Коэффициент использования оборудования по времени

(в пределах года), % ...........…………………………….... 93,5 - 95,9

Выработка продукции с 1 м² застройки цеха, т/год ……… 37-42**

Общий объем зданий, м³/т HNO₃ в год .....……………….... 0,3 - 0,27*

 

* Уменьшение с ростом мощности

** Увеличение с ростом мощности

 

При прохождении газов в колонне снизу вверх со скоростью в свободном сечении 0,3—0,4 м/сек, а потока жидкости сверху вниз, на тарелках образуется пена с большой поверхностью раздела фаз, что способствует интенсивному массообмену. Для перетока жидкости с вышележащей тарелки на нижележащую служат две параллельные переточные трубки диаметром 57 X 3,5 мм, отделен­ные от барботажной зоны перегородкой высотой 250 мм. Нижние концы переточных трубок опущены в приемный карман нижеле­жащей тарелки, из которого жидкость растекается по плоскости тарелки, направляясь к переточным трубкам, расположенным в противоположной стороне от входа жидкости.

Для отвода тепла, выделяющегося в процессе поглощения нитрозных газов, на тарелках размещены охлаждающие змеевики (трубки диаметром 38x2,5 мм), по которым проходит вода.

Суммарная поверхность охлаждения в колонне, равная 500 м², распределяется по тарелкам следующим образом:

Номера тарелки               Число рядов                     Охлаждающая

(считая снизу)                  змеевика                           поверхность одной

                                                                                                     тарелки, м²

1-3                                            4                                        42

4-8                                            3                                        31,5    

9-11                                                      2                                        21,0

12-21                                        2                                        11,0

22-25                                        1                                        5,5

26-27                                        -                             без охлаждения

28-29                                        2                                        11,0

30-40                                        -                             без охлаждения

 

Рассмотрим основное оборудование установки получения HNO₃ с комбинированным давлением.

Контактный аппарат является частью комбинированного агрегата, состоящего из картонного фильтра, конвертора и котла утилизатора.

Картонный фильтр, расположенный в верхней части аппарата имеет диаметр 3020 мм, высоту 1528 мм и содержит несколько кассет. Пройдя кассеты газовая смесь через окна поступает во внутренний цилиндр и далее во входной конус конвертора.

В месте перехода конической части конвертора в цилиндрическую расположена решетка диаметром 2890 мм, которая служит для создания равномерного потока газовой смеси. Это способствует более равномерному распределению нагрузки по поверхности катализатора и поддержанию одинаковой температуры на всей площади сетки. Диаметр рабочей части катализаторных сеток 2800 мм. Поверхность трех катализаторных сеток при толщине нити 0,09 мм составляет 33,4 м². Сетки опираются на колосники, ниже их на решетке располагается слой металлических колец (32х32х1мм) высотой 250 мм. Этот слой выполняет роль аккумулятора тепла, облегчающего розжиг аппарата после кратковременной остановки. Одновременно на кольцах задерживается часть наиболее крупных частиц платины. Нижняя часть конвертора футерована жаркостойким кирпичом и присоединяется непосредственно к верхней части котла-утилизатора прямоточного типа.

Котел-утилизатор. Общая длина котла 7247 мм, диаметр 1600 мм, длина трубной части 5000 мм. Корпус котла сварной, изготовлен из стали толщиной 14 мм. Трубки котла диаметром 44,5 мм (194шт) и анкерные трубки (47 шт) размещаются в нижней части барабана (высота 750 мм).

Нитрозные газы проходят по трубкам, в межтрубном пространстве находится вода и пар. В торцах котла расположены камеры для входа и выхода нитрозных газов. Входную камеру футеруют шамотным кирпичом для предохранения металла от прогорания.

Поверхность нагрева котла-утилизатора 144 м², производительность 1150 кг/ч пара давлением 9 ат, перепад температуры нитрозных газов от 710 до 250^оС. Количество пропускаемого нитрозного газа 4900 м³/час.

