Производство аммиачной селитры

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 [1].

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 [4], [5], [6].

Принимаем, что процесс нейтрализации будет протекать в следующих условиях:

Начальная температура, °С

газообразного аммиака...........................................................................50

азотной кислоты......................................................................................20

 

Таблица 2 - Исходные данные

Производительность установки, кг/ч	1000
состав селитры, % : аммиачная селитра вода	98 2
состав азотной кислоты, % : азотная кислота вода	60 40
состав аммиачной воды, % аммиак вода	25 75
конверсия аммиака, % конверсия азотной кислоты, %	100 100

Материальный  расчет

1 Для получения 1 т селитры по реакции:

                           NH₃+HNO₃=NH₄NO₃ +Q Дж                                      (9)

теоретически требуется  следующее количество сырья (в кг):

аммиака

17 – 80    х = 1000*17/80 = 212,5

х – 1000

азотной кислоты

63 – 80   х = 1000*63/80 = 787,5

х – 1000

Где 17, 63 и 80  - молекулярные массы аммиака, азотной кислоты  и аммиачной селитры соответственно.

Практический расход NH₃ 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

или

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

Приход			Расход
компонент	кг/ч	%	компонент	кг/ч	%
60%-ная азотная кислота В том числе: азотная кислота вода	1286,25   771,25 514,5	60,69   60 40	98%-ная аммиачная селитра В том числе: аммиачная селитра вода	1000   980 20	47,19   98 2
25%-ная аммиачная вода В том числе: аммиак  вода	833   208,25 624,75	39,31   25 75	Водяной пар	1119,25	52,81
Итого	2119,25	100		2119,25	100

 

 

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:

Q_ф/Q_т*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*3,95H₂O_(жидк) +NH3_(газ) =NH₄NO₃*3,95H₂O_(жидк)

где HNO₃*3,95H₂O соответствует азотной кислоте.

Тепловой эффект Q₃ этой реакции находим из следующих величин:

а) теплота растворения  в воде азотной кислоты:

                     HNO₃+3,95 H₂O=HNO3*3,95H₂O                                  (10)

б) теплота образования  твердого NH4NO3 из 100%-ной азотной кислоты и 100%-ного аммиака:

                          HNO_{3 (жидк)} +NH_3(газ) =NH₄NO_3(тв)                                                (11)

в) теплота растворения аммиачной селитры в воде с учетом расхода реакционного тепла на упаривание получаемого раствора от 52,5% (NH₄NO₃ *H₂O) до 64% (NH₄NO₃ *2,5H₂O)

 

                        NH₄NO₃ +2,5H₂O= NH₄NO₃*2,5H₂O,                          (12)

 

где NH₄NO₃*4H₂O соответствует концентрации 52,5% NH₄NO₃

Величина NH₄NO₃*4H₂O рассчитывается из соотношения

80*47,5/52,5*18=4H₂O,

где  80 – молярный вес NH₄NO₃

47,5 – концентрация HNO₃ , %

52,5 – концентрация NH₄NO₃ , %

18 – молярный вес H₂O

Аналогично рассчитывается величина NH₄NO₃*2,5H₂O, соответствующая 64%-ному раствору NH₄NO₃