гидравлических ударов подачу пара в холодные паропроводы производить медленно, обеспечив достаточный их подогрев со сбросом конденсата по всей длине трубопровода. Выход сухого пара из дренажа свидетельствует о достаточном прогреве трубопровода.

Не допускать включение эл.оборудования при неисправном заземлении.

Не допускать ремонт оборудования с электроприводом, без снятия напряжения с электродвигателей.

Ремонт и наладку КИПиА и электрооборудования производить только силами служб КИП и электриков.

Пользоваться открытым огнем в производственных и складских помещениях запрещается:

- огневые работы производятся только при наличии наряда-допуска, подписанного начальником цеха и утвержденного начальником управления группой цехов по ПМУ после согласования с инженером по охране труда управления ГЦ по ПМУ;

- курение разрешается в отведенных для этих целей местах.

Все вращающиеся части оборудования (полумуфты), крыльчатки вращающихся вентиляторов, на валах электродвигателей должны иметь надежное крепление и ограждены, и окрашены в красный цвет.

Фланцевые соединения кислотных линий должны быть защищены защитными кожухами.

Подтягивание болтов фланцевых соединений трубопроводов, а также производство работ на оборудовании, находящемся под давлением, не допускается.

Аппараты, работающие под давлением, должны удовлетворять требованиям, изложенным в технических условиях и правилах устройства и безопасной эксплуатации сосудов и коммуникаций, работающих под давлением.

Работы в закрытых сосудах производить при наличии наряда-допуска на проведение газоопасных работ.

Вентиляция должна быть в исправном состоянии и находиться постоянно в работе.

Обслуживание грузоподъемных механизмов, сосудов, работающих под давлением, производится только лицами, специально обученными и имеющими специальное удостоверение.

Подходы к аварийным шкафам, пожарным извещателям, телефонам, пожарному инвентарю не допускается загромождать посторонними предметами, содержать их необходимо в чистоте и в исправном состоянии.

Открытые проемы в перекрытиях, площадках, переходные мостики должны иметь ограждения высотой 1 м. В нижней части ограждения должен располагаться бортик или защитная полоса высотой 15 см.

Все контрольно-измерительные приборы и системы автоматики и блокировки должны находится в исправном состоянии.

Для предотвращения отложения нитрит-нитратных солей на внутренних поверхностях аппаратов и трубопроводов, лопастях роторов, стенах компрессоров нитрозного газа и других деталях и аппаратах не допускать длительного розжига контактных аппаратов (более 20 минут), снижения температуры катализаторных сеток, разрыва их, приводящих к проскокам аммиака, прекращения орошения поверхностей, что приводит к отложению нитрит-нитратных солей.

Своевременно производить обтирку, очистку оборудования от проливов технологических продуктов, доливку масла в картеры насосов.

Рабочие места для проведения ремонтных и других работ и проходы к ним на высоте 1,3 м и более должны быть ограждены.

При невозможности или нецелесообразности устройства ограждений работы на высоте 1,3 м и выше, а также при работе с приставной лестницы на высоте более 1,3 м необходимо применять предохранительные пояса, при этом у места производства работ должны находиться вспомогательные рабочие, готовые оказать помощь работающему на высоте. Место закрепления карабина определяет руководитель работ.

Предохранительные пояса проходят испытания перед выдачей в эксплуатацию, а также в процессе эксплуатации через каждые 6 месяцев. На предохранительном поясе должна быть бирка с указанием регистрационного номера и даты следующего испытания.

При работе с азотной кислотой (отбор проб, осмотр коммуникаций, пуск насосов продукционной кислоты и т.п.) необходимо применять индивидуальные средства защиты органов дыхания и зрения (фильтрующий противогаз с коробкой марки "М", защитные очки с резиновой полумаской или защитный щиток из оргстекла, или шлем от противогаза), резиновые кислотозащитные перчатки, специальную кислотозащитную одежду.

При выявлении каких-либо неисправностей в работе оборудования, дефектов опор, стенок и т.п. своевременно ставить в известность начальника отделения, механика цеха. При необходимости остановить оборудование и подготовить его к сдаче в ремонт.

При каждой остановке агрегата в ремонт производить вскрытие нижнего люка окислителя (поз.9) и при наличии солей аммония на распределительной решетке, по стенкам и днищу производить пропарку его острым паром, конденсат сдренировать.

Работы с паром, паровым конденсатом производить в спецодежде, спецобуви, рукавицах.