Котел снабжается манометром, предохранительными клапанами и прочей арматурой.

Проектируемым аппаратом является абсорбционная колонна. Она представляет собой сварной вертикальный цилиндрический сосуд, выполненный из листовой стали 1х18Н9Т толщиной 8 мм (диаметр колонны 1800 мм, высота 44730 мм). Насадка колонны состоит из 40 тарелок, располагаемых по высоте на различном расстоянии друг от друга: в нижней части интервал между тарелками составляет 1200 мм, в верхней части 1000 мм. Тарелки имеют отверстия диаметром 1,5 мм, расположенные в шахматном порядке с шагом 9 мм.

 

Для ремонта деталей, расположенных внутри колонны, в ее стенке около каждой тарелки, снабженной охлаждающими змеевиками, устроены лазы диаметром 620 мм. Внутренний объем колонны равен 316 м³, что соответствует удельному объему 2,34 м³/т HNO₃, вырабатываемой агрегатом в сутки при давлении 3-3,5 ат. Удельная поверхность охлаждения соответственно равна 3,72 м²/т HNO₃ в сутки.

Масса колонны 58 т, из которых 55 т составляет нержавеющая сталь.

Основная характеристика турбокомпрессоров, применяемых для сжатия нитрозных газов, приведена в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика турбокомпрессоров для сжатия нитрозных газов.

Показатели	Турбокомпрессоры
	К-4800-42-1 (Невский завод)	К-4800-42-1 (Невский завод)	Фирмы «Браун-Бовери»	Фирмы «Эшер-Вис»
Производительность при 0оС и 760 мм рт.ст., м3/мин Число оборотов турбо- компрессора, об/мин Охлаждение Условия всасывания температура, оС давление, ат Условия нагнетания температура, оС давление, ат Мощность потребля-емая компрессором, квт Рекуперационная турбина (детандер): Количество газа, проходящего через детандер при 0оС и 760 мм рт.ст. м3/мин Число оборотов, об/мин Условия на входе в детандер температура, оС давление, ат Давление на выходе, ат Мощность, квт детандера двигателя паровой турбины Редуктор	350   8100 без охлаждения   53 0,905   264 3,78   1700   288 8100     280 2,95 1,0   650 - - Есть	415   8100 без охлаждения   50 0,921   280 4,0   2080   270 8100     260 3,44 1,05   890 1050 1300 Нет	275   8250 внутреннее   50 0,97   - 7,4   1830   167 8250     100 5,0 1,1   300 1980 - Есть	275   5900 выносное   50 0,97   - 7,0   1655   167 1655     до 450 5,0 1,1   845 1740   Есть

 

2.3 Определение основных размеров абсорбционной колонны (мощность 55 т/сутки)

 

Составление материального баланса контактного узла. Теоретический расход аммиака на 1 т HNO₃, согласно уравнению:

составит

17 / 63· 1000 = 270 кг

Фактический расход аммиака при степени конверсии 97 % и степени поглощения оксидов азота 98 % равен:

кг

Общий расход аммиака за 1 ч составит:

284· 55 / 24 = 651 кг или 651 / 17 = 38 моль

Определяем часовой расход воздуха при содержании 10,5 % NH₃ в аммиачно-воздушной смеси:

38 (100 – 10,5) / 10,5 = 324 моль

Приняв, что воздух содержит 21% О₂ и 79% N₂. Определим количество поступающего кислорода:

324· 0,22 = 68 моль или 68 · 32 = 2176 кг

Количество других газов, поступающих с воздухом, в пересчете на азот составит:

324· 0,79 = 265 моль или 256 · 28 = 7168 кг

Содержание паров воды в воздухе в данном случае не учитываем.

