Министерство образование и науки РФ
Государственное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«Тверской государственный технический университет»
Кафедра ТПМ
Курсовая работа
по дисциплине: «Общая химическая технология»
Производство аммиачной селитры
- Содержание
Введение
1. Физико-химические свойства аммиачной селитры
2. Методы производства
3. Основные стадии производства аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты
3.1 Получение растворов аммиачной селитры
3.1.1 Основы процесса нейтрализации
3.1.2 Характеристика нейтрализационных установок
3. 1 5 Основное оборудование
4. Материальные и энергетические расчеты
5. Термодинамический расчет
6. Утилизация и обезвреживание отходов в производстве аммиачной селитры
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
Введение
В природе и в жизни человека азот имеет исключительно важное значение. Он входит в состав белковых соединений (16--18%), являющихся основой растительного и животного мира. Человек ежедневно потребляет 80--100 г белка, что соответствует 12--17 г азота.
Для нормального развития растений требуются многие химические элементы. Основные из них -- углерод, кислород, водород, азот, фосфор, магний, сера, кальций, калий и железо. Первые три элемента растения получают из воздуха и воды, остальные -- извлекают из почвы.
Особенно большая роль в минеральном питании растений принадлежит азоту, хотя его среднее содержание в растительной массе не превышает 1,5%. Без азота не может жить и нормально развиваться ни одно растение.
Азот является составной частью не только растительных белков, но и хлорофилла, с помощью которого растения под действием солнечной энергии усваивают углерод из находящейся в атмосфере двуокиси углерода СО2.
Природные соединения азота образуются вследствие химических процессов разложения органических остатков, при грозовых разрядах, а также биохимическим путем в результате деятельности особых бактерий -- азотобактера, непосредственно усваивающих азот из воздуха. Такой же способностью обладают клубеньковые бактерии, которые живут в корнях бобовых растений (горох, люцерна, бобы, клевер и др.).
Значительное количество азота и других питательных веществ, необходимых для развития сельскохозяйственных культур, ежегодно выносится из почвы с получаемым урожаем. Кроме того, часть питательных веществ теряется в результате вымывания их грунтовыми и дождевыми водами. Поэтому для предотвращения снижения урожайности и истощения почвы требуется пополнять ее питательными веществами путем внесения различных видов удобрений.
Известно, что почти каждое удобрение обладает физиологической кислотностью или щелочностью. В зависимости от этого оно может оказывать на почву подкисляющее или подщелачивающее действие, что учитывается при его использовании под определенные сельскохозяйственные культуры.
Удобрения, щелочные катионы которых быстрее извлекаются растениями из почвы, вызывают ее подкисление; растения, которые быстрее потребляют кислотные анионы удобрений, способствуют подщелачиванию почвы.
Азотные удобрения, содержащие катион аммония NН4 (аммиачная селитра, сульфат аммония) и амидную группу NН2 (карбамид), подкисляют почву. Подкисляющее действие аммиачной селитры слабее, чем сульфата аммония.
В зависимости от характера почвы, климатических и других условий под различные культуры требуется вносить различное количество азота.
В ассортименте азотных удобрений значительное место занимает аммиачная селитра (нитрат аммония, или азотнокислый аммоний), объем мирового производства которой исчисляется миллионами тонн в год.
В настоящее время примерно 50% азотных удобрений, применяемых в сельском хозяйстве нашей страны, приходится на долю аммиачной селитры.
Аммиачная селитра имеет ряд преимуществ перед другими азотными удобрениями. Она содержит 34--34,5% азота и в этом отношении уступает только карбамиду СО(NН2) 2, содержащему 46% азота. Другие азотные и азотсодержащие удобрения имеют значительно меньше азота (содержание азота приведено в пересчете на сухое вещество):
Таблица 1 - Содержание азота в соединениях
Аммиачная селитра является универсальным азотным удобрением, так как одновременно содержит аммиачную и нитратную формы азота. Она эффективна во всех зонах, почти под все сельскохозяйственные культуры.
Весьма важно, что формы азота аммиачной селитры используются растениями в разное время. Аммонийный азот, непосредственно участвующий в синтезе белка, быстро усваивается растениями в период роста; нитратный азот усваивается относительно медленно, поэтому действует более продолжительное время. Установлено также, что аммиачная форма азота может использоваться растениями без предварительного окисления.
Эти свойства аммиачной селитры весьма положительно сказываются на увеличении урожайности почти всех сельскохозяйственных культур.
Аммиачная селитра входит в состав большой группы устойчивых взрывчатых веществ. Взрывчатые вещества на основе аммиачной селитры и аммиачная селитра чистая или обработанная некоторыми добавками применяются для взрывных работ.
Небольшое количество селитры расходуется на получение закиси азота, используемой в медицине.
Наряду с увеличением объема производства аммиачной селитры путем модернизации действующих и строительства новых производств осуществляются мероприятия по дальнейшему улучшению качества готового продукта (получение продукта 100%-ной рассыпчатости и сохранение гранул после длительного хранения продукта) .
1. Физико-химические свойства аммиачной селитры
В чистом виде аммиачная селитра представляет собой белое кристаллическое вещество, содержащее 35% азота, 60% кислорода и 5% водорода. Технический продукт -- белого цвета с желтоватым оттенком, содержит не менее 34,2% азота.
Аммиачная селитра является сильным окислителем ряда неорганических и органических соединений. С расплавами некоторых веществ она бурно реагирует вплоть до взрыва (например, с нитритом натрия NaNO2).
Если над твердой аммиачной селитрой пропускать газообразный аммиак, то быстро образуется весьма подвижная жидкость -- аммиакат 2NH4NO3*2Np или NH4NO3*3Np.
Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде, этиловом и метиловом спиртах, пиридине, ацетоне и в жидком аммиаке. С повышением температуры растворимость аммиачной селитры значительно возрастает , .
При растворении аммиачной селитры в воде поглощается большое количество тепла. Например, при растворении 1 моль кристаллической NH4NO3в 220--400 моль воды и температуре 10--15 °С происходит поглощение 6,4 ккал тепла.
Аммиачная селитра обладает свойством сублимироваться. При хранении аммиачной селитры в условиях повышенных температуры и влажности воздуха ее объем увеличивается примерно вдвое, что обычно приводит к разрыву тары.
Под микроскопом на поверхности гранул аммиачной селитры отчетливо видны поры и трещины. Повышенная пористость гранул селитры весьма отрицательно сказывается на физических свойствах готового продукта.
Аммиачная селитра отличается высокой гигроскопичностью. На открытом воздухе в тонком слое селитра весьма быстро увлажняется, теряет кристаллическую форму и начинает расплываться. Степень поглощения солью влаги из воздуха зависит от его влажности и давления паров над насыщенным раствором данной соли при данной температуре.
Между воздухом и гигроскопичной солью происходит влагообмен. Решающее влияние на этот процесс оказывает относительная влажность воздуха.
Кальциевая и известково-аммиачная селитры имеют сравнительно низкое давление водяных паров над насыщенными растворами; при определенной температуре им соответствует наиболее низкая относительная влажность воздуха. Это самые гигроскопичные соли среди указанных выше азотных удобрений. Наименее гигроскопичен сульфат аммония и практически совершенно негигроскопична калиевая селитра.
Влага поглощается только сравнительно небольшим слоем соли, непосредственно граничащим с окружающим воздухом. Однако даже такое увлажнение селитры сильно ухудшает физические свойства готового продукта. Скорость поглощения аммиачной селитрой влаги из воздуха с повышением его температуры резко увеличивается. Так, при 40 °С скорость поглощения влаги в 2,6 раза больше, чем при 23 °С.
Предложено много способов уменьшения гигроскопичности аммиачной селитры. Один из таких способов основан на смешении или сплавлении аммиачной селитры с другой солью. При выборе второй соли исходят из следующего правила: для понижения гигроскопичности давление водяных паров над насыщенным раствором смеси солей должно быть больше их давления над насыщенным раствором чистой аммиачной селитры.
Установлено, что гигроскопичность смеси двух солей, имеющих общий ион, больше, чем наиболее гигроскопичной из них (исключение составляют смеси или сплавы аммиачной селитры с сульфатом аммония и некоторые другие). Смешение же аммиачной селитры с негигроскопичными, но нерастворимыми в воде веществами (например, с известняковой пылью, фосфоритной мукой, дикальцийфосфатом и др.) не уменьшает ее гигроскопичности. Многочисленные опыты показали, что все соли, которые имеют такую же или большую растворимость в воде, чем аммиачная селитра, обладают свойством увеличивать ее гигроскопичность.
Соли же, способные уменьшать гигроскопичность аммиачной селитры, приходится добавлять в больших количествах (например, сульфат калия, хлористый калий, диаммонийфосфат), что резко снижает содержание в продукте азота.
Наиболее эффективным способом уменьшения поглощения влаги из воздуха является покрытие частиц селитры защитными пленками из не смачиваемых водой органических веществ. Защитная пленка в 3--5 раз снижает скорость поглощения влаги и способствует улучшению физических свойств аммиачной селитры.
Отрицательным свойством аммиачной селитры является ее способность слеживаться -- терять при хранении сыпучесть (рассыпчатость). При этом аммиачная селитра превращается в твердую монолитную массу, с трудом поддающуюся измельчению. Слеживаемость аммиачной селитры вызывается многими причинами.
Повышенное содержание влаги в готовом продукте. В частицах аммиачной селитры любой формы всегда содержится влага в виде насыщенного (маточного) раствора. Содержание NH4NO3 в таком растворе соответствует растворимости соли при температурах ее загрузки в тару. Во время остывания готового продукта маточный раствор часто переходит в пересыщенное состояние. При дальнейшем понижении температуры из пересыщенного раствора выпадает большое количество кристаллов размерами 0,2-- 0,3 мм. Эти новые кристаллы цементируют ранее не связанные частицы селитры, что приводит к превращению ее в плотную массу.
Низкая механическая прочность частиц селитры. Аммиачная селитра выпускается в виде частиц округлой формы (гранул), пластинок или мелких кристаллов. Частицы гранулированной аммиачной селитры имеют меньшую удельную поверхность и более правильную форму, чем чешуйчатой и мелкокристаллической, поэтому гранулы меньше слеживаются. Однако в процессе гранулирования образуется некоторое количество пустотелых частиц, отличающихся низкой механической прочностью.
При складировании мешки с гранулированной селитрой укладывают в штабеля высотой 2,5 м. Под давлением верхних мешков происходит разрушение наименее прочных гранул с образованием пылевидных частиц, которые уплотняют массу селитры, увеличивая ее слеживаемость. Практика показывает, что разрушение пустотелых частиц в слое гранулированного продукта резко ускоряет процесс его слеживания. Это наблюдается даже если при загрузке в тару продукт был охлажден до 45 °С и основная масса гранул имела хорошую механическую прочность. Установлено, что пустотелые гранулы разрушаются также вследствие рекристаллизации.
При повышении температуры окружающего воздуха гранулы селитры почти полностью теряют свою прочность, и такой продукт сильно слеживается.
Термическое разложение аммиачной селитры. Взрывоопасность. Огнестойкость. Аммиачная селитра с точки зрения взрывобезопасности относительно мало чувствительна к толчкам, трению, ударам, сохраняет устойчивость при попадании искр различной интенсивности. Примеси песка, стекла и металлические примеси не повышают чувствительности аммиачной селитры к механическим воздействиям. Она способна взрываться только под действием сильного детонатора или при термическом разложении в определенных условиях.
При продолжительном нагревании аммиачная селитра постепенно разлагается на аммиак и азотную кислоту:
NH4NO3=Np+HNO3 - 174598,32 Дж (1)
Этот процесс, протекающий с поглощением тепла, начинается при температуре выше 110°С.
При дальнейшем нагревании происходит разложение аммиачной селитры с образованием закиси азота и воды:
NH4NO3= N2О + 2Н2О + 36902,88 Дж (2)
Термическое разложение аммиачной селитры протекает по таким последовательным стадиям:
· гидролиз (или диссоциация) молекул NH4NO3;
· термическое разложение азотной кислоты, образующейся при гидролизе;
· взаимодействие двуокиси азота и аммиака, образующихся на первых двух стадиях.
При интенсивном нагревании аммиачной селитры до 220--240 °С ее распад может сопровождаться вспышками расплавленной массы.