Для предупреждения проф.отравлений и проф.заболеваний в отделении должны соблюдаться следующие санитарно-гигиенические требования:

а) температура воздуха должна быть:

17-230С- переходной и зимний период;

18-270С- летний период;

б) относительная влажность воздуха:

летом- не более 75 %;

зимой - не более 65 %;

в) шум- не более 65 дБА в шумоизоляционных кабинах, ЦПУ, в остальных местах не более 80 дБА;

г) вибрация – не более 75 дБ в шумоизоляционных кабинах, ЦПУ, в машинном и контактном отделениях не более 92 дБ;

д) освещенность рабочих мест:

- ЦПУ, шумоизоляционные кабины - не менее 200 лк;

- на площадках абсорбционных колонн - не менее 50 лк;

- в машинном и контактном отделениях - не менее 75 лк;

е) предельно допустимая концентрация вредных веществ в воздухе рабочей зоны помещений:

- аммиак- не более 20 мг/м3;

- оксидов азота - не более 5 мг/м3.

Кроме индивидуальных противогазов в отделении находится аварийный запас фильтрующих и изолирующих противогазов.

Аварийные противогазы хранятся в аварийных шкафах.

2. Расчетная часть

Исходные данные для материального расчета:

Производительность цеха – 190000 т \ год по моногидрату

Производительность агрегата – 45000 т \год

Концентрация продукционной азотной кислоты (ОСТ 113-03-270-90):

Азотная кислота – 50%

Вода – 50%

Аммиак (ГОСТ 6221-90):

Содержание аммиака, % об. – не менее 99,6 %

Вода – 0,4 %

Степень окисления аммиака – 0,97 %

Степень абсорбции – 0,99 %

Степень использования оборудования – 0,965

Состав аммиачно-воздушной смеси (материальный баланс действующего производства), % (об.):

Аммиак – 11,1

Кислород – 17,9

Азот – 67,8

Вода – 3,2

2.1 Предварительный расчет

2.1.1 Рассчитываем часовую производительность

Пч = П \ 24 * 0,965 * 365 (1.1)

Где П – производительность цеха, т\год;

24 – часов в сутки;

0,965 – коэффициент использования оборудования;

365 – дней в году.

Пч = 190000 \ 24 * 0,965 * 365 = 22,475 т\час = 22475 кг\час

При средней производительности одного агрегата 45000 т\год моногидрата азотной кислоты, количество установок в проектируемом цехе составит:

N = Пч \ Пагр (1.2)

Где Пч – часовая производительность цеха, т\час;

Пагр – средняя произволительность одного агрегата, т\час;

N = 22,475 \ 5,130 = 4,38

Принимаем количество 5 агрегатов.

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

П = Пч \ N (1.3)

П = 22,47 \ 5 = 4,5 т\час или 4500 \ 63 = 71,42 кмоль

Где 63 – молекулярная масса азотной кислоты.

2.2 Расчет материального баланса на 1 агрегат в час

Определяем теоретическое количество аммиака, необходимого для получения 4,5 т\час моногидрата азотной кислоты по реакции:

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (1)

Так как на получение 1 моль моногидрата азотной кислоты расходуется 1 моль аммиака, то для получения 71,42 кмоль моногидрата соответственно необходимо 71,42 кмоль аммиака.

Расход аммиака с учетом степени окисления и абсорбции окислов азота составит:

С1NH3 = П \ 0,97 * 0,99 (2.1)

Где П – нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кмоль\час;

0,97 – степень окисления аммиака (дольные единицы);

0,99 – степень абсорбции (дольные единицы);

С1NH3 = 5,130 \ 0,97 * 0,99 = 5,342 кг или 5342,08 \ 17 = 314,23 кмоль

Определяем расход сухого воздуха при содержании аммиака в АВС 10,3 % об.

314,23 кмоль аммиака соответствует 10,3 % об.

Х кмоль воздуха соответствует 89,7 % об.

Х1 = 2736,54 кмоль\час воздуха.

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

2736,54 кмоль воздуха – 98,2 % об.

Х кмоль воды – 0,2 % об.

Х2 = 5,57 кмоль\час водяных паров.

Количество кислорода, поступающего в систему вместе с потоком воздуха.

С1О2 = х1 * 0,21 (2.2)

Где х1 – расход сухого воздуха;

0,21 – содержание кислорода в воздухе.

С1О2 = 2736,54 * 0,21 = 574,67 кмоль \ час

Количество азота, поступающего в систему с потоком воздуха.

С1N2 = х1 * 0,79 (2.3)

Где 0,79 – содержание азота в воздухе.

С1N2 = 2736,54 * 0,79 = 2161,86 кмоль \ час

Таблица 7 – Приход АВС в контактный аппарат.

Состав после окисления аммиака в соответствии с принятой степенью конверсии 97 % рассчитываем по следующим реакциям:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (2)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O (3)

Определяем количество оксида азота, образовавшегося по реакции (2) в час:

С1NO = С1NH3 * K1 (2.4)

С1NO = 314.23 * 0.97 = 304.803 кмоль \ час

Определяем количество инертного азота, образующегося по реакции (3) в час:

С2N2 = С1NH3 - С1NO \ 2 (2.5)

Где С1NH3 - расход аммиака;

С1NO – количество оксида азота.

С2N2 = 314,23 – 304,803 \ 2 = 4,71 кмоль\ час

Всего инертного газа в газовой смеси после окисления аммиака

С1N2общ = С1N2 + C2N2 (2.6)

Где С1N2 – количество азота;

C2N2 - количество инертного азота.

С1N2общ = 2161,86 + 4,71 = 2166,57 кмоль\час

Образующаяся вода по реакциям, которая находится в паровом состоянии:

8 моль аммиака образуют 12 моль воды

314,23 кмоль аммиака образуют х кмоль воды

Х3 = 471,34 кмоль\час

Определяем количество водяных паров, образовавшихся после окисления аммиака:

С(Н2О)общ. = х1 + х3 (2.7)

С(Н2О)общ. = 5,57 + 471,34 = 476,91 кмоль\час

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксидов азота по реакции (2) в час:

4 моль аммиака требуют 5 моль кислорода

314,23 кмоль аммиака требуют х кмоль кислорода.

Х4 = 392,78 кмоль \ час кислорода.

Количество расходуемого кислорода на окисление аммиака до оксида азота по реакции (3) принимаем 4 % от общего кислорода.

С(О2 – N2) = 0.75 * С1NH3 (1 – ŋК) (2.8)

С(О2 – N2) = 0,75 * 5342,08 * 0,025 = 3,13 кмоль \ час

Общий расход кислорода составит:

С(О2)общ = х4 + С(О2 – N2) (2,9)

С(О2)общ = 392,78 + 3,13 = 395,91 кмоль \ час

Определяем, сколько остается кислорода в газовой смеси после окисления аммиака:

СОСТ. = С1 О2 - С(О2)общ (2.10)

СОСТ. = 574,67 – 395,91 = 178,76 кмоль \ час

Таблица 8 – Расход из контактного аппарата

2.3 Тепловой расчет

Определяем приход тепла по реакциям

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 908 кДж (4)

4NH3 + 3О2 = 2NO3 + 6H2O + 1270кДж (5)

Q1 = QP * ПЧАС \ 4 * 10613, 3 (3.1)

Где QP – тепло в реакции,

ПЧАС – производительность часовая,

4 – коэффициент по реакции.

Q1 = 908 * 22,47 \ 4 * 10613,3 = 54135153 кДж = 5,4 * 107 кДж

Q2 = 1270 * 22,47 \ 2 * 219 = 3124790,6 кДж = 3,1 * 106 кДж

Определяем приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат.

Q3 = m * c * tX (3.2)

Где: m – количество поступающей аммиачно-воздушной смеси, кмоль,

с – средние мольные теплоемкости компонентов смеси в пределах от 0 до 250 ˚С, они составляют:

38,5 Дж для аммиака,

30,2 Дж для кислорода,

29,2 Дж для азота.

tX – температура смеси, ˚С.

Q3 = (38,5 * 314,23 + 30,2 * 574,67 + 29,2 * 2161,86) tX = 9,2 * 104 tX кДж

Определяем расход тепла с уходящими от сеток нитрозными газами при температуре конверсии 900 ˚С.

Q4 = (31,9 * 304,803 + 32,6 * 178,76 + 29,2 * 2166,57) * 900 = 7,09 * 107 кДж

Потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток, составляет:

Q5 = 0, 05 * Q4 (3.3)

Q5 = 0,05 * 7,09 * 107 = 3,54 * 106 кДж

Исходя из количества поступающего и расходуемого тепла можно определить температуру tX аммиачно-воздушной смеси, поступающей в конвертор.

Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 (3.4)

Где Q1 – приход тепла по реакции (4),

Q2 – приход тепла по реакции (5),

Q3 – приход тепла с аммиачно-воздушной смесью, поступающей в контактный аппарат,

Q4 – расход тепла с уходящими от сеток газами,

Q5 – потери тепла за счет изменения тепла, вызывающих понижение температуры катализаторных сеток.

Q = 5,4 * 107 + 3,1 * 106 + 9,2 * 104 + 7,09 * 107 + 3,54 * 106 = 13179,17 * 104 = 1,3 * 108 кДж

tX = Q + q \ mНГ * сНГ (3.5)

где: q – тепло с аммиачно-воздушной смесью,

mНГ – количество нитрозных газов,

сНГ – средняя теплоемкость нитрозных газов (1,223 кДж \ кг * град)

tX = 1,3 * 108 + 9,2 * 104 \ 84112,75 * 1,223 = 128,2 ˚С.

Котел-утилизатор

В данном случае тепло газа расходуется на получение пара, поэтому уравнение теплового баланса имеет вид:

Q = (W – W0) *св * (t2K – t2H) + W0 (J – св * t2H ) (3.6)

Где W – количество подаваемой на орошение воды, кг \ с;

Св – удельная теплоемкость воды, Дж \ кг ˚С;

t2K – конечная температура питательной воды, ˚С;

t2H – начальная температура питательной воды, ˚С;

W0 – количество испарившейся воды, кг \ с.

W0 = В * F0 (x “ – x) (3.7)

Где В – коэффициент испарения, кг \ м2 к;

F0 – площадь испарения, м2;

x “ – влагосодержание пара в месте соприкосновения его с водой;

х – влагосодержание пара в газообразном объеме, кг.

Площадь испарения определяем из уравнения:

F = 2 * 420 = 840 м2

W0 = 200 *840 (0,89 – 0,76) = 21840 кг \ ч = 6,06 кг \ с

Q = (6,9 – 6,06) 4190 (247 – 140) + 6,06 (694300 – 4190 * 140) = 276064,8 Вт

То есть для испарения 6,06 кг воды за 1 секунду требуется от нитрозного газа отнять количество теплоты в размере 276064,8 Вт.

2.4 Конструктивный расчет

2.4.1 Контактный аппарат

Время конверсии τ при температуре окисления аммиака 900 ˚С можно определить по уравнению

Lg = - 107 * k1 + 7.02 * 10-6 * k3 (4.1)

Где k1 = 0,97 – степень конверсии аммиака;

Lg = - 107 * 97 + 7,02 – 10-6 * 973 = 1,06 * 10-4 сек

Площадь сечения конвертора будет равна

S=100*τ*V0*TK*PH\1,1* m * d * PK * 273 (1 – 1.57 * den) (4.2)

Где: τ – время конверсии, сек;

V0 – объем аммиачно-воздушой смеси при 0 ˚С;

TK – температура конверсии, 900 + 273 = 1197 К;

PH – начальное давление, 9,8 * 104 н \ м3;

m – количество сеток;

d – диаметр проволоки сеток, 0,009 мм;

PK – давление газа при конверсии, 73 * 104 н\м;

n – число плетений на 1 см2, 1024 штук.

V0 = m * V \ 360 (4.3)

Где: m – масса аммиачно-воздушной смеси, кг;

V – объем при нормальных условиях.

V0 = 84112,75 * 22,4 / 360 = 5233,68 кг \ час

S = 100 * 1,06 * 10-4 * 5233,68 * 1173 * 980 \ 1,1 * 18 * 0,09 * 73 * 273 (1* * 1,57 * 0,009 * e1024) = 3,31 м 2

2.4.2 Котел-утилизатор

Сечение трубчатки

S1 = p \ 4 * dВ2 * n (4.4)

Где: dВ – внутренний диаметр трубок, м;

n – количество трубок, шт.

S1 = 3,14 \ 4 * 0,0512 * 480 = 0,98 м2

Сечение межтрубного пространства

S2 = 3,93 * S1 (4.5)

Где: 3,93 – отношение межтрубного сечения к сечению трубчатки.

S2 = 3,93 * 0,98 = 3,8 м2

Сечение, занято стенками трубок.

S3 = p \ 4 * (dH2 - dВ2) * n (4.6)

Где: dH – наружный диаметр трубок.

S3 = 3,14 \ 4 * (0,0572 – 0,0512) * 480 = 0,24 м2

Сечение кожуха трубчатки по внутреннему диаметру.

S4 = S1 + S2 + S3 (4.7)

Где: S1 – сечение трубчатки, м;

S2 – сечение межтрубного пространства, м;

S3 – сечение, занятое стенками трубок, м.

S4 = 0,98 + 3,8 + 0,24 = 5,02 м2

Определяем диаметр кожуха

D = e(4 * S4 \p) (4.8)

D = e(4 * 5.02 \ 3.14) = 2.5 м

Приведенный диаметр трубчатки определяем по уравнению

DПР = 4 * S1 \ П (4.9)

Где: П – смоченный периметр, м.

DПР = 4 * 0,98 \ 76,8 = 0,05

Смоченный периметр определяем по уравнению:

П = p * dВ * n (4.10)

П = 3,14 * 0,051 * 480 = 76,8

Определяем длину трубок

L = F \ p * dH * n * z (4.11)

Где: F – площадь теплообменника, м2;

Z – число ходов.

L = 840 \ 3.14 * 0.057 * 480 * 2 = 4,8 м = 4800 мм

Принимаем стандартную длину трубок 6000 мм.

Определяем диаметр штуцеров для подачи питательной воды.

Скорость воды принимаем равную 1 м \ сек.

dW1 = e(4 * G \ p * W2 * r) (4.12)

Где: G – расход воды, кг \ сек;

W – скорость движения питательной воды в штуцере, м \ сек;

r - плотность питательной воды.

dW1 = e(4 * 36,9 \ 3,14 * 12 * 1000) = 0,093 м или 93 мм

Принимаем стандартное значение равное 100 мм.

Определяем диаметр штуцера для отвода пара. Скорость пара в штуцерах принимаем равным 10 м \ сек.

dW2 = e(4 * G \ p * W2 * r) (4.13)

dW2 = e(4 * 6,9 \ 3,14 * 102 * 1000) = 359 мм

Принимаем стандартное значение, равное 450 мм.

Определяем диаметр штуцера для ввода нитрозных газов

dW3 = e(4 * G \ p * W2) (4.14)

dW3 = e(4 * 23.3 \ 82 * 1.4 * 3.14) = 589 мм

Диаметр штуцера для отвода нитрозных газов следует принять равным диаметру входного штуцера, то есть 600 мм, так как количество нитрозного газа, входящего в котел-утилизатор, равно количеству нитрозного газа, выходящего из него.

2.5 Расчет расходных коэффициентов

Определяем расчетный коэффициент по аммиаку на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(NH3) \ G(HNO3) (5.1)

Где: G(NH3) – количество аммиака, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час;

G(HNO3) – нагрузка по моногидрату на 1 агрегат, кг \ час.

5342,08 \ 4,5 = 1187,12 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по кислороду на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(O2)\G(HNO3) (5.2)

Где: G(O2) – количество кислорода, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

18389,44 \ 4,5 = 4086,54 кг \ час HNO3

Определяем расходный коэффициент по азоту на 1000 кг моногидрата азотной кислоты.

G(N2)\G(HNO3) (5.3)

Где: G(N2) – количество азота, поступающего с аммиачно-воздушной смесью, кг \ час.

60532,08\ 4,5 = 13451,57 кг \ час.

Заключение

В данном курсовом проекте было рассмотрено производство слабой азотной кислоты комбинированным методом с детальной разработкой котла-утилизатора.

Параметры рассчитанного котла-утилизатора:

Диаметр – 2500 мм

Высота – 5750 мм

Поверхность теплообмена – 840 м2

Длина трубок – 6000 мм

Диаметр штуцера для отвода пара – 450 мм

Диаметр штуцера для подачи питательной воды – 100 мм

Диаметр штуцера для ввода нитрозных газов – 600 мм

Список использованных источников

1) Дыбина П.В., Вишняк Ю.Л., Соловьева А.С. «Расчеты по технологии неорганических веществ» - М. Химия, 1987 г.

2) Мельников Е.Я. «Справочник азотчика» - М.: Химия, 1987 г.

3) Мельников Е.Я., Салтынова В.П., Наумова А.М., Блинова Ж.С. «Технология неорганических веществ и минеральных удобрений» - М.: Химия, 1983 г.

4) Шкатов Е.Ф., Шувалов В.В. «Основы автоматизации технологических процессов химических производств» - М.: Химия, 1988 г.