Дальнейший расход ведем на часовой расход газа. Количество аммиачно-воздушной смеси, поступающей в конвертор за 1 ч, составит:

                       Кмоль            объемн,%       кг        вес,%

NH₃                38                 10,5                       651      6,50

O₂                        36                 18,8                       2176      21,77

N₂                   256                 70,7                       7168      71,73

Всего                       362,0              100,0            9995,0   100,0

Состав газа после окисления аммиака в соответствии с принятой степенью конверсии 97% рассчитываем в соответствии с реакциями:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O

После окисления аммиака газ имеет следующий состав:

                       Кмоль            объемн,%       кг        вес,%

NО                  36,9              9,93                       1107      11,08

O₂                        21,1              5,68                       675      6,75

Н₂О                57,0              15,34                       1026      10,26

N₂                   256,6              69,05                       7187      71,9

Всего                       371,6              100,0            9995,0   100,0

 

Составление материального баланса абсорбционного узла

1. Определение количества конденсата. Количество окиси азота, превращенной в азотную кислоту, составит:

36,9 · 0,422 = 15,6 моль

На образование азотной кислоты по реакции

2NО + H₂O + 1,5O₂ = 2НNО₃

расходуется воды:

15,6 / 2 = 7,8 моль

Количество сконденсировавшей воды (х) при образовании 53%-ной азотной кислоты можно вычислить из уравнения:

15,6 · 63 · 100 / (15,6 · 63 + х ·18) = 53; где х = 48,8 моль

Общее количество сконденсировавшей воды:

48,4 + 7,8 = 56,2 моль

Количество образующейся 53%-ной азотной кислоты равно:

15,6 + 48,4 = 64 моль

2. Определение количества и состава газа после холодильника. Количество кислорода, расходуемого на окисление окиси азота и образования азотной кислоты, определяем по суммарному уравнению:

2NО + H₂O + 1,5O₂ = 2НNО₃

15,6 · 0,75 = 11,7 моль

Количество кислорода израсходованного при дополнительном окислении окиси азота, рассчитываем по реакции:

2NО + O₂ = 2NО₂

С учетом степени окисления окиси азота, по практическим данным, равной 27%:

(36,9 – 15,6) · 0,27 · 0,5 = 2,88 моль

Остается кислорода в газе:

21,1 – 11,7 – 2,88 = 6,52 моль

Образуются двуокиси азота:

(36,9 – 15,6) · 0,27 = 5,75 · 0,27 = 1,55 моль

Остается окиси азота в газе

5,75 – 1,55 = 4,2 моль

Газ, выходящий из холодильника-конденсатора имеет следующий состав:

 

                       Кмоль            объемн,%       кг            

NО                  4,2                1,56                       126            

NO₂                1,55              0,54                       71,3

O₂                        6,52              2,4               208,6      

Н₂О                0,8                0,3               14,4         

N₂                   256,6              95,2               7187          

Всего                       269,67            100,0         7607,3       

 

Состав конденсата:

HNO₃                       15,6 · 63 = 982,8 кг, или 53 %

Н₂О                48,4 · 18 = 871,2 кг, или 47 %          

Всего                                     1854 кг    

 

Составление материального баланса абсорбционной колонны.

Нитрозные газы после холодильника и сепаратора поступают под 1-ю тарелку колонны, конденсат – на 4-7-ю тарелки. Общее количество получаемой HNO₃ при степени поглощения оксидов азота 98% составит:

36,9 · 0,98 = 36,16 моль (2278 кг)

Потери кислоты равны:

36,9 – 36,16 = 0,74 моль

Количество кислорода необходимого для получения азотной кислоты, определяется по уравнению:

2NО + H₂O + 1,5O₂ = 2НNО₃

И составляет:

36,16 · 1,5 · 0,5 = 27,12 моль

Количество добавочного кислорода, необходимого для получения кислоты:

27,12 – 21,1 = 6,02 моль

Количество азота воздуха, вводимого с этим количеством кислорода:

моль

Если содержание избыточного кислорода в отходящих газах равно 2,5 % то вместе с ним выводится N₂ в количестве:

 %

Содержание паров воды в выхлопных газах при 30 ºС:

 %

где 31,5 – парциальное давление паров воды мм рт. ст.

Таким образом, общее количество выхлопных газов:

х = 0,74 + 0,025х + 0,0052х + 256,6 + 22,6 + 0,094х

х = 319,6 моль

Из них на долю избыточного кислорода приходится

319,6 · 0,025 = 7,99 моль

а на долю избыточного азота

319,6 · 0,094 = 30 моль

Общее количество воздуха, вводимого в колонну (в моль):

O₂                   6,02 + 7,99 = 14,1

N₂                   22,6 + 30 = 52,6               

Всего                                     66,61     

 

Количество паров воды в выхлопных газах равно

319,6 · 0,0052 = 1,66 моль

Состав выхлопных газов:

                       Кмоль                объемн,%                       

NО                  0,74                      0,23                                    

O₂                        7,99                      2,55                                          

N₂                   309,21                      96,7                                      

Н₂О                1,66                 0,52                                       

Всего                       319,6                   100,0                 

 

Количество воды, необходимой для образования 100 %-ной HNO₃ :

3NО₂ + H₂O = 2НNО₃ + NO

равно:

36,16 · 0,5 = 18,08 моль

 

С учетом влажности газа и количества реакционной воды в колонну следует вводить следующее количество воды:

 

18,08 + 99,44 + 1,66 – 57 = 62,18 моль

 

1. Расчет процесса абсорбции по тарелкам. Количество газа поступающего в первую царгу колонны вместе с добавочным воздухом:

                           

Кмоль                объемн,%                       

NО                  4,2                          1,25                                    

NО₂                1,55                      0,46                                    

O₂                    6,55 + 14,01 = 20,53         6,15                                          

Н₂О                0,8                    0,24        

N₂                   309,21                      91,9                                      

Всего                       336,29                100,0                 

 

Объемная скорость газа w при 30ºс и 3,0 ат (с учетом снижения давления на 0,5 ат в предыдущих аппаратах):

м³/сек

Принимая линейную скорость газа v в свободном объеме равной 0,5 м/сек, найдем площадь сечения абсорбционной колонны:

м²

Диаметр колонны составит:

 м

Примем высоту окислительного пространства под первой тарелкой 0,6 м, тогда продолжительность пребывания в нем газа составит 2 сек (в практических условиях принимают продолжительность пребывания газа для первой тарелки в 2-3 раза больше).

Степень окиси азота определяют по уравнению:

Отсюда α = 0,33

После окисления окиси азота состав газа будет следующим (в моль):

NО                  (1 – 0,33) · 4,2 = 2,8                                

NО₂                0,33 ·4,2 + 1,55 = 2,9                     

O₂                                   20,53 - 0,5 · 0,33 · 4,2 = 19,8                      

Количество газа поступающего в первую тарелку, будет равно:

NO NO₂+2H₂O₄              O₂ H₂O N₂ Всего

Количество, моль      2,8          2,9         19,8 0,8 309,21 335,51

Давление, ат  0,024        0,16       -     -     -  Р_общ=3ат

 

Находим парциальное давление двуокиси азота РNO₂ в момент установления равновесия при соприкосновении газа с жидкостью на первой тарелке по уравнению:

Значение К₁ для 56%-ной НNO₃ (при 30ºС) равно 50.

Значение К находится по формуле:

К =0,192

Тогда

Следовательно

 ат

Парциальное давление окислов азота в состоянии равновесия

 ат

Начальное парциальное давление окислов азота

Р_н = а + b + 2с = 0,024 + 0,16 = 0,184

Уменьшение парциального давления окислов азота вследствие их частичного превращения в азотную кислоту составит:

R_теор = Р_н – Р_к = 0,184 – 0,180 = 0,004 ат

Рассчитаем КПД тарелки или коэффициент достижения равновесия:

с = а + КСHNO₃ + 0,0041 р^1,85 + 0,067h – 0,002t – 0,43w

K = 0,0071 + 2 · 10 ^{– 4}p – 0,015w

или

K = 0,0071 + 2 · 10 ^{– 4} · 3 – 0,015 · 0,3 = 0,0032

Примем, что диаметр отверстий в ситчатых тарелках равен 1,5 мм, а площадь свободного их сечения 4%, тогда

lg α = - 0,35 – 0,01S – 0,357 lg d

lg α = - 0,35 – 0,01 · 4,0 – 0,357 · lg 1,5

α = 0,355

Расстояние между следующей тарелкой и слоем кислоты, находящейся на тарелке, равно 0,5 м, температура кислоты 30 ºС и концентрация продукционной кислоты 56%. В этом случае:

c = 0,355 + 0,0041 · 56 + 0,0041 · 3^1,85 + 0,067 · 0,5 – 0,002 · 30 – 0,43 · 0,3 = 0,24

Практически уменьшение парциального давления окислов азота с учетом того, что равновесие не достигается, равно:

R_практ = R_теор с = 0,004 ·0,24 = 0,00096 ат

Количество окислов азота, превращенных в азотную кислоту, может быть вычисленно по формуле:

 моль

где Q – количество окислов азота в поступающем газе, моль.

На образование кислоты по реакции

3NО₂ + H₂O = 2НNО₃ + NO

израсходовано двуокиси азота:

1,5f = 1,5 · 0,65 = 0,975 моль

При этом регенерировалось окиси азота:

1,5f = 0,5 · 0,65 = 0,325 моль

После первой тарелки в газе содержится:

2,8 + 0,325 = 3,125 моль NO

Тогда состав газа после абсорбции на первой тарелке будет следующим:

NО                     3,125                                                  

NО₂                    (2,9 - 0,975) 1,925                                     

O₂                                                 19,8                                    

Н₂О                    0,8      

N₂                                          309,21                                                      

Всего                           334,86                                

 

Толщина стенки рассчитывается по формуле

S = S_P + C

где С – прибавка на коррозию; С = 0,05 мм

где Р – рабочее давление; Р = 3,5 ат = 0,35 МПа

D – диаметр аппарата; D = 18 м = 1800 мм

[δ] – допустимое напряжение, МПа

φр – коэффициент ослабления за счет сваривания швов (φр = от 0,65 до 1,0)

 

3. Технико-экономическое обоснование проекта

4. Охрана труда

 

В производстве азотной кислоты применяются аммиак, оксиды азота, серная кислота, сода, кислород и другие продукты, как в чистом виде, так и в виде различных смесей. Многие из них обладают токсическими свойствами или образуют огнеопасные или взрывоопасные смеси. Например, в атмосфере газообразного кислорода возможно самовозгорание органических веществ или материалов. Жидкий аммиак, азотная серная кислоты оказывают обжигающее действие, особенно при попадании на слизистые оболочки глаз.

В таблице 4.1 приведены основные физико-химические и токсические свойства веществ, используемых в производстве азотной кислоты.

Таблица 4.1 - Основные свойства веществ, используемых в производстве азотной кислоты

Показатели	NO	NO2	HNO3	H2SO4	NH3
Физические свойства при 0ºС и 760 мм рт.ст.	Безцветный газ	Красно-бурый газ с резким запахом	Бесцветная жидкость	Масляни-стая жидкость	Безцветный горючий газ с резким запахом
Молекулярная масса	30,01	46,01	63,02	98,09	17,03
Относительная плотность по воде или воздуху	1,037	1,49	1,5	1,84	0,597
Температура, ºС плавления кипения	-163,7 -151,8	-11,0 21,3	-41,0 86,0	10,45 336,5	-78 -33,4
Токсические свойства	Вызывает общую слабость, головокружение, тошноту			Раздражает слизистые оболочки верхних дыхатель-ных путей	Высокие концентра-ции вызы-вают ост-рое раздра-жение сли-зистых обо лочек, сле- зоточение, удушье
			При попадании на кожу вызывает тяжелые ожоги