Производство азотной кислоты по схеме АК-72.

В основу схемы АК-72, разработанной в СССР, положен замкнутый энерготехнологический цикл с двухступенчатой конверсией аммиака и охлаждением нитрозных газов под давлением 0,42–0,47 МПа и абсорбцией оксидов азота при давлении 1,1—1,26 МПа; продукция выпускается в виде 60%-ной HNO₃. Первый агрегат АК-72 мощностью 380 тыс. т/год был пущен в 1976 г.

Принципиальная технологическая схема процесса приведена на рисунке 1.1.

Рисунок1.1 –Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72:

1 – ресивер; 2 – испаритель; 3, 24 – фильтры; 4, 15 – подогреватели; 5 – рекуперационная турбина; 6 – реактор каталитической очистки; 7 – смеситель; 8 – топочное устройство; 9 – продувочная колонна; 10 – абсорбционная колонна, 11, 14 – водяные холодильники; 12, 23 – компрессоры; 13 – газовый промыватель; 16, 18 – холодильники нитрозных газов; 17 – деаэрационная колонна; 19 – котел-утилизатор; 20 – контактный аппарат; 21 – барабан с сепарационным устройством; 22 – смесительная камера; 25 – труба для забора воздуха

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

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

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

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

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

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

 

 

Расчет материального баланса процесса абсорбции нитрозных газов

 

Данные для расчета

1. Производительность установки – 120 тыс.т/год (на 100 % HNO₃).

2. Число рабочих дней в году – 350.

3. Концентрация получаемой кислоты – 50 %(масс.).

4. Общая степень абсорбции NO₂ – 92 %.

5. Состав поступающих на абсорбцию газов и концентрация кислоты, подаваемой на орошение абсорбера:

Таблица 6.1

Состав нитрозных газов, %(об.)	Концентрация кислоты орошающей абсорбер, %(масс.)
NO	NO2	O2	H2O	N2
0,95	8,98	5,86	2,61	81,6	47,5

 

6. База расчета – суточная производительность установки. Окисление NO в NO₂ в абсорбционной башне можно не учитывать.

 

Расчет суточной производительности установки

 

Состав газа в %(масс.):

Для пересчета объемного состава в массовый и обратно необходимо знать плотность r_i каждого компонента:

Масса любого газа при нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е., где - плотность газа при нормальных условиях.

 

;

 

Расчет массы двуокиси азота

Абсорбция двуокиси азота происходит по уравнению:

Концентрация кислоты орошающей абсорбер – 47,5 %(масс.)

Содержание воды и кислоты

- масса кислоты (в пересчете на 100 %-ю) поступающей в абсорбер;

- масса воды в 47,5 %-ой кислоте.

Рассчитаем количество реагентов для получения 1 кг кислоты (в пересчете на 100 %-ю)

На образование 2-х моль 100% кислоты требуется 3 моль NO₂.

 

Масса поглощенной воды на образование 1 кг кислоты (в пересчете на 100 %-ю).

На образование 2-х моль кислоты поглощается 1 моль воды

 

Масса водяных паров, вносимых в абсорбер с нитрозными газами на образование 1 кг кислоты (в пересчете на 100 %-ю).

;

с учетом степени абсорбции NO₂ 92 % -.

Для получения 50 %-ой кислоты на 1 кг кислоты требуется 1 кг воды. На разбавление полученной кислоты может использоваться 0,05 кг воды из поступающей на орошение 47,5 %-ой кислоты. Отсюда, количество кислоты подаваемой на орошение составит

0,864/0,05=17,28 кг.

Образуется оксида азота 1 моль

 

 

Тогда на образование 1 кг азотной кислоты (в пересчете на 100 %-ю) из диоксида азота потребуется:

Нитрозные газы (учетом степени абсорбции):

NO₂ – 1,095 кг;

Н₂О – 0,136 кг;

Кислота на орошение 17,28 кг.

Образуется оксида азота – 0,238 кг.

Всего получаем кислоты (в пересчете на 100 %-ю):

17,28·0,475+1=9,208 кг или 2·9,208=18,416 кг 50 %-ой кислоты.

 

17,28 кг кислоты абсорбирует 1,095 кг NO₂, тогда 1 кг кислоты абсорбирует Х кг NO₂:

.

Поступает с учетом степени абсорбции 92 % -

Образуется оксида азота:

.

Поглощается воды:

.

Из 0,136 кг воды, содержащейся в нитрозных газах

.

Образуется 100% кислоты при абсорбции 1 кг 47,5 %-ой кислоты:

0,063+0,008 - 0,014 = 0,057 кг

0,057+0,475 = 0,532 кг.

Материальный баланс абсорбера

Таблица 6.2.

№ п/п	Приход	кг	т/сут	№ п/п	Расход	кг	т/сут
	Азотная кислота 47,5%		644,46		Азотная кислота 50 %	1,064	685,71
	в том числе:				в том числе:
	HNO3	0,475	306,12		HNO3	0,532	342,86
	H2O	0,525	338,34		H2O	0,532	342,86
	Нитрозные газы	0,495	297,12
	в том числе:				NO	0,019	12,49
	NO2	0,069	45,85		N2	0,382	224,60
	H2O	0,008	5,05		O2	0,031	18,43
	NO	0,005	3,19		NO2	0,006	3,99
	N2	0,382	224,60
	O2	0,031	18,43
	ИТОГО:	1,495	941,58		ИТОГО:	1,502	945,21

 

Расхождение баланса составляет:

, что вполне допустимо.