Весьма опасен нагрев аммиачной селитры в замкнутом объеме или в объеме с ограниченным выходом газов, образующихся при термическом разложении селитры.
В этих случаях разложение аммиачной селитры может протекать по многим реакциям, в частности, по следующим:
NH4NO3 = N2+2Н2О + Ѕ 02 + 1401,64 Дж/кг (3)
2NH4NO3 = N2 +2NO+ 4Н20 + 359,82 Дж/кг (4)
ЗNH4NO3= 2N2 + N0 + N02 + 6Н20 + 966,50 Дж/кг (5)
Из приведенных выше реакций видно, что аммиак, образующийся в начальный период термического разложения селитры, часто отсутствует в газовых смесях; в них протекают вторичные реакции, в ходе которых аммиак полностью окисляется до элементарного азота. В результате вторичных реакций резко увеличивается давление газовой смеси в замкнутом объеме и процесс разложения может закончиться взрывом.
Медь, сульфиды, магний, колчедан и некоторые другие примеси активируют процесс разложения аммиачной селитры при ее нагревании. В результате взаимодействия этих веществ с нагретой селитрой образуется неустойчивый нитрит аммония, который при 70--80 °С бурно разлагается со взрывом:
NH4NO3=N2+ 2Н20 (6)
С железом, оловом и алюминием аммиачная селитра не реагирует даже в расплавленном состоянии.
С повышением влажности и увеличением размера частиц аммиачной селитры чувствительность ее к взрыву сильно уменьшаетcя. В присутствии примерно 3% влаги селитра становится нечувствительной к взрыву даже при действии сильного детонатора.
Термическое разложение аммиачной селитры с повышением давления до определенного предела усиливается. Установлено, что при давлении около 6 кгс/см2 и соответствующей температуре происходит распад всей расплавленной селитры.
Решающее значение для уменьшения или предотвращения термического разложения аммиачной селитры имеет поддержание щелочной среды при упаривании растворов. Поэтому в новой технологической схеме производства неслеживающейся аммиачной селитры целесообразно добавлять к горячему воздуху небольшое количество аммиака.
Учитывая, что в определенных условиях аммиачная селитра может являться взрывоопасным продуктом, в процессе ее производства, при хранении и перевозке следует строго соблюдать установленный технологический режим и правила по технике безопасности.
Аммиачная селитра относится к негорючим продуктам. Поддерживает горение только закись азота, образующаяся при термическом разложении соли.
Смесь аммиачной селитры с измельченным древесным углем при сильном нагревании способна самовоспламеняться. Некоторые легко окисляемые металлы (например, порошкообразный цинк) в контакте с влажной аммиачной селитрой при небольшом нагреве также могут вызвать ее воспламенение. В практике наблюдались случаи самопроизвольного воспламенения смесей аммиачной селитры с суперфосфатом.
Бумажные мешки или деревянные бочки, в которых находилась аммиачная селитра, могут загораться даже под действием солнечных лучей. При возгорании тары с аммиачной селитрой возможно выделение окислов азота и паров азотной кислоты. При пожарах, возникающих от открытого пламени или вследствие детонации, аммиачная селитра расплавляется и частично разлагается. В глубину массы селитры пламя не распространяется , .
2 . Методы производства
аммиачный селитра нейтрализация кислота
В промышленности широко применяется только метод получения аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и разбавленной азотной кислоты.
Производство аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты является многостадийным. В связи с этим пытались получать аммиачную селитру непосредственно из аммиака, окислов азота, кислорода и паров воды по реакции
4Np + 4NO2 + 02 + 2Н20 = 4NH4NO3 (7)
Однако от этого способа пришлось отказаться, так как наряду с аммиачной селитрой образовывался нитрит аммония -- неустойчивый и взрывоопасный продукт.
В производство аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты внедрен ряд усовершенствований, которые позволили сократить капитальные затраты на строительство новых установок и уменьшить себестоимость готового продукта.
Для коренного усовершенствования производств аммиачной селитры потребовалось отказаться от сложившихся в течение многих лет представлений о невозможности работать без соответствующих резервов основного оборудования (например, выпарных аппаратов, грануляционных башен и др.), об опасности получения для гранулирования почти безводного плава аммиачной селитры.
В России и за рубежом твердо установлено, что только строительство агрегатов большой мощности, с использованием современных достижений науки и техники, может дать существенные экономические преимущества по сравнению с действующими производствами аммиачной селитры.
Значительное количество аммиачной селитры в настоящее время производится из отходящих аммиаксодержащих газов некоторых систем синтеза карбамида. По одному из способов его производства на 1 т карбамида получается от 1 до 1,4 т аммиака. Из такого количества аммиака можно выработать 4,6--6,5 т аммиачной селитры. Хотя работают и более совершенные схемы синтеза карбамида, аммиаксодержащие газы -- отходы этого производства--еще некоторое время будут служить сырьем для получения аммиачной селитры.
Способ производства аммиачной селитры из аммиаксодержащих газов отличается от способа ее получения из газообразного аммиака только на стадии нейтрализации.
В небольших количествах аммиачную селитру получают путем обменного разложения солей (конверсионные способы).
Эти способы получения аммиачной селитры основываются на выпадении одной из образующихся солей в осадок или на получении двух солей с разной растворимостью в воде. В первом случае растворы аммиачной селитры отделяют от осадков на вращающихся фильтрах и перерабатывают в твердый продукт по обычным схемам. Во втором случае растворы упаривают до определенной концентрации и разделяют их дробной кристаллизацией, которая сводится к следующему: при охлаждении горячих растворов выделяют большую часть аммиачной селитры в чистом виде, затем в отдельной аппаратуре проводят кристаллизацию из маточных растворов с получением загрязненного примесями продукта.
Все способы получения аммиачной селитры обменным разложением солей сложны, связаны с большим расходом пара и потерей связанного азота. Их обычно применяют в промышленности только в случае необходимости утилизации соединений азота, получаемых как побочные продукты.
Современный способ производства аммиачной селитры из газообразного аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты непрерывно совершенствуется.
3 . Основные стадии производства аммиачной селитры из аммиака и азотной кислоты
Процесс производства аммиачной селитры состоит из следующих основных стадий:
1. Получение растворов аммиачной селитры нейтрализацией азотной кислоты газообразным аммиаком или аммиаксодержащими газами.
2. Упаривание растворов аммиачной селитры до состояния плава.
3. Кристаллизация из плава соли в виде частиц округлой формы (гранул), чешуек (пластинок) и мелких кристаллов.
4. Охлаждение или сушка соли.
5. Упаковка в тару готового продукта.
Для получения малослеживающейся и водоустойчивой аммиачной селитры кроме указанных стадий необходима еще стадия приготовления соответствующих добавок.
3.1 П олучение растворов аммиачной селитры
3.1.1 Основы процесса нейтрализации
Растворы аммиачной селит ры получают в результате взаимодействия аммиака с азотной кислотой по реакции:
4NН3 + НNO3 = NН4NO3 + Q Дж (8)
Образование аммиачной селитры протекает необратимо и сопровождается выделением тепла. Количество тепла, выделяющегося при реакции нейтрализации, зависит от концентрации применяемой азотной кислоты и ее температуры, а также от температуры газообразного аммиака (или аммиаксодержащих газов). Чем выше концентрация азотной кислоты, тем больше выделяется тепла. При этом происходит испарение воды, что позволяет получать более концентрированные растворы аммиачной селитры. Для получения растворов аммиачной селитры применяют 42--58%-ную азотную кислоту.
Применение азотной кислоты концентрацией выше 58% для получения растворов аммиачной селитры при существующем оформлении процесса не представляется возможным, так как в этом случае в аппаратах-нейтрализаторах развивается температура, значительно превышающая температуру кипения азотной кислоты, что может привести к ее разложению с выделением окислов азота. При упаривании растворов аммиачной селитры за счет тепла реакции в аппаратах-нейтрализаторах образуется соковый пар, имеющий температуру 110--120 °С ,.
При получении растворов аммиачной селитры максимально возможной концентрации требуются относительно небольшие теплообменные поверхности выпарных аппаратов, и на дальнейшее упаривание растворов расходуется малое количество свежего пара. В связи с этим вместе с исходным сырьем стремятся подводить в нейтрализатор дополнительное количество тепла, для чего подогревают соковым паром аммиак до 70 °С и азотную кислоту до 60 °С (при более высокой температуре азотной кислоты происходит значительное ее разложение, и трубы подогревателя подвергаются сильной коррозии, если они изготовлены не из титана).
Применяемая в производстве аммиачной селитры азотная кислота должна содержать не более 0,20% растворенных окислов азота. Если кислота недостаточно продута воздухом для удаление растворенных окислов азота, они образуют с аммиаком нитрит аммония, быстро разлагающийся на азот и воду. При этом потери азота могут составить около 0,3 кг на 1 т готового продукта.
В соковом паре, как правило, содержатся примеси NН3, NHО3 и NН4NO3. Количество этих примесей сильно зависит от стабильности давлений, при которых должны подаваться в нейтрализатор аммиак и азотная кислота. Для поддержания заданного давления азотную кислоту подают из напорного бака, снабженного переливной трубой, а газообразный аммиак -- с помощью регулятора давления.
Нагрузка нейтрализатора также в значительной степени определяет потери связанного азота с соковым паром. При нормальной нагрузке потери с конденсатом сокового пара не должны превышать 2 г/л (в пересчете на азот). При превышении нагрузки нейтрализатора между аммиаком и парами азотной кислоты протекают побочные реакции, в результате которых в газовой фазе образуется, в частности, туманообразная аммиачная селитра, загрязняющая соковый пар, и увеличиваются потери связанного азота. Получаемые в нейтрализаторах растворы аммиачной селитры накапливаются в промежуточных емкостях с мешалками, донейтрализуются аммиаком или азотной кислотой, после чего направляется на упаривание.
3.1.2 Характеристика нейтрализационных установок
В зависимости от применя емого давления современные установки для получения растворов аммиачной селитры с использованием тепла нейтрализации подразделяются на установки, работающие при атмосферном давлении; при разрежении (вакууме); при повышенном давлении (несколько атмосфер) и на комбинированные установки, работающие под давлением в зоне нейтрализации и при разрежении в зоне отделения соковых паров от раствора (плава) аммиачной селитры.
Установки, работающие при атмосферном или небольшом избыточном давлении, отличаются простотой технологии и конструктивного оформления. Они также легко обслуживаются, пускаются в работу и останавливаются; случайные нарушения заданного ре-жима работы обычно быстро устраняются. Установки такого типа получили наиболее широкое распространение. Основным аппаратом этих установок является аппарат-нейтрализатор ИТН (использование тепла нейтрализации). Аппарат ИТН работает под абсолютным давлением 1,15--1,25 атм. Конструктивно он оформлен таким образом, что почти не происходит вскипания растворов- с образованием туманообразной аммиачной селитры.
Наличие циркуляции в аппаратах ИТН исключает перегрев в зоне реакции, что позволяет проводить процесс нейтрализации с минимальными потерями связанного азота.
В зависимости от условий работы производства аммиачной селитры соковый пар аппаратов ИТН используется для предварительного упаривания растворов селитры, для испарения жидкого аммиака, подогрева азотной кислоты и газообразного аммиака, направляемых в аппараты ИТН, и для испарения жидкого аммиака при получении газообразного аммиака, применяемого в производстве разбавленной азотной кислоты.
Растворы аммиачной селитры из аммиаксодержащих газов получают на установках, основные аппараты которых работают при разрежении (испаритель) и при атмосферном давлении (скруббер-нейтрализатор). Такие установки громоздки и в них трудно поддерживать стабильный режим работы вследствие непостоянства состава аммиаксодержащих газов. Последнее обстоятельство отрицательно сказывается на точности регулирования избытка азотной кислоты, в результате чего в получаемых растворах аммиачной селитры часто содержится повышенное количество кислоты или аммиака.
Установки нейтрализации, работающие под абсолютным давлением 5--6 атм., мало распространены. Они требуют значительного расхода электроэнергии для сжатия газообразного аммиака и подачи в нейтрализаторы азотной кислоты под давлением. Кроме того, на этих установках возможны повышенные потери аммиачной селитры вследствие уноса брызг растворов (даже в сепараторах сложной конструкции брызги не удается полностью улавливать).
