Производство неконцентрированной азотной кислоты (стр. 3 из 9)
Затем нитрозный газ охлаждается до температуры 110 ÷ 188оС в подогревателе частично обессоленной воды , который представляет собой кожухотрубчатый теплообменник. В трубной части теплообменника – нитрозный газ, в межтрубном – частично обессоленная вода.
После подогревателя частично обессоленной воды нитрозный газ поступает в водяной холодильник нитрозного газа I ступени, где охлаждается до температуры 55 ÷ 65оС. Одновременно с охлаждением газов происходит конденсация паров воды, образующихся в результате реакции окисления аммиака и образование азотной кислоты при поглощении окислов азота водой. Образовавшаяся азотная кислота с массовой концентрацией 35 ÷ 45% отводится в нижнюю часть газового холодильника-промывателя .
Водяной холодильник нитрозного газа I ступени представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. В трубном пространстве нитрозный газ, в межтрубном – оборотная вода.
После длительного периода эксплуатации схемой предусмотрена кислотная промывка холодильника для очистки поверхности трубчатки от солей. Промывка осуществляется 50 ÷ 60% азотной кислотой, в межтрубное пространство холодильника.
На период промывки холодильник оглушается от водяных коллекторов заглушками из нержавеющей стали.
Охлажденный нитрозный газ после холодильника нитрозного газа I ступени поступает в газовый промыватель, где на четырех тарелках повального типа происходит охлаждение и отмывка нитрозного газа азотной кислотой от нитрит – нитратных солей аммония. Нитрозный газ на тарелках охлаждается до температуры 40 ÷ 60оС.
В теплообменниках и образовавшиеся нитрит – нитратные соли аммония частично поглощаются конденсатом азотной кислоты.
Основное количество аммония и проскочивший газообразный аммиак улавливается в газовом промывателе, поэтому накопление солей аммония в азотной кислоте в кубе является основным показателем полноты сгорания аммиака в контактных аппаратах. В кислой среде куба газового промывателя нитрит аммония окисляется по реакции:
(1) 2NН4NО2 + 2 НNО3 = 2 NН4NО3 + NО2 + NО + Н2О
При выходе на режим массовая концентрация аммонийных солей в азотной кислоте в кубе промывателя должна быть не более 2 г\дм3 , в нитрозном газе после – не более 500 мг\м3 .
При нормальной работе массовая концентрация солей аммония в азотной кислоте на выходе из 70 ÷ 200 мг\дм3 , в нитрозном газе после 100 ÷ 200 мг\дм3 .
При нормальном технологическом режиме впрыск смеси частично обессоленной воды и парового конденсата производится два раза в смену в течение 30 минут.
При подаче смеси частично обессоленной и конденсата пара в нитрозный нагнетатель, необходимо контролировать температуру нитрозного газа после нагнетателя, не допуская понижения более, чем на 10 ÷ 15оС.
Отмывка и охлаждение нитрозного газа осуществляется азотной кислотой массовой долей 35 ÷ 45%, циркулирующей по циклу: газовый промыватель → холодильник азотной кислоты Icтупени → кислотный насос → холодильник азотной кислоты II ступени – газовый промыватель .
В холодильнике I ступени азотная кислота охлаждается оборотной водой до температуры 50 ÷ 55оС, в холодильнике II ступени – до температуры 35 ÷ 40оС.
Нижняя часть газового промывателя является сборником азотной кислоты, образующейся в холодильнике нитрозного газа и газовом промывателе .
Образующаяся в холодильнике II ступени азотная кислота с массовой долей 60 ÷ 65% (вес) отводится в нижнюю часть абсорбционной колонны . Нитрозный газ поступает под первую тарелку абсорбционной колонны.
Сверху абсорбционная колонна орошается смесью ЧОВ и конденсата водяного пара. На тарелках абсорбционной колонны происходит поглощение окисов азота из нитрозного газа конденсатом водяного пара с образованием азотной кислоты в кубе колонны с массовой долей 58 ÷ 60%.
Охлаждение нитрозного газа после нагнетателя до температуры 135 ÷ 145оС происходит в холодильнике нитрозного газа питательной водой.
Дальнейшее охлаждение нитрозного газа до 60 ÷ 65оС происходит в водяном холодильнике II ступени, который представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. По трубкам проходит нитрозный газ, в межтрубном пространстве - оборотная вода. Промывка холодильника аналогична промывке холодильника нитрозных газов I ступени.
3.3 Расчеты технологических процессов
3.3.1 Расчеты материальных балансов процессов
Целью материального баланса является определение равновесного состава газовой смеси, степени окисления оксида азота, состава газа после процесса конденсации.
Исходные данные для расчета [1]:
Состав газа на входе в холодильник-конденсатор [1].
| Компонентный состав | об.% |
| NO | 3,09 |
| NO2 | 6,36 |
| O2 | 3,57 |
| N2 | 71,03 |
| H2O | 15,95 |
| Итого: | 100,00 |
Расчет ведем на 1000 кг 100,00%-й HNO3, получаемой в технологическом процессе.
Температура нитрозных газов на входе в холодильник, 0С 130.
Температура нитрозных газов на выходе из холодильника, 0С 65.
Температура охлаждающей воды , 0С 40.
Давление в холодильнике, МПа 0,36
Диаметр холодильника-конденсатора, м 2,2.
Поверхность теплообмена, м2 1428.
Наружный диаметр трубок, м 0,05.
Расход газа, поступающего в холодильник-конденсатор 3789,17нм3/т [1].
Зная состав газа, можно определить расход каждого компонента:
| Компонентный состав | кг/т | нм3/т | об.% |
| NO | 223,62 | 117,05 | 3,09 |
| NO2 | 148,55 | 241,01 | 6,36 |
| O2 | 186,37 | 135,19 | 3,57 |
| N2 | 3364,23 | 2691,38 | 71,03 |
| H2O | 61,44 | 604,54 | 15,95 |
| Всего: | 3984,21 | 3789,17 | 100 |
Расчет материального баланса процесса окисления нитрозного газа
Равновесие и скорость окисления оксида азота II.
NO+1/2O2=NO2 ΔrH(298) =112кДж/моль (3.1)
Зависимость константы равновесия от температуры по данным М. Боденштейна [3] выражается следующим уравнением:
LgK =Lg
+1,75LgT-0,0005T+2,839 (3.2)Для расчета равновесной степени окисления оксида азота (II) выразим парциальные давления газов, входящие в уравнение равновесия, через общее давление в зависимости от начальной концентрации газа[3]:
Введем обозначения:
2a- начальная концентрация NO, мольн.доли;
b- начальная концентрация O2, мольн.доли;
xр- равновесная степень окисления NO, доли единицы;
Робщ- общее давление газа, атм.
Равновесные концентрации компонентов газовой смеси согласно реакции (3.1)составят:
| Компонент | Вход | Выход |
| NO | 2a | 2а(1-xp) |
| O2 | b | b-axp |
| NO2 | - | 2axp |
| Всего: | 1 | 1-axp |
Тогда парциальные давления компонентов газа при общем давлении 3,6 атм. в момент равновесия будут равны:
PNO=
Pобщ;РO2=
Pобщ;РNO2=
Pобщ;Подставляя значения парциальных давлений в уравнение равновесия, получим:
= 
P (3.3)Определим равновесную степень окисления оксида азота (II) для газа, содержащего 3,09% NO и 3,57% (об) O2 при 3,6 атм.
Тогда2a=0,0309 м.д. a=0,01545м.д. b=0,0357м.д.
LgKр =−
+1,75lg403-0,0005 
403+2,839ОткудаКр=8,546
Подставляя значения Кр и парциальных давлений в уравнение (3.3)получим:
Из этого уравнения определяем
.В результате протекания реакции (3.1) окисляется оксида азота (II):
VNO
Х= 
;Остается NO:
;Расходуется кислорода на окисление
;Остается кислорода:
;Содержание NO2 в нитрозном газе на выходе из аппарата:
;Результаты расчета материального баланса процесса окисления представлены в таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Равновесный состав газовой смеси
| Приход | Расход | ||||||||
| Компонентный состав | нм3/т | % об | кг/т | % масс | Компонентный состав | нм3/т | % об | кг/т | % масс |
| Нитрозный газ, в т.ч. | 3789,17 | 100,00 | 3984,21 | 100,00 | Нитрозный газ, в т.ч. | 3730,64 | 100,00 | 4150,4 | 100,00 |
| NO | 117,05 | 3,09 | 223,63 | 5,61 | NO | 0,08 | 0,002 | 0,09 | 0,002 |
| NO2 | 241,01 | 6,36 | 148,55 | 3,73 | NO2 | 357,98 | 9,59 | 597,98 | 14,41 |
| O2 | 135,19 | 3,57 | 186,37 | 4,68 | O2 | 76,66 | 2,05 | 126,66 | 3,05 |
| N2 | 2691,38 | 71,03 | 3364,23 | 84,44 | N2 | 2691,38 | 71,03 | 3364,23 | 81,05 |
| H2O | 604,54 | 15,95 | 61,44 | 1,54 | H2O | 604,54 | 15,95 | 61,44 | 1,48 |
| Всего: | 3789,17 | 100,00 | 3984,21 | 100,00 | Всего: | 3730,64 | 100,00 | 4150,4 | 100,00 |
Средняя температура нитрозных газов [4]: