1. Исходные данные для расчета

5.Выбор и описание технологической схемы производства неконцентрированной азотной кислоты
В зависимости от условий проведения производственного процесса различают следующие типы азотнокислотных систем:
1. Системы, работающие при атмосферном давлении;
2. Системы, работающие при повышенном давлении (4-8ат);
3. Комбинированные системы, в которых окисление аммиака проводится при более низком давлении, а абсорбция окислов – при более высоком давлении.
Рассмотрим эти технологические схемы.
1. Системы, работающие при атмосферном давлении

Рис. 18. Схема установки для получения разбавленной азотной кислоты при атмосферном давлении:
1 – водяной скруббер; 2 – суконный фильтр; 3 – аммиачно-воздушный вентилятор;
4 – картонный фильтр; 5 – конвертор; 6 – паровой котел-утилизатор; 7 – скоростной холодильник; 8 – холодильник-конденсатор; 9 – вентилятор для нитрозных газов;
10 – абсорбционные башни; 11 – окислительная башня; 12 – башня для поглощения окислов азота щелочами; 13 – холодильник кислоты; 14, 15 – насосы.
Данные системы (рис.18) в настоящее время уже не эксплуатируются, вследствие громоздкости аппаратуры (большое количество башен кислой и щелочной абсорбции), малой производительности, а также накопления некоторого количества хлора, который в системах кислой и щелочной абсорбции оказывает сильное коррозионной действие на аппаратуру, которую постоянно приходиться заменять, а это за собой ведёт большие экономические затраты.


2.Комбинированные системы

Рис.19. Получение азотной кислоты комбинированным методом.

1 – скоростной холодильник; 2 – холодильник; 3 – двигатель турбокомпрессора; 4 – редуктор; 5 – турбокомпрессор нитрозных газов; 6 – турбина для орошения отходящих газов; 7 – окислитель; 8 – теплообменник; 9 – холодильник – конденсатор; 10 – абсорбционная колонна; 11 – кислотный клапан; 12 – сборник конденсата;
13, 14 – сборники азотной кислоты.
Основными достоинствами данной схемы являются:
1. Данные системы (рис.19) работают без потребления энергии со стороны, так как теплоты окисления аммиака и окисления окиси азота достаточно для получения энергии на сжатие воздуха и нитрозных газов до нужных давлений;
2. Компактность оборудования.
3. Производительность таких агрегатов составляет 1360 т/сутки.
Недостатки схемы:
Основным недостатком данной схемы является то, что при окислении аммиака под давлением 9ат степень конверсии на 2-3% меньше, чем при атмосферном давлении, а потери платинового катализатора в 2-3 раза больше. Таким образом, данный процесс выгоднее проводить под атмосферным давлением. Но для современных мощных цехов, вырабатывающих азотную кислоту, в этом случае потребуется большое количество крупногабаритных аппаратов и, следовательно, увеличение затрат на строительно-монтажные работы. Эти соображения вынуждают прибегать к повышению давления в процессе конверсии аммиака. В этом отношении давление порядка 2,5ат приемлемо, так как объём аппаратуры сокращается в 2,5 раза по сравнению с объёмом в системах, работающих при атмосферном давлении, при умеренных потерях аммиака и катализатора.

3. Системы, работающие под повышенным давлением

Достоинства схемы (рис. 20):
1. Агрегат компактен, все аппараты транспортабельны. Энергетический цикл агрегата автономен и при отключении химического производства остаётся в работе до отключения его со щита управления. Это позволяет при случайных отключениях химического процесса быстро вводить агрегат в работу. Управление агрегатом в рабочем режиме автоматизировано.
2. Фактическая себестоимость и энергоёмкость азотной кислоты, выработанная на агрегатах единого давления 0,716МПа, остаётся самыми низкими по сравнению с агрегатом АК-72 и агрегатом, работающим по комбинированной схеме.
3. Вместо котла – утилизатора за контактным аппаратом устанавливается высокотемпературный теплообменник для подогрева выхлопных газов перед турбиной до 1120К. При этом за счёт увеличения мощности газовой турбины выдача электроэнергии возросла на 274 по сравнению с агрегатом АК-72.
4. В схеме параллельно технологическим аппаратам установлена постоянно включенная камера сгорания, что позволяет сделать независимой работу машинного агрегата от технологической линии, а также обеспечить плавный переход от работы машины на холостом режиме к работе машины при включенном процессе технологии.
Недостатки схемы:
1. В агрегате протекает процесс при повышенных температурах, что делает очень большие нагрузки на палладиевый катализатор и он выходит из строя. По литературным данным удельные безвозвратные потери на 1т азотной кислоты составляют для процесса при атмосферном давлении 40-45мг, при 0,3-1,6МПа -100мг, при 0,7-0,9МПа – 130-180мг. То есть увеличиваются потери платины на установках, работающих под давлением за счёт более высоких температурах катализа по сравнению с температурой на установках, работающих при атмосферном давлении.
2. Требуется очень высокая степень очистки воздуха перед входом в ГТУ, так как производительность компрессора по воздуху может снизиться до 10 % и КПД до 6 %.
Мощность производства азотной кислоты по схеме, работающей под давлением 0,716МПа, определяется числом агрегатов. Мощность одного агрегата составляет 120 (100%-ной HNO₃). Число агрегатов в схеме определяется потребностью в азотной кислоте цехов переработки.
В каждом агрегате осуществляются, подготовка аммиачно-воздушной смеси (очистка и сжатие воздуха, испарение жидкого аммиака, очистка газообразного аммиака и аммиачно-воздушной смеси); конверсия аммиака; утилизация тепла образования оксидов азота; охлаждение нитрозных газов, получение азотной кислоты; подогрев отходящих газов, очистка их от оксидов азота и рекуперация энергии газа в газовой турбине и котле-утилизаторе.
Кроме того, схема включает узлы приготовления питательной воды для питания котлов-утилизаторов; охлаждение конденсата или обессоленной воды для орошения абсорбционных колонн; редуцирования пара до необходимых параметров; хранения выработанной азотной кислоты и выдачи её потребителям.



Рис. 20. Схема производства азотной кислоты под давлением с приводом компрессора от газовой турбины:
1 – фильтр воздуха; 2 – турбокомпрессор первой ступени; 3 – промежуточный холодильник; 4 – турбокомпрессор второй ступени; 5 – газовая турбина; 6 – редуктор; 7 – мотор-генератор; 8 – подогреватель воздуха; 9 – смеситель аммиака с воздухом; 10 – подогреватель воздуха; 11 – поролитовый фильтр; 12 – конвертор;
13 – котел-утилизатор; 14 – сосуд для окисления нитрозных газов;
15 – холодильник – конденсатор; 16 – абсорбционная колонна; 17 – конвертор; 18 – котел-утилизатор.

Атмосферный воздух засасывается через фильтр 1 турбокомпрессором первой ступени 2 и сжимается до 0,2 – 0,35 МПа; вследствие сжатия воздух нагревается до 175°С. После охлаждения до 30 – 45°С в холодильнике 3 воздух поступает в турбокомпрессор второй ступени 4, где он сжимается до конечного давления 0,73 МПа и нагревается до 125 – 135°С. Дальнейший подогрев воздуха до 270°С происходит в подогревателе 8 за счет тепла горячих нитрозных газов, выходящих из конвертора; горячий воздух поступает далее в смеситель 9.

Аммиак под давлением 1,0 – 1,2 МПа нагревается до 150 °С в подогревателе 10 водяным паром и поступает в смеситель 9, где смешивается с воздухом. Полученная аммиачно-воздушная смесь, содержащая 10 – 12 % NН3, фильтруется в поролитовом фильтре 11 и поступает в конвертор 12, где на платино-родиевом катализаторе при температуре 890 – 900 °С аммиак окисляется до окиси азота. Тепло газов, выходящих из конвертора, используется в котле-утилизаторе 13 для получения пара, при этом газы охлаждаются до 260°С.
Далее газы проходят фильтр для улавливания платины, расположенный в верхней части пустого сосуда 14. В сосуде 14 происходит окисление NО до NО₂ (степень окисления 80 %), в результате этого газовая смесь разогревается до 300 – 310°С и поступает в подогреватель воздуха 8, где охлаждается до 175°С. Дальнейшее использование тепла нитрозных газов становится невыгодным, поэтому они охлаждаются водой в холодильнике 16 до 50 – 55°С. Одновременно с охлаждением газа в холодильнике 16 происходит конденсация паров воды и образование азотной кислоты в результате взаимодействия воды с двуокисью азота. Концентрация образующейся кислоты не превышает 52% НNО₃, выход составляет около 50% всей производительности установки.
Из холодильника 15 нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 16 с ситчатыми тарелками, где NО₂ поглощается водой с образованием азотной кислоты (концентрация до 55%). На тарелках абсорбционной колонны 16 уложены змеевики (холодильные элементы), по которым циркулирует вода для отвода тепла, выделяющегося в процессе образования азотной кислоты.
Для очистки отходящих газов от окислов азота их подогревают до 370 - 420°С, добавляют к ним небольшое количество природного газа и направляют в конвертор (реактор) 17. Здесь в присутствии палладиевого катализатора протекают следующие реакции:
2СН₄ + О_{2  }2СО + 4Н₂ + Q
2NО₂ + 4Н₂=N₂ + 4Н₂О + Q
2NО + 2Н₂ = N₂ + 2Н₂О + Q
Так как эти реакции идут с выделением тепла, то температура газов повышается до 700 – 730°С. Эти газы поступают под давлением 0,5 – 0,6 МПа в турбину 5, которая приводит в движение турбокомпрессоры 2 и 4, сжимающие воздух. После этого газы при температуре около 400°С поступают в котел-утилизатор 19, в котором получают пар низкого давления [2].
Турбокомпрессоры первой и второй ступеней 2 и 4, а также газовая турбина 5 представляют собой единый агрегат; турбина первой ступени 2 и газовая турбина 5 находятся на общем валу и соединены редуктором 6 с турбиной второй ступени 4 и электромотором 7. Такой агрегат позволяет использовать основную часть энергии, затраченную на сжатие воздуха, и таким образом значительно снизить расход электроэнергии.