В установках, основанных на комбинированном методе, сочетаются процессы нейтрализации азотной кислоты аммиаком и получения плава аммиачной селитры, который можно непосредственно направлять на кристаллизацию (т. е. из таких установок исключаются выпарные аппараты для концентрирования растворов селитры). Для установок такого типа требуется 58--60%-ная азотная кислота, которую промышленность выпускает пока сравнительно в небольших количествах. Кроме того, часть аппаратуры должна быть выполнена из дорогостоящего титана. Процесс нейтрализации с получением плава селитры приходится проводить при весьма высоких температурах (200--220 °С). Учитывая свойства аммиачной селитры, для осуществления процесса при высоких температурах необходимо создать особые условия, предотвращающие термическое разложение плава селитры.
3.1.3 Установки нейтрализации, работающие при атмосферном давлении
В состав этих установок вхо дят аппараты-нейтрализаторы ИТН (использование теплоты нейтрализации) и вспомогательная аппаратура.
На рисунке 1 изображена одна из конструкций аппарата ИТН, применяемая на многих действующих производствах аммиачной селитры.
З1 - завихритель; ВС1 - внешний сосуд (резервуар); ВЦ1 - внутренний цилиндр (нейтрализационная часть); У1 - устройство для распределения азотной кислоты; Ш1 - штуцер для слива растворов; О1 - окна; У2 - устройство для распределения аммиака; Г1 - гидрозатвор; С1 - сепаратор-ловушка
Рисунок 1 - Аппарат-нейтрализатор ИТН с естественной циркуляцией растворов
Аппарат ИТН представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд (резервуар) 2, в котором помещен цилиндр (стакан) 3 с полками 1 (завихритель) для улучшения смешения растворов. В цилиндр 3 подведены трубопроводы для ввода азотной кислоты и газообразного аммиака (реагенты подаются противотоком); трубы заканчиваются устройствами 4 и 7 для лучшего распределения кислоты и газа. Во внутреннем цилиндре происходит взаимодействие азотной кислоты с аммиаком. Этот цилиндр носит название нейтрализационной камеры.
Кольцевое пространство между сосудом 2 и цилиндром 3 служит для циркуляции кипящих растворов аммиачной селитры. В нижней части цилиндра имеются отверстия 6 (окна), соединяющие нейтрализационную камеру с испарительной частью ИТН. Из-за наличия этих отверстий производительность аппаратов ИТН несколько снижается, зато достигается интенсивная естественная циркуляция растворов, что приводит к уменьшению потерь связанного азота.
Выделяющийся из раствора соковый пар отводится через штуцер в крышке аппарата ИТН и через ловушку-сепаратор 9. Образующиеся в цилиндре 3 растворы селитры в виде эмульсии -- смеси с соковым паром поступают в сепаратор через гидрозатвор 5. Из штуцера нижней части ловушки-сепаратора растворы аммиачной селитры направляются в донейтрализатор-мешалку для дальнейшей обработки. Гидрозатвор, имеющийся в испарительной части аппарата, позволяет поддерживать в нем постоянный уровень раствора и препятствует выходу сокового пара без промывки от увлекаемых им брызг раствора.
Паровой конденсат образуется на тарелках сепаратора вследствие частичной конденсации сокового пара. При этом теплота конденсации отводится оборотной водой, проходящей по змеевикам, уложенным на тарелках. В результате частичной конденсации сокового пара получается 15--20%-ный раствор NН4NO3, который направляется на упаривание вместе с основным потоком раствора аммиачной селитры.
На рисунке 2 представлена схема одной из установок нейтрализации, работающих при давлении, близком к атмосферному.
НБ1 - напорный бак; С1 - сепаратор; И1 - испаритель; П1 - подогреватель; СК1 - сборник для конденсата; ИТН1 - аппарат ИТН; М1 - мешалка; ЦН1 - центробежный насос
Рисунок 2 - Схема установки нейтрализации, работающей при атмосферном давлении
Чистая или с добавками азотная кислота подается в напорный бак снабженный постояннодействующим переливом избытка кислоты в хранилище.
Из напорного бака 1 азотная кислота направляется непосредственно в стакан аппарата ИТН 6 или через подогреватель (на рисунке не показан), где нагревается теплом сокового пара, отводимого через сепаратор 2.
Газообразный аммиак поступает в испаритель 3 жидкого аммиака, затем в подогреватель 4, где нагревается теплом вторичного пара из расширителя или горячим конденсатом греющего пара выпарных аппаратов, и далее направляется по двум параллельным трубам в стакан аппарата ИТН 6.
В испарителе 3 брызгоунос жидкого аммиака испаряется и происходит отделение загрязнений, обычно сопутствующих газообразному аммиаку. При этом образуется слабая аммиачная вода с примесью смазочного масла и катализаторной пыли цеха синтеза аммиака.
Получаемый в нейтрализаторе раствор аммиачной селитры через гидравлический затвор и брызгоуловитель-ловушку непрерывно поступает в мешалку-донейтрализатор 7, откуда после нейтрализации избыточной кислоты направляется на упаривание.
Выделяющийся в аппарате ИТН соковый пар, пройдя сепаратор 2, направляется для использования в качестве греющего пара в выпарные аппараты первой ступени.
Конденсат сокового пара из подогревателя 4 собирается в сборнике 5, откуда расходуется на разные производственные нужды.
Перед пуском нейтрализатора выполняются подготовительные работы, предусмотренные в рабочих инструкциях. Отметим только некоторые из подготовительных работ, связанных с нормальным ведением процесса нейтрализации и с обеспечением техники безопасности.
Прежде всего, требуется залить в нейтрализатор раствор аммиачной селитры или паровой конденсат до пробоотборного краника.
Затем необходимо наладить непрерывную подачу азотной кислоты в напорный бак и ее перелив в складское хранилище склада. После этого требуется принять газообразный аммиак из цеха синтеза аммиака, для чего необходимо на короткое время открыть задвижки на линии отвода в атмосферу сокового пара и вентиль выхода раствора в мешалку-донейтрализатор. Этим предупреждается создание в аппарате ИТН повышенного давления и образование небезопасной аммиачно-воздушной смеси при пуске аппарата.
В этих же целях до пуска нейтрализатор и взаимосвязанная с ним коммуникация продуваются паром.
После достижения нормального режима работы соковый пар из аппарата ИТН направляется на использование в качестве греющего пара,].
3.1.4 Установки нейтрализации, работающие при разрежении
Совместная переработка амм иаксодержащих газов и газообразного аммиака нецелесообразна, так как связана с большими потерями аммиачной селитры, кислоты и аммиака из-за наличия в аммиаксодержащих газах значительного количества примесей (азот, метан, водород и др.)- Эти примеси, барботируя через образующиеся кипящие растворы аммиачной селитры, уносили бы с соковым паром связанный азот. Кроме того, соковый пар, загрязненный примесями, нельзя было бы использовать в качестве греющего пара. Поэтому аммиаксодержащие газы, как правило, перерабатывают отдельно от газообразного аммиака.
В установках, работающих при разрежении, использование тепла реакции осуществляется вне нейтрализатора-- в вакуум-испарителе. Здесь горячие растворы аммиачной селитры, поступающие из нейтрализатора, кипят при температуре, соответствующей вакууму в аппарате. В состав таких установок входят: нейтрализатор скрубберного типа, вакуум-испаритель и вспомогательное оборудование.
На рисунке 3 представлена схема установки нейтрализации, работающей с применением вакуум-испарителя.
НР1 - нейтральзатор скрубберного типа; Н1 - насос; В1 - вакуум-испаритель; В2 - вакуум-сепаратор; НБ1 - напорный бак азотной кислоты; Б1 - бак (затворсмеситель); П1 - промыватель; ДН1 - донейтрализатор
Рисунок 3 - Схема установки нейтрализации с вакуум-испарителем
Аммиаксодержащие газы при температуре 30--90 °С под давлением 1,2--1,3 атм подаются в нижнюю часть скруббера-нейтрализатора 1. В верхнюю часть скруббера из бака- затвора 6 поступает циркуляционный раствор селитры, в который обычно непрерывно подается из бака 5 азотная кислота, иногда предварительно нагретая до температуры не выше 60 °С. Процесс нейтрализации проводится при избытке кислоты в пределах 20-50 г/л. В скруббере 1 обычно поддерживается температура на 15--20 °С ниже температуры кипения растворов, что позволяет предотвращать разложение кислоты и образование тумана аммиачной селитры. Заданная температура поддерживается благодаря орошению скруббера раствором из вакуум-испарителя, который работает при разрежении 600 мм рт. ст., поэтому раствор в нем имеет более низкую температуру, чем в скруббере.
Получаемый в скруббере раствор селитры засасывается в вакуум-испаритель 5, где при разрежении 560--600 мм рт. ст. происходит частичное испарение воды (упаривание) и повышение концентрации раствора.
Из вакуум-испарителя раствор стекает в бак-гидрозатвор 6, откуда большая его часть снова поступает на орошение скруббера 1, а остальное количество направляется в донейтрализатор 8. Соковый пар, образующийся в вакуум-испарителе 3, через вакуум-сепаратор 4 направляется в поверхностный конденсатор (на рисунке не показан) или в конденсатор смесительного типа. В первом случае конденсат сокового пара используется в производстве азотной кислоты, во втором -- для различных других целей. Разрежение в вакуум-испарителе создается благодаря конденсации сокового пара. Несконденсировавшиеся пары и газы отсасываются из конденсаторов вакуум-насосом и отводятся в атмосферу.
Отработанные газы из скруббера 1 поступают в аппарат 7, где промываются конденсатом для удаления капель раствора селитры, после чего также удаляются в атмосферу. В мешалке-донейтрализаторе растворы нейтрализуются до содержания 0,1--0,2 г/л свободного аммиака и вместе с потоком раствора селитры, полученного в аппаратах ИТН, направляются на упаривание.
На рисунке 4 представлена более совершенная схема вакуум-нейтрализации.
ХК1 - холодильник-конденсатор; СН1 - скруббер-нейтрализатор; С1, С2 - сборники; ЦН1, ЦН2, ЦН3 - центробежные насосы; П1 - промыватель газов; Г1 - гидрозатвор; Л1 - ловушка; В1 - вакуум-испаритель; БД1 - бак-донейтрализатор; В2 - вакуум-насос; П2 - промыватель сокового аппарата; К1 - конденсатор поверхностный
Рисунок 4 - Схема вакуум-нейтрализации:
Газы дистилляции направляются в нижнюю часть скруббера нейтрализатора 2, орошаемого раствором из сборника 3 с помощью циркуляционного насоса 4.
В сборник 3 через гидрозатвор 6 поступают растворы из скруббера-нейтрализатора 2, а также растворы после ловушки вакуум-испарителя 10 и промывателя сокового пара 14.
Через напорный бак (на рисунке не показан) азотная кислота раствор из промывателя газов 5, орошаемого конденсатом сокового пара, непрерывно поступают в сборник 7. Отсюда растворы циркуляционным насосом 8 подаются в промыватель 5, пройдя который возвращаются в сборник 7.
Горячие газы после промывателя 5 охлаждаются в холодильнике-конденсаторе 1 и выбрасываются в атмосферу.
Горячие растворы аммиачной селитры из гидрозатвора 6 засасываются с помощью вакуум-насоса 13 в вакуум-испаритель 10, где концентрация NH4NO3 увеличивается на несколько процентов.
Выделяющиеся в вакуум-испарителе 10 соковые пары, пройдя ловушку 9, промыватель 14 и поверхностный конденсатор 15, вакуум-насосом 13 выбрасываются в атмосферу.
Раствор аммиачной селитры с заданной кислотностью отводится из нагнетательной линии насоса 4 в бак-донейтрализатор. Здесь раствор нейтрализуется газообразным аммиаком и насосом 12 направляется на выпарную станцию.
3.1. 5 Основное оборудование
Нейтрализаторы ИТН. Применяется несколько типов нейтрализаторов, отличающихся главным образом размерами и конструкцией устройств для распределения аммиака и азотной кислоты внутри аппарата. Часто применяются аппараты следующих размеров: диаметр 2400 мм, высота 7155 мм, стакан -- диаметр 1000 мм, высота 5000 мм. Эксплуатируются также аппараты диаметром 2440 мм и высотой 6294 мм и аппараты, из которых удалена ранее предусмотренная мешалка (рисунок 5).
ЛК1 - люк; П1 - полки; Л1 - линия для отбора проб; Л2 - линия вывода растворов; ВС1 - внутренний стакан; С1 - сосуд внешний; Ш1 - штуцер для слива растворов; Р1 - распределитель аммиака; Р2 - распределитель азотной кислоты
Рисунок 5 - Аппарат-нейтрализатор ИТН
В отдельных случаях для переработки небольших количеств аммиаксодержащих газов используются аппараты ИТН диаметром 1700 мм и высотой 5000 мм.
Подогреватель газообразного аммиака -- кожухотрубный аппарат из углеродистой стали. Диаметр корпуса 400--476 мм, высота 3500--3280 мм. Трубчатка часто состоит из 121 трубки (диаметр трубки 25x3 мм) с общей поверхностью теплообмена 28 м2. Газообразный аммиак поступает в трубки, а греющий пар или горячий конденсат -- в межтрубное пространство.
Если для обогрева применяется соковый пар из аппаратов ИТН, то подогреватель выполняется из нержавеющей стали 1Х18Н9Т.
Испаритель жидкого аммиака представляет собой аппарат из углеродистой стали, в нижней части которого расположен паровой змеевик, а в средней -- тангенциальный ввод газообразного аммиака.
В большинстве случаев испаритель работает на свежем паре давлением (избыточным) 9 атм. Внизу испарителя аммиака имеется штуцер для периодической продувки от накапливающихся загрязнений.
Подогреватель азотной кислоты -- кожухотрубный аппарат диаметром 400 мм, длиной 3890 мм. Диаметр трубок 25x2 мм, длина 3500 мм; общая поверхность теплообмена 32 м2. Обогрев ведется соковым паром абсолютным давлением 1,2 атм.
Нейтрализатор скрубберного типа -- вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1800--2400 мм, высотой 4700--5150 мм. Применяются также аппараты диаметром 2012 мм и высотой 9000 мм. Внутри аппарата для равномерного распределения циркуляционных растворов по сечению расположено несколько дырчатых тарелок или насадка из керамических колец. В верхней части аппаратов, оборудованных тарелками, уложен слой колец размерами 50x50x3 мм, являющийся отбойником брызг растворов.
Скорость газов в свободном сечении скруббера при диаметре 1700 мм и высоте 5150 мм составляет около 0,4 м/сек. Орошение аппарата скрубберного типа растворами осуществляется при помощи центробежных насосов производительностью 175--250 м3/ч.
Вакуум-испаритель -- вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 1000--1200 мм и высотой 5000--3200 мм. Насадка -- керамические кольца размерами 50x50x5 мм, уложенные правильными рядами.
Промыватель газа -- вертикальный цилиндрический аппарат из нержавеющей стали диаметром 1000 мм, высотой 5000 мм. Насадка-- керамические кольца размерами 50x50x5 мм.
Мешалка-донейтрализатор -- цилиндрический аппарат с мешалкой, вращающейся со скоростью 30 об/мин. Привод осуществляется от электродвигателя через редуктор (рисунок 6).
Ш1 - штуцер для установки измерителя уровня; В1 - воздушник; Э1 - электродвигатель; Р1 - редуктор; ВМ1 - вал мешалки; Л1 - лаз
Рисунок 6 - Мешалка-донейтрализатор
Диаметр часто применяемых аппаратов 2800 мм, высота 3200 мм. Они работают под атмосферным давлением, служат для донейтрализации растворов аммиачной селитры и в качестве промежуточных емкостей для растворов, направляемых на упаривание.
Поверхностный конденсатор -- вертикальный кожухотрубный двухходовой (по воде) теплообменник, предназначенный для конденсации сокового пара, поступающего из вакуум-испарителя. Диаметр аппарата 1200 мм, высота 4285 мм; поверхность теплопередачи 309 м2. Он работает при разрежении примерно 550-- 600 мм рт. ст.; имеет трубки: диаметр 25x2 мм, длина 3500 м общее число 1150 шт.; вес такого конденсатора -- около 7200 Кг
В отдельных случаях для ликвидации выбросов в атмосферу сокового пара, сбрасываемого при продувках из выпарных аппаратов, ловушек аппаратов ИТН и гидрозатворов, устанавливается поверхностный конденсатор со следующей характеристикой: диаметр корпуса 800 мм, высота 4430 мм, общее количество трубок 483 шт., диаметр 25x2, общая поверхность 125 м2.
Вакуум-насосы. Применяются разные типы насосов. Насос типа ВВН-12 имеет производительность 66 м3/ч, скорость вращения вала 980 об/мин. Насос предназначен для создания вакуума в вакуум-нейтрализационной установке.
Центробежные насосы. Для циркуляции раствора аммиачной селитры на установке вакуум-нейтрализации часто применяются насосы марки 7ХН-12 производительностью 175--250 м3/ч. Установочная мощность электродвигателя 55 квт .
4 . Материальные и энергетические расчеты
Произведем расчет материального и теплового баланса процесса. Расчеты нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком выполняю на 1 т продукта. Исходные данные беру из таблицы 2, используя методику пособий , , .
Принимаем, что процесс нейтрализации будет протекать в следующих условиях:
Начальная температура, °С
газообразного аммиака...........................................................................50
азотной кислоты......................................................................................20
Таблица 2 - Исходные данные
Материальный расчет
1 Для получения 1 т селитры по реакции:
Np+HNO3=NH4NO3 +Q Дж (9)
теоретически требуется следующее количество сырья (в кг):
17 - 80 х = 1000*17/80 = 212,5
азотной кислоты
63 - 80 х = 1000*63/80 = 787,5
Где 17, 63 и 80 - молекулярные массы аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры соответственно.
Практический расход Np и HNO3 несколько выше теоретического, так как в процессе нейтрализации неизбежны потери реагентов с соковым паром через неплотности коммуникаций вследствие небольшого разложения реагирующих компонентов и селитры и т.д.
2. Определим количество аммиачной селитры в товарном продукте: 0,98*1000=980 кг/ч
980/80=12,25 кмоль/ч,
а также количество воды:
1000-980=20 кг/ч
3. Рассчитаю расход азотной кислоты (100%-ной) на получение 12,25 кмоль/ч селитры. По стехиометрии ее расходуется столько же (кмоль/ч), сколько образовалось селитры: 12,25 кмоль/ч, или 12,25*63=771, 75 кг/ч
Поскольку в условиях задана полная (100%-ная) конверсия кислоты, это и будет ее поданное количество.
В процессе участвует разбавленная кислота - 60%-ная:
771,75/0,6=1286,25 кг/ч,
в том числе воды:
1286,25-771,25=514,5 кг/ч
4. Аналогично, расход аммиака (100%-ного) на получение 12,25 кмоль/ч, или 12,25*17=208,25 кг/ч
В пересчете на 25%-ную аммиачную воду это составит 208,25/0,25= 833 кг/ч, в том числе воды 833-208,25=624,75 кг/ч.
5. Найду общее количество воды в нейтрализаторе, поступившее с реагентами:
514,5+624,75=1139,25 кг/ч
6. Определим количество водяного пара, образовавшегося про упаривании раствора селитры (20 кг/ч остается в товарном продукте): 1139,25 - 20=1119,25 кг/ч.
7. Составим таблицу материального баланса процесса производства аммиачной селитры.
Таблица 3 - Материальный баланс процесса нейтрализации
8. Рассчитаем технологически показатели.
· теоретические расходные коэффициенты:
по кислоте - 63/80=0,78 кг/кг
по аммиаку - 17/80=0,21 кг/кг
· фактические расходные коэффициенты:
по кислоте - 1286,25/1000=1,28 кг/кг
по аммиаку - 833/1000=0,83 кг/кг
В процессе нейтрализации проходила только одна реакция, конверсия сырья равняла 1 (т.е. произошло полное превращение),потери отсутствовали, значит фактически выход равен теоретическому:
Qф/Qт*100=980/980*100=100%
Энергетический расчет
Приход тепла. В процессе нейтрализации приход тепла складывается из тепла, вносимого аммиаком и азотной кислотой, и тепла, выделяющегося при нейтрализации.
1. Тепло, вносимое газообразным аммиаком, составляет:
Q1=208,25*2,18*50=22699,25 кДж,
где 208,25 - расход аммиака, кг/ч
2,18 - теплоемкость аммиака, кДж/(кг*°С)
50 - температура аммиака, °С
2. Тепло вносимое азотной кислотой:
Q2=771,75*2,76*20=42600,8 кДж,
где 771,25 - расход азотной кислоты, кг/ч
2,76 - теплоемкость азотной кислоты, кДж/(кг*°С)
20 - температура кислоты, °С
3. Теплоту нейтрализации предварительно рассчитывают на 1 моль образующейся аммиачной селитры по уравнению:
HNO3*3,95pO(жидк) +Np(газ) =NH4NO3*3,95pO(жидк)
где HNO3*3,95pO соответствует азотной кислоте.
Тепловой эффект Q3 этой реакции находим из следующих величин:
а) теплота растворения в воде азотной кислоты:
HNO3+3,95 pO=HNO3*3,95pO (10)
б) теплота образования твердого NH4NO3 из 100%-ной азотной кислоты и 100%-ного аммиака:
HNO3 (жидк) +Np(газ) =NH4NO3(тв) (11)
в) теплота растворения аммиачной селитры в воде с учетом расхода реакционного тепла на упаривание получаемого раствора от 52,5% (NH4NO3 *pO) до 64% (NH4NO3 *2,5pO)
NH4NO3 +2,5pO= NH4NO3*2,5pO, (12)
где NH4NO3*4pO соответствует концентрации 52,5% NH4NO3
Величина NH4NO3*4pO рассчитывается из соотношения
80*47,5/52,5*18=4pO,
где 80 - молярный вес NH4NO3
47,5 - концентрация HNO3 , %
52,5 - концентрация NH4NO3 , %
18 - молярный вес pO
Аналогично рассчитывается величина NH4NO3*2,5pO, соответствующая 64%-ному раствору NH4NO3
80*36/64*18=2,5pO
По реакции (10) теплота растворения q азотной кислоты в воде равна 2594,08 Дж/моль. Для определения теплового эффекта реакции (11) требуется из теплоты образования нитрата аммония вычесть сумму теплот образования Np(газ) и HNO3 (жидк).
Теплота образования этих соединений из простых веществ при 18°С и 1 атм имеет следующие значения (в Дж/моль):
Np(газ):46191,36
HNO3 (жидк):174472,8
NH4NO3(тв):364844,8
Общий тепловой эффект химического процесса зависит только от теплот образования исходных взаимодействующих веществ и конечных продуктов. Из этого следует, что тепловой эффект реакции (11) составит:
q2=364844,8-(46191,36+174472,8)=144180,64 Дж/моль
Теплота q3 растворения NH4NO3 по реакции (12) равна 15606,32 Дж/моль.
Растворение NH4NO3 в воде протекает с поглощение тепла. В связи с этим теплота растворения принимается в энергетическом балансе со знаком минус. Концентрирование же раствора NH4NO3 протекает соответственно с выделением тепла.
Таким образом, тепловой эффект Q3 реакции
HNO3 +*3,95pO(жидк)+ Np(газ) =NH4NO3*2,5pO(жидк)+1.45 pO(пар)
составит:
Q3=q1+q2+q3= -25940,08+144180,64-15606,32=102633,52 Дж/моль
При выработке 1 т аммиачной селитры тепло реакции нейтрализации составит:
102633,52*1000/80=1282919 кДж,
где 80 - молекулярный вес NH4NO3
из приведенных выше расчетов видно, что суммарный приход тепла составит: с аммиаком 22699,25, с азотной кислотой 42600,8, за счет тепла нейтрализации 1282919 и всего 1348219,05 кДж.
Расход тепла. При нейтрализации азотной кислоты аммиаком тепло отводится из аппарата получаемым раствором аммиачной селитры, расходуется на испарение воды из этого раствора и теряется в окружающую среду.
Количество тепла, уносимого раствором аммиачной селитры, составляет:
Q=(980+10)*2,55 tкип,
где 980 - количество раствора аммиачной селитры, кг
10 - потери Np и HNO3 ,кг
tкип - температура кипения раствора аммиачной селитры, °С
Температуру кипения раствора аммиачной селитры определяем при абсолютном давлении в нейтрализаторе 1,15 - 1,2 атм; этому давлению соответствует температура насыщенного водяного пара 103 °С. при атмосферном же давлении температура кипения раствора NH4NO3 составляет 115,2 °С. температурная депрессия равна:
T=115,2 - 100=15,2 °С
Вычисляем температуру кипения 64%-ного раствора NH4NO3
tкип = tнас. пара+?t*з =103+15,2*1,03 = 118,7 °С,
Подобные документы
Характеристика выпускаемой продукции, исходного сырья и материалов для производства. Технологический процесс получения аммиачной селитры. Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком и выпаривание до состояния высококонцентрированного плава.
курсовая работа , добавлен 19.01.2016
Автоматизация производства гранулированной аммиачной селитры. Контуры стабилизации давления в линии подачи сокового пара и регулирования температуры конденсата пара из барометрического конденсатора. Контроль давления в линии отвода к вакуум-насосу.
курсовая работа , добавлен 09.01.2014
Аммиачная селитра как распространённое и дешёвое азотное удобрение. Обзор существующих технологических схем его производства. Модернизация производства аммиачной селитры с получением сложного азотно-фосфатного удобрения на ОАО "Череповецкий "Азот".
дипломная работа , добавлен 22.02.2012
Описания грануляторов для гранулирования и смешивания сыпучих материалов, увлажненных порошков и паст. Производство комплексных удобрений на основе аммиачной селитры и карбамида. Упрочнение связей между частицами сушкой, охлаждением и полимеризацией.
курсовая работа , добавлен 11.03.2015
Назначение, устройство и функциональная схема аммиачной холодильной установки. Построение в термодинамической диаграмме цикла для заданного и оптимального режимов. Определение холодопроизводительности, потребляемой мощности и расхода электроэнергии.
контрольная работа , добавлен 25.12.2013
Сущность процесса сушки и описание его технологической схемы. Барабанные атмосферные сушилки, их строение и основной расчёт. Параметры топочных газов, подаваемых в сушилку, автоматическая регулировка влажности. Транспортировка сушильного агента.
курсовая работа , добавлен 24.06.2012
Обзор современных методов производства азотной кислоты. Описание технологической схемы установки, конструкция основного аппарата и вспомогательного оборудования. Характеристика исходного сырья и готовой продукции, побочные продукты и отходы производства.
дипломная работа , добавлен 01.11.2013
Промышленные способы получения разбавленной азотной кислоты. Катализаторы окисления аммиака. Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси. Типы азотнокислотных систем. Расчет материального и теплового баланса реактора.
курсовая работа , добавлен 14.03.2015
Технологический процесс, нормы технологического режима. Физико-химические свойства диаммоний-фосфата. Технологическая схема. Прием, распределение фосфорной кислоты. Первая и второая стадии нейтрализации фосфорной кислоты. Гранулирование и сушка продукта.
курсовая работа , добавлен 18.12.2008
Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов для получения азотной кислоты. Выбор и обоснование принятой схемы производства. Описание технологической схемы. Расчеты материальных балансов процессов. Автоматизация технологического процесса.
Производство аммиачной селитры
Аммиачная селитра – безбалластное удобрение, содержащее 35% азота в аммиачной и нитратной форме, благодаря чему она применяется на любых почвах и для любых культур. Однако это удобрения обладает неблагоприятными для его хранения и применения физическими свойствами. Кристаллы и гранулы аммиачной селитры расплываются на воздухе или слеживаются в крупные агрегаты в результате их гигроскопичности и хорошей растворимости в воде. Кроме того при изменении температуры и влажности воздуха во время хранения аммиачной селитры могут происходить полиморфные превращения. Для подавления полиморфных превращений и повышения прочности гранул аммиачной селитры применяют добавки, вводимые в процессе ее изготовления, - фосфаты и сульфаты аммония, борную кислоту, нитрат магния и др. Взрывоопасность аммиачной селитры осложняет ее производство, хранение и транспортировку.
Аммиачную селитру производят на заводах, вырабатывающих синтетический аммиак и азотную кислоту. Производственный процесс складывается из стадий нейтрализации слабой азотной кислоты газообразным аммиаком, упарки полученного раствора и гранулирования аммиачной селитры. Стадия нейтрализации основана на реакции
NH 3 +HNO 3 =NH 4 NO 3 +148, 6 кДж
Этот хемосорбционный процесс, при котором поглощение газа жидкостью сопровождается быстрой химической реакцией, идет в диффузионной области и сильно экзотермичен. Теплота нейтрализации рационально используется для испарения воды из растворов нитрата аммония. Применяя азотную кислоту высокой концентрации и подогревая исходные реагенты, можно непосредственно получить плав аммиачной селитры (конценрацией выше 95-96% NH 4 NO 3) без применения выпаривания.
Наиболее распространены схемы с неполным упариванием раствора аммиачной селитры за счет теплоты нейтрализации (рис. 2).
Основная масса воды упаривается в химическом реакторе –нейтрализаторе ИТН (использование теплоты нейтрализации). Этот реактор – цилиндрический сосуд из нержавеющей стали, внутри которого находится другой цилиндр, куда непосредственно вводится аммиак и азотная кислота. Внутренний цилиндр служит нейтрализационной частью реактора (зона химической реакции), а кольцевое пространство между внутренним цилиндром и корпусом реактора – испарительной частью. Образовавшийся раствор аммиачной селитра поступает из внутреннего цилиндра в испарительную часть реактора, где испарение воды происходит за счет теплообмена между нейтрализационной и испарительной зонами через стенку внутреннего цилиндра. Образовавшийся соковый пар отводится из нейтрализатора ИТН и используется затем как греющий агент.
Сульфатно-фосфатная добавка дозируется в азотную кислоту в виде концентрированных серной и фосфорной кислот, которые нейтрализуются вместе с азотной аммиаком в нейтрализаторе ИТН. При нейтрализации исходной азотной кислоты 58%-ный раствор аммиачной селитры на выходе из ИТН содержит 92-93% NH 4 NO 3 ; этот раствор направляется в донейтрализатор, в который подается газообразный аммиак с таким расчетом, чтобы раствор содержал избыток аммиака (около 1 г/дм 3 своб. NH 3), что обеспечивает безопасность дальнейшей работы с плавом NH 4 NO 3 . Донейтрализованный раствор концентрируют в комбинированном тарельчатом трубчатом выпарном аппарате с получением плава, содержащего 99,7-99,8% NH 4 NO 3 . Для гранулирования высококонцентрированной аммиачной селитры плав погруженными насосами перекачивается наверх грануляционной башни высотой 50-55м. Гранулирование производится разбрызгиванием плава с помощью акустических виброгрануляторов ячеечного типа, обеспечивающих однородный гранулометрический состав продукта. Охлаждение гранул производится воздухом в холодильнике кипящего слоя, состоящем из нескольких последовательных ступеней охлаждения. Охлажденные гранулы опрыскиваются ПАВ в барабане с форсунками и передаются на упаковку.
Ввиду недостатков аммиачной селитры целесообразно изготовление на ее основе сложных и смешанных удобрений. Смешением аммиачной селитры с известняком, сульфатом аммония получают известково-аммиачную селитру, сульфатнитрат аммония и др. Нитрофоску можно получить сплавлением NH 4 NO 3 с солями фосфора и калия.
Производство карбамида
Карбамид (мочевина) среди азотных удобрений занимает второе место по объему производства после аммиачной селитры. Рост производства карбамида обусловлен широкой сферой его применения в сельском хозяйстве. Он обладает большой устойчивостью к выщелачиванию по сравнению с другими азотными удобрениями, т.е. менее подвержен вымыванию из почвы, менее гигроскопичен, может применяться не только как удобрения, но и в качестве добавки к корму крупного рогатого скота. Карбамид, кроме того, широко используется для получения сложных удобрений, удобрений с регулируемым сроком действия, а также для поучения пластмасс, клеев, лаков и покрытий.
Карбамид CO(NH 2) 2 – белое кристаллическое вещество, содержащее 46.6% азота. Его получение основано на реакции взаимодействия аммиака с диоксидом углерода
2NH 3
+CO 2 =CO(NH 2) 2 +H 2 O
H=-110,1
кДж (1)
Таким образом, сырьем для производства карбамида служат аммиак т диоксид углерода, получаемый в качестве побочного продукта при производстве технологического газа для синтеза аммиака. Поэтому производство карбамида на химических заводах обычно комбинируют с производством аммиака.
Реакция (1) – суммарная; она протекает в две стадии. На первой стадии происходит синтез карбамата:
2NH 3 +CO 2 =NH 2 COONH 4 H=-125,6 кДж (2)
газ газ жидкость
На второй стадии протекает эндотермический процесс отщепления воды от молекул карбамата, в результате которого и происходит образование карбамида:
NH 2 COONH 4 = CO(NH 2) 2 + Н 2 О Н=15.5 (3)
жидкость жидкость жидкость
Реакция образования карбамата
аммония – обратимая экзотермическмя,
протекает с уменьшением объема. Для
смещения равновесия в сторону продукта
ее необходимо проводить при повышенном
давлении. Для того, чтобы процесс протекал
с достаточно высокой скоростью, необходимы
и повешенные температуры. Увеличение
давления компенсирует отрицательное
влияние высоких температур на смещение
равновесия реакции в обратную сторону.
На практике синтез карбамида проводят
при температурах 150-190
С
и давление 15-20 МПа. В этих условиях
реакция протекает с высокой скоростью
и до конца.
Разложение карбомата аммония – обратимая эндотермическая реакция, интенсивно протекающая в жидкой фазе. Чтобы в реакторе не происходило кристаллизации твердых продуктов, процесс необходимо вести при температуре ниже 98С (эвтектическая точка для системы CO(NH 2) 2 - NH 2 COONH 4).
Более высокие температуры смещают равновесие реакции вправо и повышают ее скорость. Максимальная степень превращения карбамата в карбамид достигается при 220С. Для смещения равновесия этой реакции вводят также избыток аммиака, который связывая реакционную воду, удаляет ее из сферы реакции. Однако добиться полного превращения карбамата в карбамид все же не удается. Реакционная смесь по мимо продуктов реакции (карбамида и воды) содержит также карбамат аммония и продукты его разложения – аммиак и СО 2 .
Для полного использования исходного сырья необходимо либо предусмотреть возвращение непрореагировавших аммиака и диоксида углерода, а также углеаммонийных солей (промежуточных продуктов реакции) в колонну синтеза, т.е. создание рецикла, либо отделение карбамида от реакционной смеси и направление оставшихся реагентов на другие производства, например на производство аммиачной селитры, т.е. проведение процесса по открытой схеме.
В крупнотоннажном агрегате синтеза карбамида с жидкостным рециклом и применением стриппинг-процесса (рис. 3) можно выделить узел высокого давления, узел низкого давления и систему грануляции. Водный раствор карбамата аммония и углеаммонийных солей, а также аммиак и диоксид углерода поступают в нижнюю часть колонны синтеза 1 из карбаматного конденсатора высокого давления 4. В колонне синтеза при температуре 170-190С и давлении 13-15 МПа заканчивается образование карбамата и протекает реакция синтеза карбамида. Расход реагентов подбирают таким образом, чтобы в реакторе молярное отношение NH 3:CO 2 составляло 2,8-2,9. Жидкая реакционная смесь (плав) из колонны синтеза карбамида поступает в отдувочную колонну 5, где стекает по трубам вниз. Противотоком к плаву подают сжатый в компрессоре до давления 13-15МПа диоксид углерода, к которому для образования пассивирующей пленки и уменьшения коррозии оборудования добавлен воздух в количестве, обеспечивающем в смеси концентрацию кислорода 0,5-0,8%. Отдувочная колонна обогревается водяным паром. Парогазовая смесь из колонны 5, содержащая свежий диоксид углерода, поступает в конденсатор высокого давления 4. В него же вводят жидкий аммиак. Он одновременно служит рабочим потоком в инжекторе 3, подающем в конденсатор раствор углеаммонийных солей из скруббера высокого давления 2 и при необходимости часть плава из колонны синтеза. В конденсаторе образуется карбамат. Выделяющуюся при реакции теплоту используют для получения водяного пара.
Из верхней части колонны синтеза непрерывно выходят непрореагировавшие газы, поступающие в скруббер высокого давления 2, в котором большая часть их конденсируется вследствие водного охлаждения, образуя раствор карбамата и углеаммонитйных солей.
Водный раствор карбамида, выходящий из отдувочной колонны 5, содержит 4-5% карбамата. Для окончательного его разложения раствор дросселируют до давления 0,3-0,6 МПа и затем направляют в верхнюю часть ректификационной колонны 8.
Жидкая фаза стекает в колонне вниз по насадке противотоком к парогазовой смеси, поднимающейся снизу вверх. Из верхней части колонны выходят NH 3 ,CO 2 и водяные пары. Водяные пары конденсируются в конденсаторе низкого давления 7, при этом растворяется основная часть аммиака и диоксида углерода. Полученный раствор направляют в скруббер 2. Окончательная очистка газов, выбрасываемых в атмосферу, проводится абсорбционными методами.
70%-ный раствор карбамида, выходящий из нижней части ректификационной колонны 8, отделяют от парогазовой смеси и направляют после снижения давления до атмосферного сначала на выпарку, а затем на грануляцию. Перед распылением плава в грануляционной башне 12 к нему добавляют кондиционирующие добавки, например мочевиноформальдегидную смолу, чтобы получить неслеживающееся удобрение, не портящееся при хранении.
Охрана окружающей среды при производстве удобрений
При производстве фосфорных удобрений велика опасность загрязнения атмосферы фтористыми газами. Улавливание соединений фтора важно не только с точки зрения охраны окружающей среды, но также и потому, что фтор является ценным сырьем для получения фреонов, фторопластов, фторкаучуков и т.д. Соединения фтора могут попасть в сточные воды на стадиях промывки удобрений, газоочистки. Целесообразно для уменьшения количества таких сточных вод создавать в процессах замкнутые водооборотные циклы. Для очистки сточных вод от фтористых соединений могут быть применены методы ионного обмена, осаждения с гидроксидами железа и алюминия, сорбции на оксиде алюминия и др.
Сточные воды производства азотных удобрений, содержащие аммиачную селитру и карбамид, направляют на биологическую очистку, предварительно смешивая их с другими сточными водами в таких соотношениях, чтобы концентрация карбамида не превышала 700мг/л, а аммиака – 65-70мг/л.
Важной задачей в производстве минеральных удобрений является очистка газов от пыли. Особенно велика возможность загрязнения атмосферы пылью удобрений на стадии грануляции. Поэтому газ, выходящий из грануляционных башен, обязательно подвергается пылеочистке сухими и мокрыми методами.
Список литературы
А.М. Кутепов и др.
Общая химическая технология: Учеб. для вузов/А.М. Кутепов,
Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен.- 3-е изд., перераб. – М.: ИКЦ «Академкнига». 2003. – 528с.
И.П. Мухленов, А.Я. Авербух, Д.А Кузнецов, Е.С. Тумаркина,
И.Э. Фурмер.
Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов.
В 2х томах. Т.2. Важнейшие химические производства/ И.П. Мухленов, А.Я. Кузнецов и др.; Под ред. И.П. Мухленова. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: «Высш. шк.», 1984.-263 с., ил.
Бесков В. С.
Общая химическая технология: Учебник для вузов. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2005. -452с.: ил.
Аммиачная селитра -- один из основных видов азотных удобрений; содержит не менее 34,2% азота. Сырьем для получения гранулированной аммиачной селитры служат неконцентрированная 30--40% азотная кислота и газообразный аммиак.
В качестве кондиционирующей добавки иногда используют 92,5% серную кислоту, которая нейтрализуется аммиаком вместе с азотной кислотой до сульфата аммония. Для опрыскивания готовых гранул применяют поверхностно-активное вещество -- 40% водный раствор диспергатора «НФ».
Основными стадиями производства аммиачной селитры являются: нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком; получение высококонцентрированного плава аммиачной селитры; гранулирование плава; охлаждение гранул аммиачной селитры; обработка гранул поверхностно-активным веществом -- диспергатором «НФ»; очистка воздуха и сокового пара перед выбросом в атмосферу; упаковка и хранение готового продукта.
Технологическая схема производства
Аммиачная селитра - одно из наиболее распространенных азотных удобрений. Получают ее нейтрализацией разбавленной азотной кислоты (40--50%) газообразным аммиаком.
Азотная кислота из приемной емкости 1 (рис.9.8) проходит через теплообменник 2 и поступает в нейтрализатор 3. Туда же подается предварительно нагретый в теплообменнике 5 газообразный аммиак. Основное количество аммиака поступает в газообразном состоянии из цеха синтеза аммиака. Дополнительно со склада подается жидкий аммиак, который испаряется в аппарате 4.
В нейтрализаторе 3 при атмосферном давлении и определенной температуре протекает процесс нейтрализации
параллельно с ним происходит частичное упаривание раствора за счет теплоты нейтрализации. Частично упаренный слабокислый раствор аммиачной селитры концентрацией 60--80% (так называемый слабый щелок) поступает в бак с мешалкой -- донейтралнзатор 6, где окончательно нейтрализуется аммиаком. Пар, образующийся при выпаривании раствора (соковый пар), выводится из верхней части нейтрализатора. При неправильном ведении процесса из нейтрализатора с соковым паром может уноситься часть аммиака и азотной кислоты.
Упаривание слабого щелока до 98,5% NH4NO3 осуществляется под вакуумом в две ступени. Первоначально в выпарном аппарате 8 концентрация щелока доводится до 82% NH4NO3, а затем и в выпарном аппарате 12 -- до заданной.
Слабый щелок подается в нижнюю часть выпарного аппарата 8. В качестве греющего агента в выпарном аппарате I ступени в основном используют соковый пар. Дополнительно к нему подают водяной пар. По мере увеличения концентрации сокового пара в греющей камере выпарного аппарата накапливаются инертные газы, ухудшающие теплопередачу. Для обеспечения нормальной работы аппарата 8 предусмотрена продувка межтрубного пространства с выбросом инертных газов в атмосферу.
Упаренный щелок из аппарата 8 перемещается в сборник 10. Здесь для улучшения качества получаемой селитры к щелоку добавляют раствор доломита, снижающего слеживаемость селитры.
Из сборника 10 щелок перекачивается в выпарной аппарат 12. В сепараторе 13 производится разделение выпаренного раствора на соковый пар и концентрированный раствор - плав. Соковый пар проходит в барометрический конденсатор 14, а плав подается в грануляционную башню 15. Гранулированная аммиачная селитра (конечный продукт) выводится из башни по выходному патрубку 16 транспортером 17.
Федеральное агентство по образованию
РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовой работе по общей химической технологии на тему:
«Производство аммиачной селитры. Расчет нейтрализатора производительностью G=10 т/час NH 4 NO 3
Выполнил:
студент гр. ХН-091
Артеменко А.А.
Проверил:
Ушаков А.Г.
Кемерово 2012
Введение
4
1.Технико-экономическое обоснование
выбранного способа
7
2.Технологическая схема производства
аммиачной селитры
12
3.Расчет материального
и теплового балансов нейтрализ ации
азотной кислоты аммиаком
17
3.1.Материальный баланс
17
3.2.Тепловой баланс
20
4.Выбор размеров контактного аппарата
21
Заключение
22
Список использованной
литературы
23
Введение
Минеральные удобрения
находят широкое применение, как
в сельском хозяйстве, так и в
различных областях промышленности.
В отличие от мирового рынка, именно
промышленное потребление азотных
удобрений является основным на внутреннем рынке.
Важнейшим видом минеральных удобрений
являются азотные: аммиачная селитра,
карбамид, сульфат аммония, водные растворы
аммиака.
Аммиачная селитра, или
нитрат аммония, NH 4 NO 3 – кристаллическое вещество
белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной
и нитратной формах, обе формы легко усваиваются
растениями .
Основными потребителями
аммиачной селитры являются следующие
отрасли:
- сельское хозяйство;
- производство сложных
минеральных удобрений;
- горнопромышленный комплекс (собственное производство
ВВ);
- угольная промышленность
(собственное производство ВВ);
- производство взрывчатых
веществ;
- строительная индустрия;
Аммиачная селитра обладает
потенциальной, или физиологической
кислотностью. Эта кислотность возникает в почве, с одной стороны, в результате
более быстрого потребления растениями
ионов (NH 4 +) и соответственно
накопления кислотного остатка (ионов
NO 3) в почве и, с другой стороны, в
результате окисления аммиака в азотную
кислоту нитрифицирующими микроорганизмами
почвы. При длительном применении аммиачной
селитры потенциальная кислотность этого
удобрения может привести к изменениям
химического состава почвы, что в ряде
случаев служит причиной снижения урожайности
Сельскохозяйственных
культур.
Гранулированную аммиачную селитру применяют
больших масштабах перед посевом и для
всех видов подкормок. В меньших масштабах
ее используют для производства взрывчатых
веществ. Аммиачная селитра хорошо растворяется
в воде и обладает большой гигроскопичностью
(способность поглощать влагу из воздуха).
Это является причинного того, что гранулы
удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую
форму, происходит слеживание удобрений
– сыпучий материал превращается в
твердую монолитную массу.
Нитрат аммония имеет ряд преимуществ перед другими азотными
удобрениями, так как содержит 34 % азота
и в этом отношение уступает лишь карбамиду
.
Кроме того аммиачная
селитра содержит одновременно аммиачную
и нитратную форму азота, которые
используются растениями в разные периоды роста, что положительно складывается
на увеличение урожайности почти всех
сельскохозяйственных культур.
Отрасли, использующие аммиачную селитру
как сырье для производства взрывчатых
веществ (ВВ) являются вторым по емкости
сегментом ее потребления на внутреннем
рынке после сельского хозяйства. Аммиачно-
селитряные ВВ представляют
собой большую группу взрывчатых
веществ.
Их принято относить
к бризантным взрывчатым веществам
пониженной мощности (в тротиловом
эквиваленте на 25% слабее тротила). Однако это не вполне так. По бризантности
аммиачно-селитряные ВВ, как правило, мало
в
Чем уступают тротилу, а по фугасности превышают тротил, причем некоторые из них весьма значительно. Аммиачно-селитряные ВВ в большей степени находят применение в народном хозяйстве и в меньшей степени в военном деле. Причиной такого применения является значительно меньшая стоимость аммиачно-селитряных ВВ, их значительно более низкая надежность в применении. Прежде всего, это связано с большой гигроскопичностью аммиачных ВВ, поэтому при увлажнении более 3% такие ВВ полностью теряют способность взрываться. Они подвержены слеживаемости, т.е. теряют при хранении сыпучесть, из-за чего полностью
Или частично теряют взрывную
способность.
Важнейшими причинами слеживаемости
являются:
1.Повышенное содержание влаги в готовом
продукте;
2.Неоднородность и низкая механическая
прочность частиц селитры;
3.Изменение кристаллических модификаций
аммиачной селитры.
Нитрат аммония –
сильный окислитель. С растворами
некоторых веществ он реагирует бурно, вплоть до взрыва (нитрит
натрия).Малочувствителен к толчкам, трению,
ударам, сохраняет устойчивость при попадание
искр различной интенсивности. Он способен
взрываться только под действием сильного
детонатора или при термическом разложении.
Селитра не является горючим продуктом.
Горение поддерживает только оксид азота.
Таким образом одним из условий производства
аммиачной селитры является чистота ее
исходных растворов и готового продукта
.
2.Технологическая схема производства аммиачной селитры
Процесс производства аммиачной
селитры состоит из следующих
основных стадий:
1.Нейтрализация азотной кислоты газообразным
аммиаком;
2.Упаривание растворов аммиачной селитры
до состояния плава;
3.Кристаллизация соли
из плава;
4.Сушка или охлаждение
соли;
5.Упаковка.
Для получения почти
неслеживающейся аммиачной селитры
применяют ряд технологических
приемов. В основе процесса производства аммиачной селитры лежит гетерогенная
реакция взаимодействия газообразного
аммиака с раствором азотной кислоты:
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3
(2)
?H = -144,9 кДж
Тепловой эффект реакции
при взаимодействии 100%-ных исходных
веществ составляет 35,46 ккал/моль .
Химическая реакция протекает с большой скоростью; в промышленном реакторе она лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного торможения большое значение имеет перемешивание реагентов. Интенсивные условия проведения процесса в значительной мере могут быть обеспечены при разработке конструкции аппарата. Реакцию (1) проводят в непрерывно действующем аппарате ИТН (использование теплоты нейтрализации) (рис.2.1).
Рис.2.1. Аппарат ИТН
Реактор представляет собой
вертикальный цилиндрический аппарат,
состоящий из реакционной и сепарационной
зон. В реакционной зоне имеется
стакан 1, в нижней части которого
расположены отверстия для циркуляции
раствора. Несколько выше отверстий внутри
стакана размещен барботер 2 для подачи газообразного
аммиака, над ним – барботер 3 для подачи азотной кислоты.
Реакционная парожидкостная смесь выходит
из верхней части реакционного стакана;
часть раствора выводится из аппарата
ИТН и поступает в донейтрализатор, а остальная
часть (циркуляционная) вновь идет вниз.
Выделившиеся из парожидкостной смеси
соковый пар отмывается на колпачковых
тарелках 6 от брызг раствора аммиачной
селитры и паров азотной кислоты 20 %-ным
раствором селитры, а затем конденсатом
сокового пара.
Теплота реакции (1) используется
для частичного испарения воды из
реакционной смеси (отсюда и название
аппарата – ИТН). Разница в температурах в разных частях аппарата
приводит к более интенсивной циркуляции
реакционной смеси.
Технологический процесс производства
аммиачной селитры включает, кроме
стадий нейтрализации азотной кислоты
аммиаком, также стадии упаривания раствора
селитры, гранулирования плава, охлаждения
гранул, обработка гранул поверхностно-активными
веществами, упаковки, хранения и погрузки
селитры, очистка газовых выбросов и сточных
вод.
На рис.2.2 приведена схема современного
крупнотоннажного агрегата по производству
аммиачной селитры АС-72 мощностью 1360 т/сут.
Исходная 58-60%-ная азотная кислота подогревается
в подогревателе 1 до 70-80?С соковым паром
из аппарата ИТН 3 и подается на нейтрализацию.
Перед аппаратами 3 к азотной кислоте добавляют
фосфорную и серную кислоты в таких количествах,
чтобы в готовом продукте содержалось
0,3-0,5% Р 2 О 5 и 0,05-0,2% сульфата
аммония.
В агрегате установлено два аппарата
ИТН, работающие параллельно. Кроме
азотной кислоты в них подают
газообразный аммиак, предварительно
нагретый в подогревателе 2 паровым конденсатом
до 120-130?С. Количества подаваемых азотной
кислоты и аммиака регулируют таким образом,
чтобы на выходе из аппарата ИТН раствор
имел небольшой избыток кислоты (2-5 г/л),
обеспечивающий полноту поглощения аммиака.
Рис.2.2 Схема агрегата аммиачной селитры
АС-72
В нижней части аппарата
происходит реакция нейтрализации
при температуре 155-170?С; при этом
получается концентрированный раствор,
содержащий 91-92% NH 4 NO 3 . В верхней части аппарата
водяные пары (так называемый соковый
пар) отмываются от брызг аммиачной селитры
и паров азотной кислоты. Часть теплоты
сокового пара используется на подогрев
азотной кислоты. Затем соковый пар направляют
на очистку и выбрасывают в атмосферу.
Выходящий из нейтрализатора раствор
аммиачной селитры имеет слабокислую
или слабощелочную реакцию.
Кислый раствор аммиачной селитры
направляют в донейтрализатор 4; куда поступает аммиак,
необходимый для взаимодействия с оставшейся
азотной кислотой. Затем раствор подают
в выпарной аппарат 5. Полученный плав, содержащий
99,7-99,8% селитры, при 175?С проходит фильтр 21 и центробежным погружным
насосом 20 подается в напорный бак 6, а затем в прямоугольную
металлическую грануляционную башню 16.
В верхней части башни расположены
грануляторы 7 и 8, в нижнюю часть которых
подают воздух, охлаждающий падающие сверху
капли селитры. Во время падения капель
селитры с высоты 50-55 м при обтекании их
потоком воздуха образуются гранулы удобрения.
Температура гранулы на
Выходе из башни равна 90-110?С; горячие
гранулы охлаждают в аппарате кипящего
слоя 15. Это прямоугольный аппарат,
имеющий три секции и снабженный решеткой
с отверстиями. Под решетку вентиляторами
подают воздух; при этом создается псевдоожиженный
слой гранул селитры, поступающих по транспортеру
из грануляционной башни. Воздух после
охлаждения попадает в грануляционную
башню.
Гранулы аммиачной селитры
транспортером 14 подают на обработку поверхностно-активными
веществами во вращающийся барабан 11. Затем готовое удобрение
транспортером 12 направляют на упаковку.
Воздух, выходящий из
грануляционной башни, загрязнен частицами
аммиачной селитры, а соковый
пар из нейтрализатора и паровоздушная
смесь из выпарного аппарата содержат
непрореагировавший аммиак и
Азотную кислоту, а также
частицы унесенной аммиачной селитры. Для этих
потоков в верхней
башни грануляционной башни расположены
шесть
параллельно работающих
промывных скрубберов тарельчатого
типа 10, орошаемых 20-30%-ным раствором аммиачной
селитры, которая подается насосом 18 из сборника 17. Часть этого раствора
отводится в нейтрализатор ИТН для промывки
сокового пара, а затем подмешивается
к аммиачной селитры, и, следовательно,
используется для выработки продукции.
Очищенный воздух отсасывается из грануляционной
башни вентилятором 9 и выбрасывается в атмосферу
.
3.Расчет материального и теплового баланса нейтрализации азотной кислоты аммиаком
3.1Материальный баланс
Исходные данные
Концентрация исходной азотной кислоты
50 % HNO 3 ;
Концентрация аммиака 100 % NH 3
;
Концентрация получаемого раствора
70% NH 4 NO 3
;
Производительность установки
G=10 т/час
В основе получения аммиачной
селитры лежит следующая реакция:
NH 3 + HNO 3 = NH 4 NO 3
M(NH 3)=17г/моль
М(NH 4 NO 3)=80г/моль
1.Определим количество прореагировавшего
100%-ного аммиака:
m(NH 3)=17*10000/80=2125 кг/час
М(HNO 3)=63г/моль
2.Определим количество прореагировавшей
100%-ной азотной кислоты:
m(HNO 3)=63*10000/80=7875 кг/час
Тогда количество прореагировавшей 50
% - ной азотной кислоты составляет:
m(HNO 3)= 7875/0,5 = 15750кг/час
Находим общее количество реагентов,
поступающих в нейтрализатор:
3.Количество 70 % - ного раствора аммиачной
селитры:
m(NH 4 NO 3)= 10000/0,7=14285,7 кг/час
4.Количество испарившейся воды при нейтрализации:
m(H 2 O)= 2125 +15750 – 14285,7=3589,3 кг/час
Расход NH 3 + Расход HNO 3
=Количество NH 4 NO 3 + соковый
пар
2125 +15750 = 14285,7+3589,3
17875кг/час=17875кг/час
Результаты расчетов сводим в таблицу:
Таблица 1
Материальный баланс
3.2Тепловой баланс
Исходные данные.
Температура кипения
аммиачной селитры 120?С.
Давление в нейтрализаторе 117,68
кПа.
Теплоемкости:
При 30 ?: С НNO3 =2,763 кДж/(м 3 ·?С);
При 50?С:C NH3 =2,185 кДж/ (м 3 ·?С);
При 123,6?С:С NH4NO3 =2,303 кДж/ (м 3 ·?С);
Решение.
Q прих. =Q расх.
Приход теплоты:
1.Теплота, вносимая азотной кислотой:
Q 1 = 15907,5 * 2,763 * 30= 1318572 кДж = 1318,572 МДж;
2.Теплота, поступающая с газообразным
аммиаком:
Q 2 = 2146,25 * 2,185 * 50 = 234478кДж =234,478 МДж;
При производстве аммиачной
селитры выделяется теплота, которую
достаточно точно можно определить
графически. Для 50 % азотной кислоты
Q=105,09 кДж/моль.
3.При нейтрализации выделяется:
Q 3 = (105,09* 1000 * 10000)/80 = 13136250кДж = 13136,25МДж;
Суммарный приход:
Q прих. = Q 1
+ Q 2 + Q 3 = 1318572+234478 +13136250
= 14689300кДж.
Расход теплоты:
1.Раствор аммиачной селитры уносит:
Q 1 " = 14285,7* 2,303 * t кип. ;
При давлении 117,68 кПа, температура насыщенного водяного
пара равна 103?С.
Температура кипения воды 100 ?С.
Температурная депрессия равна:
?t = 120 – 100 = 20 ?С;
Определим температуру кипения 70 % раствора
аммиачной селитры:
t кип = 103 + 20 * 1,03 = 123,6 ?С;
Q 1 " = 14285,7* 2,303 * 123,6 = 4066436 кДж = 4066,436
МДж.
2.Теплота, расходуемая на испарение воды:
Q 2 " = 3589,3 * 2379,9 = 8542175 кДж = 8542,175МДж.
3.Теплопотери:
Q потерь =Q прих. -Q расх. = 14689300-8542175-4066436= 2080689кДж=2080,689МДж.
Суммарный расход:
Q расх. = Q 1 " + Q 2 "+ Q потерь
=4066436+8542175+2080689 =14689300 кДж.
Результаты расчетов сводим в таблицу:
Таблица 2
Тепловой баланс
| Приход |
Расход |
||||
| Статья |
кДж |
% |
Статья |
кДж |
% |
| Q 1 |
1318572 |
8,98 |
Q 1 " |
4066436 |
27,7 |
| Q 2 |
234478 |
1,62 |
Q 2 " |
8542175 |
58,1 |
| Q 3 |
13136250 |
89,4 |
Q потерь |
2080689 |
14,2 |
| Итого: |
14689300 |
100,00 |
Итого: |
14689300 |
100,00 |
1.Технико-экономическое обоснование выбранного способа
Наиболее распространенные способы производства
аммиачной селитры основаны на реакции
нейтрализации азотной кислоты аммиаком.
Химическое взаимодействие газообразного
аммиака и растворов азотной кислоты протекает
с большой скоростью, но лимитируется
массообменном и гидродинамическими условиями.
Поэтому большое значение имеет интенсивность
смешения реагентов; которая в основном
зависит от соотношения между скоростями
движения азотной кислоты и аммиака в
реакторе. Наиболее тесное соприкосновение
реагентов достигается, если линейная
скорость газообразного аммиака превышает
линейную скорость раствора азотной кислоты
не более чем в 15 раз .
Процесс нейтрализации протекает
с выделением тепла. В производственных
условиях применяется азотная кислота
концентрацией 45-60%.Чем выше концентрация
применяемой азотной кислоты, тем меньше
значение теплоты ее разбавления и тем
больше тепловой эффект нейтрализации
растворов азотной кислоты аммиаком.
Суммарное количество
тепла Q ? ,выделяющегося в результате
реакции нейтрализации растворов азотной
кислоты газообразным аммиаком определяется
уравнением:
Q ? =Q реак. -(q 1 -q 2)
(1)
Возможны следующие принципиально различные
схемы получения аммиачной селитры с использованием
тепла нейтрализации:
- установки, работающие
при атмосферном давлении (избыточное
давление сокового пара 0,15-0,2 ат);
- установки с вакуум- испарителем;
- установки, работающие
под давлением, с однократным
использованием
тепла сокового пара;
Установки, работающие
под давлением, с двукратным
использованием тепла сокового пара (получение концентрированного
плава).
Наибольшее распространение в
России получила схема нейтрализации
под атмосферным давлением, изображенная
на рисунке 3.
Рис. 1.1 Схема нейтрализации азотной
кислоты под атмосферным давлением:
1 – бак для азотной кислоты;
2 – подогреватель аммиака; 3 – сепаратор
жидкого аммиака;4 – аппарат ИТН; 5 – ловушка-промыватель сокового
пара; 6 – вакуумный выпарной аппарат I ступени; 7 – донейтрализатор.
В 1967-1970-х годах была разработана технологическая
схема и выполнен проект крупнотоннажного
агрегата АС-67 со среднесуточной мощностью
1400 т.
Особенностью агрегата
АС-67 является размещение всего основного
технологического оборудования (от стадии
нейтрализации до стадии получения плава)
на грануляционной башне каскадом, без
промежуточных операций перекачивания
растворов аммиачной селитры. Другая особенность
агрегата АС-67 заключается в том, что
воздух не отсасывают из башни, а нагнетают
в башню снизу под решетку кипящего слоя
одним мощным вентилятором, т. е. башня
работает под подпором.
Размещение всего основного
технологического оборудования на грануляционной
башне, как отмечалось, упростило
схему ввиду отказа от перекачивания концентрированных
растворов селитры. В то же время такое
решение привело к определённым усложнениям
процессов строительства и
Эксплуатации агрегата:
- ствол башни несет
большую нагрузку, вследствие чего
он выполнен в железобетоне с внутреннй футеровкой кислотноупорным
кирпичем, что приводит к значительным
капитальным затратам, повышению трудоемкости
и длительности строительства;
- надстройка с технологическим
оборудованием расположена на
большой высоте, поэтому должна
быть полностью закрыта, отапливаемой и вентилируемой.
- монтаж оборудования
может быть начат только после
возведения башни, что удлиняет
цикл строительно-монтажных работ;
- расположение оборудования
на высоте вызывает повышение
требований к работоспособности
подъемно-транспортного оборудования (лифтов);
- эксплуатация башни
под напором усложняет обслуживание
аппарата охлаждения продукта
в кипящем слое, встроенного в
башню;
Применение встроенного охлаждающего
аппарата приводит к увеличению
расхода энергии на подачу воздуха
в башню.
С целью устранения недостатков схемы
АС-67 и повышения качества продукта в схеме
АС-72 приняты следующие технические решения:
- предусмотрено повышение прочности
гранул как результат воздействия трёх
факторов: применения сульфатно-фосфатной
добавки, получения более крупных гранул,
регулирования темпа охлаждения гранул,
для чего был применен секционированный
выносной аппарат с кипящим слоем и раздельной
подачей воздуха в каждую секцию;
- оборудование размещено внизу на отдельной
этажерке; для перекачивания плава применен
насос.
Технологическая схема
производства селитры по схеме АС-72 состоит
из тех же стадий, что и по схеме АС-67; дополнительной
является стадия перекачивания высококонцентрированного
плава аммиачной селитры на верх грануляционной
башни.
Принципиальных отличий
в технологическом процессе на стадиях
нейтрализации и выпарки в схеме АС-72 по сравнению
с АС-67 нет. Отличием
является подогрев азотной кислоты в двух
подогревателях индивидуально для каждого
аппарата ИТН, что позволило установить
автоматические регуляторы расхода на
линии подачи азотной кислоты на подогрев.
И еще одним характерным отличием является
установка лишь одного более мощного донейтрализатора,
вместо двух.
Рост требований к
охране окружающей среды поставил в повестку
дня существенное снижение выброса в атмосферу
аэрозольных частиц аммиачной селитры
и аммиака. Более высокая степень очистки
этих выбросов – главная отличительная
черта модернизированных агрегатов АС-72М.
В современных производствах аммиачной селитры удельные
расходы сырья близки к теоретическим.
Поэтому существенной разницы себестоимости
продукта, получаемого в крупнотоннажных
агрегатах АС-67, АС-72 и АС-72М, нет.
Различие технико- экономических
показателей в зависимости от конкретных схем лежит главным образом
в области расхода энергоресурсов: пара,
электроэнергии, оборотной воды. Расход
пара определяется исходной концентрацией
азотной кислоты, степенью использования
тепла сокового пара, получаемого на стадии
нейтрализации.
Расход электроэнергии
в производствах аммиачной селитры
по абсолютным значениям не велик. Но
он может колебаться в зависимости
от применяемого способа охлаждения
продукта (непосредственно в башне при полёте гранул,
в аппаратах с псевдоожиженным слоем,
во вращающихся барабанах), от способов
очистки воздуха, выбра
В промышленности в основном
применяют агрегат АС-72,где в результате применения монодисперсных
грануляторов обеспечен выровненный гранулометрический
состав, снижено содержание мелких гранул,
уменьшена скорость воздуха по сечению
башни, т.е. созданы более благоприятные
Условия для уменьшения уноса пыли из башни и снижения нагрузки на промывной скруббер .
Список использованной литературы
1. Расчеты химико-технологических процессов.
Под общей редакцией проф. Мухленова И.П.
Л., «Химия», 1976. –304с.
2.http://www.xumuk.ru//
3.Клевке.В.А.,”Технология азотных удобрений”,М.,Госхимиздат, 1963г.
4.Общая химическая технология: Важнейшие
химические производства/И.П.Мухленов.-4-е
изд.-М.:Высш.шк.,1984.- 263с.
5.Основные процессы
и аппараты химической технологии:
Пособие по проектированию. Под
ред.Ю.И.Дытнерского,2-е изд.,М.: Химия,1991.-496 с.
6.Миниович М. А. Производство
аммиачной селитры. М. «Химия»,
1974. – 240 с.
Заключение
В данной курсовой
работе изучили производство аммиачной
селитры и принципиальную технологическую
схему, обосновали выбор основного и вспомогательного
оборудования в производстве аммиачной
селитры, рассчитали материальный и тепловой
балансы стадии нейтрализации.
Рассмотрели физические, химические
свойства аммиачной селитры. Так как аммиачная
селитра обладает такими свойствами как
слеживаемость и гигроскопичность необходимо
принимать следующие меры, для уменьшения
слеживаемости применять порошкообразные
добавки, припудривающие частицы соли.
Одни из добавок уменьшают активную
поверхность частиц, другие обладают адсорбционными
свойствами. Прибавлять к слеживающимся
солям очень малые количества красителей,
а также охлаждать аммиачную селитру перед
упаковкой в тару. Чтобы уменьшить гигроскопичность
необходимо селитру гранулировать. Гранулы
имеют меньшую удельную поверхность, чем
мелкокристаллическая соль, поэтому медленнее
увлажняется.
Аммиачная селитра является наиболее важным
и распространенным азотным удобрением
которое применяется сельском хозяйстве.
Поэтому необходимо соблюдать условия
хранения аммиачной селитры и создавать
новые технологические решения.
4.Выбор размеров контактного аппарата
Определяем объем аппарата использующего теплоту нейтрализации:
Время контактирования, час;
M- производительность аппарата,м 3 /час.
G=10000 кг/час=36000000 кг/сек.
Ам.селитры =1725 кг/м 3
M= G/ ? ам.селитры
M=36000000 кг/сек: 1725 кг/м 3 =20869,5 м 3 /сек
V= 1сек·20869, 5 м 3 /сек=20869,5 м 3
Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет»
Кафедра химической технологии твердого топлива и экологии
УТВЕРЖДАЮ
Дата
Зав. кафедрой_______________
(подпись)
Студенту
1. Тема проекта
5. Консультанты по проекту (с указанием
относящихся к ним разделов проекта)
2. ______________________________ _____________________
Дата выдачи задания _____________
Руководитель ________________________
(подпись)
7. Основная литература и рекомендуемые
материалы
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ _________________
Задание принял к исполнению (дата)
_________________
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет»
Кафедра химической технологии твердого топлива и экологии
УТВЕРЖДАЮ
Дата
Зав. кафедрой_______________
(подпись)
Задание по курсовому проектированию
Студенту
1. Тема проекта
______________________________ _____________________
Утверждена
приказом по вузу от
2. Срок сдачи студентом законченного
проекта
3. Исходные данные к проекту
______________________________ ______________________
4. Объем и содержание пояснительной
записки (основных вопросов общей
и специальной части) и графического
материала
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________
5. Консультанты по проекту (с
указанием относящихся к ним
разделов проекта)
1. ______________________________ _____________________
2. ______________________________ _____________________
Дата выдачи задания _____________
Руководитель ________________________
(подпись)
7. Основная литература и рекомендуемые
материалы
______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ ______________________________ _________________
Задание принял к исполнению (дата)
_________________
Аммиачная селитра - одно из наиболее распространенных удобрений.
Аммиачную селитру (иначе - азотнокислый аммоний) получают на заводах из азотной кислоты и аммиака путем химического взаимодействия этих соединений.
Процесс производства состоит из следующих стадий:
- Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком.
- Упаривание раствора азотнокислого аммония.
- Кристаллизация азотнокислого аммония.
- Сушка соли.
На рисунке дана в упрощенном виде технологическая схема производства аммиачной селитры. Как же протекает этот процесс?
Исходное сырье - газообразный аммиак и азотная кислота (водный раствор) - поступает в нейтрализатор. Здесь в результате химического взаимодействия обоих веществ происходит бурная реакция с выделением большого количества тепла. При этом часть воды испаряется, и образующийся водяной пар (так называемый соковый пар) через ловушку отводится наружу.
Неполностью упаренный раствор азотнокислого аммония поступает из нейтрализатора в следующий аппарат - донейтрализатор. В нем после добавки водного раствора аммиака заканчивается процесс нейтрализации азотной кислоты.
Из донейтрализатора раствор азотнокислого аммония перекачивается в выпарной аппарат - непрерывно действующий вакуум-аппарат. Раствор в таких аппаратах выпаривается при пониженном давлении, в данном случае - при давлении 160-200 мм рт. ст. Тепло для упаривания передается раствору через стенки трубок, обогреваемых паром.
Упаривание ведется до тех пор, пока концентрация раствора не достигнет 98%. После этого раствор идет на кристаллизацию.
По одному способу кристаллизация азотнокислого аммония происходит на поверхности барабана, который изнутри охлаждается. Барабан вращается, на поверхности его образуется корка кристаллизующегося азотнокислого аммония толщиной до 2 мм. Корка срезается ножом и по желобу направляется на сушку.
Сушат аммиачную селитру горячим воздухом во вращающихся сушильных барабанах при температуре 120°. После сушки готовый продукт отправляют на упаковку. Аммиачная селитра содержит 34-35% азота. Чтобы уменьшить слеживаемость, в ее состав при производстве вводят различные добавки.
Аммиачная селитра выпускается заводами в гранулированном виде и в виде чешуек. Чешуйчатая селитра сильно поглощает влагу из воздуха, поэтому при хранении она расплывается и теряет рассыпчатость. Гранулированная аммиачная селитра имеет вид зерен (гранул).
Гранулирование аммиачной селитры большей частью производится в башнях (см. рисунок). Упаренный раствор азотнокислого аммония - плав - разбрызгивается при помощи центрифуги, укрепленной в потолке башни.
Плав непрерывной струей вливается во вращающийся дырчатый барабан центрифуги. Проходя через отверстия барабана, брызги превращаются в шарики соответствующего диаметра и во время падения вниз затвердевают.
Гранулированная аммиачная селитра обладает хорошими физическими свойствами, не слеживается при хранении, хорошо рассеивается в поле и медленно поглощает влагу из воздуха.
Сульфат аммония — (иначе - сернокислый аммоний) содержит 21 % азота. Большую часть сульфата аммония выпускает коксохимическая промышленность.
В предстоящие годы большое развитие получит производство наиболее концентрированного азотного удобрения - карбамида, или мочевины, которая содержит 46% азота.
Мочевину получают под высоким давлением синтезом из аммиака и углекислоты. Ее применяют не только как удобрение, но и для подкормки скота (дополняют белковое питание) и как полупродукт для производства пластмасс.
Большое значение имеют и жидкие азотные удобрения - жидкий аммиак, аммиакаты и аммиачная вода.
Жидкий аммиак получают из газообразного аммиака путем сжижения под высоким давлением. В нем содержится 82% азота. Аммиакаты представляют собой растворы аммиачной селитры, кальциевой селитры или мочевины в жидком аммиаке с небольшой добавкой воды. В них содержится до 37% азота. Аммиачная вода - водный раствор аммиака. В ней 20% азота. По своему действию на урожай жидкие азотные удобрения не уступают твердым. А производство их обходится намного дешевле, чем твердых, так как отпадают операции по упариванию раствора, сушке и гранулированию. Из трех видов жидкого азотного удобрения наибольшее распространение получила аммиачная вода. Разумеется, внесение жидких удобрений в почву, а также их хранение и транспортировка требуют специальных машин и оборудования.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .