Промышленная химия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные требования, предъявляемые к химическому оборудованию при проектировании

Делятся на:

-технологические требования

-конструктивные требования

1. К технологическим относятся:

- максимальная Производительность при минимальных затратах материалов и энергии труда на обслуживание

- высокая производительность

- простота, надежность, безопасность

- устойчивость заданного технологического режима и основных параметров процесса (темпер., давл, конц-ция), точность и удобство регулирования, возможность применения автоматического контроля и управления

- механизация и автоматизация загрузки и выгрузки

- конструкция аппаратов должна отвечать требованиям техники безопасности и промышленной санитарии, обеспечить безопасность труда, исключить вредные выбросы и излучения (можно путем изоляции и герметизации оборудования)

- максимальный срок службы

Конструктивные

- механическая надежность (прочность, жесткость, долговечность, герметичность)

Долговечность - срок службы аппарата. Бывает расчетная и действительная. Расчетная - величина условная (10-12 лет), Действительная - превышает расчетную. Определяется коррозионным и эрозионным износом оборудования

- конструктивное совершенство - малые габариты и вес аппаратуры, простота и дешевизна изготовления, сборки и разборки, безопасность эксплуатации

Технологичность - дешевизна, легкость и удобство изготовления, простота сборки и монтажа.

Эксплуатационные достоинства оборудования - простота и дешевизна эксплуатации, обеспечиваемой ремонтопригодностью, технологической надежностью, безопасностью ведения процесса и транспортабельностью.

Ремонтопригодность - свойство аппарата, заключающееся в его приспособленности к предупреждению, обнаружению и устранению его неисправностей. Обеспечивается легкостью замены вышедших из строя частей, удобством и простотой сборки, разборки, ремонта

Технологическая надежность - бесперебойность в работе, легкость поддержания технологического режима

Транспортабельность - удобство транспортировки и гарантией сохранности и исправности перевоза

Герметичность - способность аппарата не пропускать находящийся под давлением рабочую среду

Экономичность - минимальная стоимость эксплуатации и проектирования

Технология аммиака

Процесс синтеза аммиака идет по реакции

Из реакции видно, что процессу благоприятствует уменьшение температуры и увеличение давления. Поэтому с целью проведения процесса в нужном направлении процесс синтеза аммиака в производстве проводят под давлением. Однако и при высоком давлении, и повышенных температурах азот и водород вступают в реакцию лишь частично. Поэтому после конденсации образовавшегося аммиака АВС возвращается в колонну синтеза, т.е. осуществляется циркуляция реагента. Т.к. реакция синтеза аммиака обратима, экзотермическая, то для нее оптимальной является убывающая последовательность температуры. В начале зоны катализа высокая температура, обеспечивающая наибольшую скорость реакции, а по мере увеличения содержания аммиака в газовой фазе и приближения к состоянию равновесия следует снижать температуру в зоне катализа. Так называемый падающий температурный режим большая скорость в начале (температура высокая) и большой выход в конце (температура ниже).

(Для обеспечения оптимальной производительности реактора необходимо реализовать оптимальные температуры по длине каталитической зоны для каждого поперечного сечения, обеспечивающие мах скорость процесса в данном сечении). Наибольшей эффективности процесса синтеза можно достичь путем оптимизации и других параметров производства таких как давление, мольное соотношение Н₂:N₂.

Исходная АВС после сжатия до 32 МПа охлаждается в воздушном холодильнике поступает в нижнюю часть конденсационную колонну 8 (барботаж через жидкий аммиак) где смесь освобождается от остаточных СО₂ и Н₂О. АВС, проходя слой жидкого аммиака, насыщается им до 3-5% HN₃ и смешивается с циркулирующим газом (на выходе из колонны 8). Затем смесь нагревают в теплообменнике 4 до 195 ⁰С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза 2. Из теплообменника 4 циркуляционный газ поступает в колонну синтеза 2, проходит вверх по кольцевой щели между корпусом колонны и кожухом насадки в межтрубное пространство внутреннего теплообменника, размещенного вверху в горловине корпуса колонны. Здесь газ нагревается до 400-450 ⁰С за счет газа, выходящего из катализаторной коробки. АВС проходит последовательно четыре слоя катализаторов (железные плавленые катализаторы) где осуществляется синтез. На выходе из нижнего (4-го слоя) контакта газ имеет температуру 500-515 ⁰С и содержит около 15% аммиака. По центральной трубе поступает во внутренний теплообменник, где охлаждается до 330 ⁰С выходит из колонны синтеза. Температуру в каждом слое регулируют вводом байпасного газа (газ отбирают из потока перед колонной с температурой 190 ⁰С). Далее газовая смесь проходит подогреватель питательной воды 3 (охлаждается до 215 ⁰С), трубное пространство теплообменника 4 (охлаждается до 65 ⁰С), аппарат воздушного охлаждения 5 (охлаждается с 65 до 40 ⁰С). В аппарате 5 конденсируется часть аммиака (первичная конденсация).

Газовая смесь с содержанием HN₃ 10-12% об. Вновь поступает на компрессию до 32 МПа (рецикл).

Часть циркуляционного газа (t= 50 ⁰C P=32МПа) поступает в отделение вторичной конденсации: колонна 8 и испарители жидкого аммиака 9. Газ попадает в конденсационную колонну сверху, проходя межтрубное пространство охлаждается до 18 ⁰С, далее поступает в испаритель жидкого аммиака, в котором , проходя U-образные трубки высокого давления охлаждается до -5 ⁰С (за счет кипения аммиака в межтрубном пространстве ри -10 ⁰С). Из трубного пространства газ и сконденсировавшийся аммиак поступает в сепарационную часть конденсационной колонны, в которой происходит отделение жидкого аммиака от газа. При этом свежий газ смешивается с циркуляционным газом.

Жидкий аммиак после первичной сепарации с темп. 40 ⁰С проходит магнитный фильтр 7 очищается от катализаторной пыли, дросселируется до давления 2 МПа и поступает в сборник жидкого аммиака 13 куда поступает аммиак из конденсационной колонны. В процессе дросселирования с высокого до 2 МПа происходит выделение растворенных в жидком аммиаке газов H₂, N₂, Ar, CH₄ (танковые газы). Танковые газы содержат около 16% HN_3. В испарителе 12 производится утилизация аммиака (от -20 до -25 ⁰С). Из испарителя сконденсировавшийся аммиак поступает в сепаратор 15, в котором жидкий аммиак отделяется и направляется в сборник жидкого аммиака 13. Количество продувочных газов зависит от содержания инертных примесей в исходном газе, давления в системе синтеза, активности катализатора и колеблется в пределах 3-8 тыс.м³. Целевой продукт (аммиак) из продувочных газов выделяется при температуре (-25 - -30 ⁰С) в конденсационной колонне 10 и испарителе 11. Смесь танковых и продувочных газов после выделения аммиака, аргона, водорода и гелия применяют в качестве топливного газа, для чего она направляется на сжигание в блок риформинга метана.

Способы получения хлорида калия

1- галлургический

2- флотационный

1. получают растворением и разделенной кристаллизацией, основанной на свойствах системы КСl-NaCl-Н2О, а именно на различной растворимоти в воде хлоридов калия и натрия. Из насыщенного раствора при охл. t<100С в осадок выпадает KCl, NaCl остается в растворе

Процесс получения хлорида калия рассматриваемым способом включает следующие основные стадии:

измельчение сильвинитовой руды;

водное выщелачивание (растворение) хлорида калия из сильвинита при температуре 90-98°С маточным раствором. При этом соотношение между количествами исходного сильвинита и маточного раствора поддерживают таким, чтобы растворялся лишь КС1, a NaCl оставался в осадке;

отделение раствора от шлама, состоящего из NaCl и глинистых веществ; промывка шлама и глинистых веществ;

кристаллизация хлорида калия;

отделение кристаллов от маточного раствора и их сушка;

нагревание маточного раствора до 99°С и возвращение его в процесс растворения исходного сырья-сильвинита.

2. Способ пенной флотации, основанный на разделении KCl и NaCl , содержащихся в исходной руде с предварительным выделением глинистого шлама.

Флотационное разделение минералов основано на способности смачиваемости его составляющих. В процессе флотации плохо смачиваемые частицы выносятся на поверхность жидкости вместе с пузырьками воздуха.

Схемы флотации сильвинитовых руд отличаются методом обработки глинистых шламов: обогащение с предварительной флотацией глинистых шламов и обогащение с дисперсией глинистых шламов, а также степенью их измельчения.

Флотационное обогащение руд состоит из след.стадий:

1) дробление и измельчение исходной руды до размеров частиц, обеспечивающих образование мех.смесей компонентов.

2) предварительное удаление глинистого шлама из руды

3) основная флотация с выделением целевого продукта (KCl) в пенный продукт (и последующей перечисткой полученного концентрата)

4) перечистка глинистого шлама с целью снижения потерь целевого продукта

5) обезвоживание концентрата, хвостов и шлама методом сгущения и фильтрования

6) сушка целевого продукта (KCl)

4 сырьевые материалы в технологии кальцинированной соды (карбонат натрия)

Мировое производство соды базируется на 4 основных способах:

- аммиачный (метод сольвэ). Сырье: раствор NaCl в Н2О; NH3; CaCO3

- из природных залежей (троны) - Na2CO3*NaHCO3*2H2O

Троны - минеральное сырье, существующее в природе обычно на берегу озер

- из нефелинов

- за счет процесса карбонизации гидроксида натрия - NaOH

Основное сырье - раствор хлорида натрия в воде (рассол), аммиак и карбонат кальция (известняк, мел)

Применяется для получения едкого натра, в производстве стекла, цветных металлов (алюминий), мыловарение, в производстве искусственного щелка

Расчет АВД на устойчивость

Цилиндрические обечайки, работающие под внутренним давлением. Исходными данными для расчета толщины стенки цилиндрической обечайки обычно являются внутренний диаметр, внутреннее давление, перепад температур по толщине стенки ?Т и механические свойства материала сосуда при рабочей температуре стенки -- предел текучести или предел прочности при растяжении.

Материал сосуда подбирают в зависимости от температурного режима работы и способа изготовления аппарата, коррозионной активности среды. Расчеты выполняют либо по максимальным упругим напряжениям, либо по предельным нагрузкам.

Расчет на прочность сосудов и АВД имеют некоторые особенности, связанные с тем, что толщина стенки у них значительна и нельзя пренебрегать неравномерным распределением напряжения в радиальном направлении.

В цилиндрическом сосуде, закрытом с торцов крышками и находящийся под внутреннем давлением действуют:

- кольцевое напряжение

- осевое напряжение

- радиальное напряжение

Кольцевые и осевые - растягивающие напряжения, а радиальное - сжимающее напряжение.

Осевое - равномерное распределено по толщине стенки

у = Р· R²_вн · (R²_в -R²_вн)

R_в - внешний радиус цилиндра R_вн - внутр. Радиус цилиндра

Р- внутр. Давление

Радиальное - достигает наибольшей величины на внутренней стенке аппарата

у_r =-Р - условие выполняется на внутренней стенке аппарата

у_r = 0 - внеш. Стенка

Кольцевое - достигает наибольшей величины на внутр. стенке и рассчитывается:

у_{к вн} = Р · (R²_в +R²_вн)/( R²_в -R²_вн) у_{к в} = Р · 2R_в

В действующих в настоящее время нормах расчета толщина стенки сплошной обечайки равна:

S= 0.5 · D_вн · (в-1) + С + С₁

D_вн - внутр диаметр в -коэф. толстостенности

С - прибавка на коррозию С₁ - конструкционная прибавка

в = D_в/ D_вн D_в = в · D + 2C+ С₁

Lg в = P/ у · ц

ц - коэффициент прочности сварного шва

Для цельнокованых и многослойных аппаратов ц =1

Для штампосварных ц =0.95 (из низколегированных сталей)

Среднелегированных сталей - ц =0.85

Конструктивную прибавку С1 принимают в зависимости от технологии изготовления аппарата и допуска на разностенность и отклонение от внутр. и внеш. Диаметров

Толщина плоских и выпуклых днищ определяется по формуле:

S = 0.45 · D · vP/ [у] · ш) + С + С₁

ш - коэф. ослабления днища отверстия

ш = 1+ ?d_i/D ?d_i- максимальная сумма диаметров отврстия

Влияние температурных напряжений. Возникают в следствие неравномерного нагрева стенки толстостенного аппарата, когда температура внутри аппарата выше, чем снаружи, внутренние более нагретые слои металла, испытывают сжимающее действие со стороны более холодных внешних слоев. Поэтому на внутр. стенке появляется сжимающее напряжение, а на внешней - растягивающее.

Кольцевые температурные напряжения на внутренней и наружной поверхностях определяют по формулам Лоренса

Основные требования к выбору конструкционных материалов. Виды конструкционных материалов

Специфические условия эксплуатации химического оборудования определяют следующие основные требования к конструкционным материалам:

1. высокая химическая и коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах рабочих параметров.

2. высокая механическая прочность при заданном рабочем давлении, температуре, дополнительных нагрузках, возникающих при гидравлических испытаниях и в период эксплуатации аппарата.

3. хорошая свариваемость материалов с обеспечением высоких механических свойств в сварных соединениях.

4. низкая стоимость и недефицитность материалов.

Конструкционные материалы, используемые в химическом машиностроении, делятся на 4 класса:

- стали

- чугуны

- цветные металлы и сплавы

- неметаллические материалы

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого не превышает 1-2%, кроме того, в состав стали входят примеси кремния, магния, серы, фосфора.

По химическому составу делятся на несколько групп:

- углеродистая, обыкновенного качества

- углеродистые конструкционные

- легированные конструкционные и т.д.

Сталь углеродистая обыкновенная делится на несколько категорий (1,2,3,4,5,6). Чем больше номер категории, тем выше механическая прочность стали и ниже её пластичность.

По степени раскисления стали изготавливают:

- кипящие

- полуспокойные

- спокойные

Свойства углеродистой стали обыкновенного качества значительно повышается после термической обработки (спец.нагрев и закалка). Термическая обработка низкоуглеродистых сталей улучшает механические свойства стали и приносит значительный экономический эффект.

Спокойные стали - содержат минимальное количество оксида железа, что обеспечивает спокойное застывание стали в изложнице.

Кипящие стали - полностью не раскислены, поэтому при застывании из металла выделяются пузырьки СО, образующиеся за счет реакции оксида железа с углеродом стали. Эти стали обладают худшими механическими и технологическими показателями, но они наиболее дешевы.

Полуспокойные находятся в промежутке между ними.

Для улучшения физико-химических характеристик стали и придания им особых свойств (жаростойкость, кислотостойкости, жаропрочность) в их состав вводят определенные легирующие добавки.

Чугуны. Серые чугуны представляют собой сплав железа, углерода и др. металлургических добавок кремния, магния, фосфора, серы. Содержание углерода=0,28-3,7%, при этом большая его часть находится в свободном состоянии (графит), около 0,8-0,9% находится в связанном состоянии в виде угментита (карбида железа). Свободный углерод выделяется в чугуне в виде пластинок, чешуек или зерен. По микроструктуре различают:

- чугун серый, в структуре которого углерод выделяется в виде пластинчатого или шаровидного графита.

- чугун белый, углерод выделяется в связанном состоянии.

- чугун отбеленный, в отливках которого внешний слой имеет структуру белого чугуна, а сердцевина - структуру серого чугуна.

- чугун половинчатый, в структуре которого углерод выделяется частично в связанном, а частично в свободном виде.

Детали из чугуна изготавливают методом литья земляных и металлических форм.

Серый чугун является ценным конструкционным материалом, т.к. имеет сравнительно низкую стоимость, он обладает хорошими механическими свойствами. Недостаток: низкая пластичность, поэтому ковка и штаммов серого чугуна даже в нагретом состоянии не возможна.

Марки серого чугуна содержат 2 числа: первое - характеризует предел прочности на растяжение; второе - предел прочности на изгиб.

Для получения качественного чугуна его модифицируют различными модификаторами, которые воздействуют на процессы кристаллизации низкого чугуна, изменяя его механические свойства.

Чугун бывает ковкий (пониженное содержание С и кремния) и высокопрочный (присадка магния или его сплавов). Ковкий отличается от серого пониженным содержанием углерода кремния, что делает его более пластичным, т.е. имеет возможность выдержать значительные деформации.

Цветные металлы и их сплавы. Применяют для изготовления машин и аппаратов, работающих со средами средней и повышенной агрессивности и при низких температурах. В химической промышленности в качестве конструкционных материалов используются:

Алюминий, Медь, Никель, Свинец, Титан, Тантал

Алюминий обладает высокой стойкостью к действию органических кислот, концентрированная азотная кислота, разбавленная серная кислота, сравнительно устойчив к действию сухого хлора и соляной кислоты. Механические свойства алюминия зависят от температуры, верхняя предельная температура применения 200⁰С. Алюминий не стоек к действию щелочей. Из него изготавливают почти всю аппаратуру для производства и хранения и транспортировки концентрированной кислоты.

Медь. Взаимодействие меди и кислорода начинается при комнатной температуре и резко возрастает при нагревании с образованием пленки закиси меди (красный цвет). Медь сохраняет прочность и ударную вязкость при низких температурах, поэтому нашла широкое применение в технике глубокого холода. Медь не обладает стойкостью к действию азотной кислоты и горячей серной кислоты. Относительно устойчива к действию органических кислот.

Свинец. Обладает сравнительно высокой кислотостойкостью, особенно в серной кислоте вследствие образования на его поверхности защитной пленки из сернокислого свинца. Исключительно высокая легкость, легкоплавкость и большой удельный вес резко ограничивает применение свинца в качестве конструкционного материала. Однако, широкое применение в машиностроении нашли сплавы с использованием свинца качестве генерирующего компонента: свинцовая бронза, свинцовая латунь, свинцовый баббит.

Никель. Обладает высокой коррозионной стойкостью в воде, в растворах солей и щелочей при разных концентрациях и температурах. Медленно растворяется в соляной и серной кислотах, и не стоек к действию азотной кислоты. Широко применяется для получения жаропрочных сплавов, и сплавов с особыми физико-химическими свойствами.

Неметаллические конструкционные материалы.

Делятся на органические и неорганические. К неорганическим относятся: фосфор, асбест, эмаль, диабаз, керамика, стекло.

Диабаз получают обработкой определенных горных пород.

Асбесты - тонковолокнистые материалы, в основном состоящие из гидросиликатов магния. Важнейший из асбестов - хризотил.

Керамика - состоит из 50-75% кремнезема и 20-30 % глинозема. Устойчива к действию минеральных кислот, разрушается под действием щелочей.

К органическим относятся: графитовые материалы, Антегмиты, графитолиты, фаолит, винопласт, полиэтилен.

Графитовые материалы занимают одно из ведущих мест. Обладают высокой химической стойкостью, хорошей теплопроводностью и прочностью.

Фаолит - композиция фенолформальдегидной смолы и кислотостойкого наполнителя (асбеста, графита)

Винопласт - термопластичные конструкционный материал на основе поливинилхлорида с различными добавками.

Основные стадии в производстве неконцентрированной азотной кислоты и их характеристика

1 получение NO

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 904кДЖ

процесс протекает только с использованием катализатора, которые должны обеспечить высокую скорость и селективность по приведенной реакции. самым лучшим катализатором является платина (сплав №1, сплав №5)

Pt, Pd, Rn, Re

T= 850-900С, Р=0.65-0.8 МПа.

2 окисление NO до NO₂

2NO + O₂ = 2NO₂ + 124 кДж (*)

При Т= 150 - 200С, Р= 0.65-0.8 МПа. Катализатора нет.

Реакция (*) ускоряется с понижением температуры. Она протекает по сложному механизму через образование промежуточных соединений. С дальнейшим понижением температуры димеризуется

2NO₂ = N₂O₄+ 56,9 кДж (тетраксид диазота)

Чем ниже температура, тем быстрее идет реакция.

3 абсорбция NO₂ растворами HNO₃

Т.к. в процессе абсорбции учавствуют разбавленные растворы HNO3, реальная технология отличается от теоретических представлений приведенных в след. уравнениях:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO + 136,2

3N₂O₄ + 2H₂O = 4 HNO₃ + 2NO + 101.8

3N₂O₃ + H₂O= 2 HNO₃ + 4NO +15.2

t = 30C, Р=0.65-0.8 Мпа.

4 очистка хвостовых газов от оксидов азота

В Росси используют 2 основных вида очистки:

Абсорбционная очистка:

Каталитическая очистка:

1- высокотемпературная на катализаторе АПК-2 (алюмо-палладиевый катализатор до 2% палладия) Т=750-780С, Р=065-0.8 Мпа.

В качестве газа-восстановителя использую метан.

CH₄ + 2NO₂ = N₂ + 2H₂O + CO₂ + 865

С (ПДК) _NOx = 0.001 мг/см³

2-низкотемпературная (АВК10М) (Al2O3+10% ванадиевой составляющей объема)

8NH₃ + 6NO₂ = 7N₂ + 12H₂O + 2734

Т = 200 - 250С

Р = до 4.4 МПа

С _NO = 0,005 мг/см³

Окислитель, который используется при конверсии природного газа

В процессе конверсии ПГ окисляется водяным паром, СО2 и О2 по след.раекциям:

СН4+Н2О = СО+ 3Н2-Q (1)

CH4+CO2=2CO+2H2-Q (2)

CH4+0/5 O2= CO+2H2 + Q (3)

CO+H2O=CO2+H2+Q (4)

Если требуется получить технический чистый водород - проводят реакции 1или 3 с последующей конверсией СО по 4. Реакция 3 - константа равновесия в рабочем интервале. Температура большая, значит можно считать, что реакция идет вправо и до конца (О2 реагирует полностью). Реакция 1-3 протекает с повышение объема, т.к. следующие за конверсией метана процессы (очистку конвертированного газа, синтез) целесообразно вести при повышенном давлении, то для снижения затрат на сжатие предпочтительно конверсию метана проводить также под давлением.

- конверсия водяным паром

CH4+H2O=CO+3H2

При атмосферном давлении и стехиометрическом соотношении исходных компонентов достаточно полная конверсия метана достигается при температуре 800С. С увеличением расхода водяного пара такой же степени разложения метана можно достичь при более низких температурах.

Применения давления существенно снижает полноту конверсии. Так, при давлении 3 МПа достаточно полная конверсия наблюдается лишь при температуре 1100С.

В современных установках при давлении 2МПа и выше при соотношении метана:вода = 1:4. остаточное содержание метана 8-10%. Для достижения остаточного содержания метана примерно 0.5% конверсию ведут в 2 стадии:

1- паровая конверсия под давлением

2- паровоздушная конверсия с использованием кислорода воздуха

- конверсия метана с кислородом:

Реакция протекает в 2 стадии:

1) СН4+0.5 О2 = СО+2Н2

СН4+2О2=СО2+2Н2О

2) СН4+Н2О=СО+3Н2

СН4+СО2=2СО+2Н2

Значение констант равновесия реакций первой стадии настолько велики, что эти реакции можно считать необратимыми. В связи с этим повышение концентрации кислорода в газовой смеси не приводит к повышению выхода продуктов. Повышение давления при конверсии кислорода термодинамические нецелесообразно. Чтобы при повышении давления добиться высокой степени превращения метана необходимо проводить процесс при повышенной температуре.

Процесс конверсии метана водяным паром и кислородом протекает с различным тепловым эффектом: паровая конверсия - эндотермическая, требует подвода тепла; реакции кислородной конверсии - экзотермические.

2 ступени конверсии:

1- паровая конверсия - в трубчатых печах содержание метана 8-10%, Т=750-800 и давление 4МПа.

2- парокислородная- шахтных реакторах, остаточное содержание метана 0.3-0.5 %.

Основные сырьевые материалы в производстве минеральных удобрений

1 азотные удобрения

- нитрат аммония (аммонийная силитра NH4NO3): аммиак, азотная кислота (HNO3)

- сульфат аммония (NH4)₂SO4: аммиак, серная кислота (H2SO4)

- карбамид (мочевина) (NH2)2CO: аммиак, диоксид углерода (СО2)

2 калийные удобрения

- хлорид калия (KCl): сильвинит (хлоридсодержащие)

- сульфат калия (K2SO4): хлорид калия, серная кислота (безхлоридные удобрения)

3 фосфорные удобрения

- простой суперфосфат

- двойной суперфосфат

Их главной частью является одноводный монокальций фосфат. ДС (двойной суперфосфат) получают разложением фосфатов фосфорной кислоты

- обогащенный: Ca5(PO4)3F, H3PO4, Ca(OH)2, CaCO3

4 комплексные удобрения (сложные)

- фосфаты аммония: фосфорная кислота, аммиак

1.Природные минералы(# фосфорные удобрения, апатиты, фосфориты, KCl, сельвинит, карналит и т.д.)

2.Атмосферный воздух 78% свободного N₂

3.Полупродукты и продукты химической промышленности(H₂SO₄,H₃PO₄ и щёлочи.)

5 виды уплотнений в АВД

Уплотнения крышек и штуцеров, аппаратов высокого давления должны быть абсолютно надежны в работе и обеспечивать герметичность соединения в условиях высоких давлений и значительных колебаний температуры, просты в изготовлении и удобны для сборки и разборки.

Аппараты изготавливают в основном цельносварные, кованные, либо литые. В основном уплотнители - металлические (Сu, Al, Zn), либо износостойкие неметаллические (керамика, некоторые виды пластмасс).

Уплотнения крышек и штуцеров аппаратов высокого давления должны быть абсолютно надежны в работе и обеспечивать герметичность соединения в условиях высоких давлений и значительных колебаний температуры, просты в изготовлении и удобны для сборки и разборки.

Разъемные соединения аппаратов высокого давления имеют ряд конструктивных- особенностей. Для обеспечения герметичности соединения требуется большое удельное давление на прокладку, поэтому для прокладок применяют материалы повышенной прочности, обычно мягкие металлы: медь, алюминий, мягкое железо. Прокладки аппаратов высокого давления и другие сменные элементы затворов называют обтюраторами. В аппаратах высокого давления желательно не применять крепежные детали, нагруженные осевым усилием, так как при этом диаметры - болтов, и шпилек получаются очень большими и разборка соединений представляет значительные трудности.

В зависимости от типа применяемых обтюраторов различают уплотнения с. их пластической деформацией и уплотнения с жесткими элементами,- подвергающимися только упругой деформации. Форма обтюраторов к конструкции узлов уплотнения в аппарате высокого давления обычно отличаются от соответствующих узлов низкого давления. Обтюраторы, работающие с пластической деформацией, должны находиться в замкнутом пространстве (иначе обтюратор будет растекаться), кроме того, конструкция уплотнения должна обеспечивать сравнительно легкую его замену.

По источнику силы затяга различают затворы с принудительным уплотнением (за счет усилия, развиваемого болтами) и самоуплотняющиеся (за счет давления среды внутри аппарата). При сверхвысоких давлениях (свыше 100 Н/мм²) рекомендуете» применять только самоуплотняющиеся соединения.

Уплотнения с плоским обтюратором и соединением «в замок» наиболее просты и рекомендуются к применению для диаметров до 600 мм и давления менее 32 Н/мм². Уплотнение с треугольным обтюратором более сложно, но имеет широкие пределы применения.

В затворе с плоским обтюратором осевое усилие создается с помощью шпилек. Осевое усилие воспринимает муфта, связанная с корпусом и крышкой с помощью упорной резьбы. Муфта состоит из двух частей, стянутых кольцами, после снятия которых муфта сравнительно легко разъединяется и соединение может быть разобрано. Чтобы увеличить удельное давление, ширину обтюратора стремятся сделать наименьшей.

Технология конверсии СО

С температурой 400 ⁰С конвертированный газ из котла-утилизатора (II ступень конверсии) направляется на конверсию оксида углерода (СО). Процесс конверсии проводят по реакции

CO+H2O=CO2+H2+41кДж/моль

Главная цель процесса конверсии - максимально полное получение целевого продукта ВОДОРОДА, т.к. СО является балластом и накапливается в синтез-газе, удаляясь при продувке вместе с водородом.

В производстве аммиака осуществляется глубокая конверсия до остаточной концентрации оксида углерода 0,2 - 0,5 %. Как показывает практика, снижение концентрации СО на 0,1% уменьшает количество продувочных газов на 10% и увеличивает производительность по аммиаку примерно на 1%.

Конверсии СО является обратимой и экзотермической реакцией и протекает более полнее при снижении температуры, давление не оказывает влияние на степень конверсии. Процесс конверсии (реакция между СО и водяным паром) протекает лишь в присутствии катализатора, температура процесса определяется активностью катализатора. Для повышения степени конверсии либо повысить концентрацию водяного пара. Либо отвести СО2 из конвертированного газа.

Конверсию проводят в две стадии под давлением 2,0-3,0 МПа ((20-30)10⁵ Па).

В первой стадии (высокотемпературная) на железохромовом катализаторе СТК (Fe-Cr) конвертируется значительная часть СО и температура повышается от 320-380 на входе до 400-450 ⁰С на выходе.

Вторую стадию (низкотемпературная) осуществляют на медь содержащем катализаторе НТК (Cu) при температуре 200-250 ⁰С.

Для (Fe-Cr) катализатора ядами являются соединения кремния, фосфора, бора, мышьяка. СТК катализирует реакцию конверсии СО, однако присутствующие органические сульфидные соединения в присутствии водяного пара конвертируются в сульфид водорода, который реагирует с катализатором, образуя сульфид железа

Fe3o4+2H2S+H2=3FeS+4H2O+79,5

Реакция обратима поэтому в зависимости от соотношения пар:газ и температуры возможно как поглощение так и выделение ранее поглощенной серы в парогазовую смесь. Для исключения процесса отравления НТК железный контакт обессеривают

3FeS+4H2O=Fe3O4+2H2S+H2-79,5

Процесс обработки катализатора проводят в колоннах синтеза при температуре 340-380 ⁰С за 2-2,5 суток.

Ядами для НТК являются соединения серы, хлора, фтора, мышьяка.

В технологических схемах применяется 2 вида аппаратов:

- коаксиальные

- радиальные

1. Коаксиальный

парогазовая смесь проходит параллельно оси аппарата.

Нкат = 3-5 м

Wгаза = 0,25-0,5 м/с

Р= (0,25-0,5)*10^-5 Па

2. Радиальный

парогазовая смесь проходит перпендикулярно оси аппарата.

Характеристики:

Нкат = 1,0-1,3 м

Wгаза = 0,03-0,1 м/с

Р= 1*10⁴Па

Газ поступающий на конверсию имеет состав: 57% Н₂, 22-23% N₂, 12-12,5% СО, 7,5-8%СО₂, 0,25% Ar, 0,35% СН₄. Наибольшее донасыщение газа паром при необходимости осуществляется в увлажнителе 1 за счет впрыска в газ конденсата. Количеством подаваемого конденсата регулируют также температуру на входе в конвертор. В конверторе первой ступени 2 происходит конверсия СО на (Fe-Cr), По мере прохождения катализатора температура повышается до 400-450 ⁰С. Из конвертора газ поступает в котел-утилизатор 3, в котором его теплоту используют для получения пара. Далее газ поступает в теплообменник 4, где осуществляется нагрев газа поступающего на метанирование. Здесь газ охлаждается до температуры 210-220 ⁰С и направляется на конверсию второй ступени 5.

Газ имеет состав: 57-61% Н₂, 20,5-21% N₂, 2,5-4% СО, 15-17%СО₂, 0,23% Ar, 0,35% СН₄. На НТК происходит конверсия СО до остаточного содержания 0,2-0,55% СО. После конверсии СО второй ступени газ с температурой 240-275 ⁰С проходит ряд охладителей, холодильников направляется на очистку от СО₂.

Если очистка работает неудовлетворительно, то используют 2 пути:

- Меняют катализаторы первой и второй стадии очистки

- проводят дополнительно селективную очистку оксидов углерода на Pt-содержащем катализаторе. Остаточное содержание СО составляет при этом нескольких сотен процентов. Применение селективной очистки приводит к увеличению выхода аммиака, увеличивает срок службы катализатора синтеза аммиака (СА-1).

Цикл низкого давления с турбодетандером

возможность повышения эффективности расширения газа в детандере заключается в использовании турбодетандеров вместо поршневых машин. Акад. П. Л. Капицей был создан одноступенчатый турбодетандер, обладающий при низких температурах высоким коэффициентом полезного действия (г|_дет = 0,8).

Метод Капицы.

Цикл низкого давления.

Детандерные циклы основаны на расширение газов с совершением внешней работы.

Использование турбокомпрессора.

1-2-сжатие газа в турбокомпрессоре

2-3-охлаждение газа в холодильнике

3-4-политропа расширения в турбодетандере

3-5-сжижение газа в конденсаторе

5-6-дросселирование

6-4-1-нагревание до первоначального состояния

Достоинства:

1.упрощается установка

2.повышается холодопроводность

3.уменьшается расход электроэнергии

В цикле низкого давления газ сжимается в турбокомпрессоре / (по изотерме 1--2) приблизительно до 59-10* н1м^г (6 ат) (при сжижении воздуха), после чего охлаждается при том же давлении в регенераторе ///. На выходе из теплообменника поток газа делится на две части. Меньшая часть газа направляется в регенератор IV, где охлаждается до более низкой температуры, при которой происходит сжижение газа (процесс охлаждения и сжижения изображается линией 3--3'--5). Сжиженный газ проходит через дроссель V, в котором расширяется до первоначального давления (линия 5--6).

Большая часть газа после регенератора /// поступает в турбодетан-дер VI, и расширяясь (линия 3--4), совершает внешнюю работу. Выходящий из турбодетандера охлажденный газ смешивается с той частью газа, которая после процесса дросселирования остается несжиженной (точка 4). Смесь газов проходит последовательно регенераторы IV и ///, где отнимает тепло от сжатого в турбокомпрессоре газа и нагревается до первоначальной температуры (изобара 4--1).

Способы защиты от коррозии

Наиболее надежным методом является применение материалов, устойчивых в данных условиях. При выборе материала необходимо учитывать не только его коррозионную стойкость, но и стоимость, а также доступность.

Двухслойные стали. Коррозионная аппаратура может быть изготовлена из двух слойного материала: внутренний слой, соприкасающийся с разрушающий средой, - из металла или сплава, устойчивый в данной среде; а наружный, несущий механическую нагрузку, - из углеродистых или конструкционных сталей.

Защитное покрытия. Основной материал корпуса, несущий механическую нагрузку. Может быть защищен от воздействия агрессивной среды следующими методами:

-нанесением пленки или сравнительно толстого слоя коррозионно-устойчивого материала;

-покрытием поверхности листами химически стойкого материала и обкладкой защищаемой поверхности футеровкой из штучных химически стойких изделий (кирпич) на химически устойчивом вяжущем

Защитное покрытие должно обладать высокой стойкостью непроницаемостью, устойчивостью к механическому и абразивному износу и к температурным напряжениям.

Пленочные покрытия из органических (лаки, краски, полимеры, каучуки) и неорганических материалов применяют для защиты от парогазовых сред, в том числе и от атмосферной коррозии.

Они наносятся:

1.Многослойной окраской лаками, красками с сушкой каждого слоя.

2.Гуммированием защищаемой поверхности из раствора каучука с последующей вулканизацией.

3.Газопламенным или вихревым напылением порошкообразных полимерных материалов с последующей сушкой и спеканием.

5.Нанесением шихты из порошкообразного материала с последующим спеканием в стекловидное покрытие.

Пленочное покрытие обладает низкой механической прочностью, низкая допустимая температура (кроме эмалей)

Усиленное защитное покрытие выполняется из термореактивных пластмасс (Фаолит и асбовинил) или из кислотостойкой замазки, которая при последующей термообработке или выдержке переходит в твердое состояние. Для увеличения механической прочности покрытия в сырую массу вводят металлическую сетку, приваленную к защищаемой поверхности точечной электросваркой. Листовое покрытие выполняется из листовых полимерных материалов, сырой или вулканизированной резины, которые крепятся к защищаемой поверхности клеем, либо специальными болтами.

Футеровка аппаратуры штучными кислотоупорными изделиями находит широкое применение в промышленности, особенно при высокой агрессивности среды.

Торкретирование - защитное покрытие на основе торкрет - раствора (смесь песка, кремний - фторид натрия и жидкого стекла). Образуется механически прочный слой, который обладает химической стойкостью ко многим агрессивным средам.

Латексных покрытий. Покрытия на основе водных коллоидных дисперсий каучукоподобных полимеров. Для создания бесшовного непроницаемого подслоя под футеровку. Обладает хорошей адгезией со многими материалами, в том числе и неметаллами. Используется при температуре не более 100 С.

Пневмотранспорт

Системы пневмотранспорта используют для перемещения различных пылевидных и мелкозернистых материалов: апатитового концентрата, фосфоритной муки, молотых мела и известняка, флотационного колчедана, огарка, соды и многих солей.

В установках пневмотранспорта пылевидный пли зернистый материал перемещается по трубам струей воздуха. К достоинствам таких установок относятся: полная герметичность и надежность

работе; пригодность для транспортировки пылевидных гигроскопичных и пожароопасных материалов; незначительные потери транспортируемого материала, простота устройства и компактность; высокая скорость транспортирования, возможность выполнения технологических операций (нагрев, сушка, охлаждение) одновременно с перемещением и значительная длина транспортирования (до 1800м). Недостатки систем пневмотранспорта: непригодны для транспортировки влажных, налипающих, высокоабразивных и кусковых материалов, наблюдается значительный износ труб при перемешивании абразивных грузов и повышенный расход электроэнергии. Пневматические установки делятся на:

1. всасывающие, или установки пневмотранспорта в разреженной фазе; в них груз перемещается по трубе при давлении воздуха меньше атмосферного (до 0,01 МПа);

2. нагнетательные, или установки пневмотранспорта в плотной фазе; транспортируемый материал перемещается сжатым воздухом с давлением до 0,8 МПа;

3. смешанные, или всасывающе - нагнетательные, в которых часть трубопровода работает под разряжением, а часть под давлением

4. гравитационный транспорт, где материал перемещается под уклон под действием силы тяжести

В установке всасывающего типа (рис. 7.8, а) транспортируемый материал через загрузочное сопло 1 вместе с воздухом засасывается в трубопровод 2. Основное количество материала отделяется в разгрузителе 3 и через шлюзовой затвор 4 (например, секторный питатель) выгружается из системы. Циклон 5 и рукавный фильтр 6 служат для очистки транспортирующего воздуха от пыли, а вакуум-насос 7 засасывает воздух из атмосферы через сопло (рис. 7.8, б) и выбрасывает его в атмосферу. Такие установки удобно использовать для разгрузки вагонов и сбора материала из 2--4 точек в одно место. Расстояние транспортирования обычно составляет 15--20 м, реже 40--60 м.

Недостатки установок всасывающего типа: высокий расход энергии на транспорт вследствие низкой концентрации материала в воздухе (не более 10 кг/кг) и высокой скорости воздуха (20--30 м/с), а также попадание пыли в воздуходувную машину.

Установки нагнетательного типа (рис. 1 ,в) более экономичны, чем всасывающие. Благодаря большей плотности воздуха в них допускается концентрация твердого материала до 100 кг/кг и выше. Транспортируемый материал из бункера 9 через питатель 4 подают в трубопровод 2, в который поступает воздух из компрессора (воздуходувки) 8. После отделения материала в разгрузителе 3 и очистке от пыли в фильтре 6 воздух выбрасывают в атмосферу. В данном случае компрессор работает на чистом незапыленном воздухе. Перепад давления между концами транспортирующей сети может составлять 0,5-- 1,3 МПа, а расстояние перемещения груза достигает 1800 м. Нагнетательные установки могут подавать материал из одной точки (склада) в несколько адресов, например, транспортировать апатитовый концентрат в несколько цехов.

Установки пневмотранспорта с камерными насосами (рис. 7.8, г) наиболее экономичны, так как в них концентрация транспортируемого материала в воздухе может достигать 500 кг/кг. Эти установки используют для подачи разнообразных материалов на значительную высоту (60--100 м), например, для подъема апатитового концентрата от уровня земли в верхнюю часть силосного склада. Из бункера 9 винтовым питателем 12 транспортируемый материал додается в камеру через клапан 11. После заполнения камеры клапан автоматически закрывается и в камеру поступает сжатый воздух от компрессора 8, часть воздуха поступает через аэрирующее устройство 10. Взвесь материала в воздухе по трубопроводу 2 транспортируется в силосный бункер 13, который одновременно служит отделителем. Воздух очищается от пыли в фильтре 6 и выбрасывается в атмосферу. Камерный насос работает периодически, для повышения равномерности подачи, как правило, устанавливают два попеременно работающих насоса.

Экономичность и надежность работы устройств пневмотранспорта зависит от концентрации транспортируемого материала в воздухе и скорости воздуха в трубопроводе. Допустимая концентрация материала ц, (кг/кг воздуха) зависит от плотности и размера частиц, а также от системы пневмотранспорта.

Необходимую скорость транспортирующего воздуха можно принять по табл. 7.5, которая составлена на основании практических данных. Наибольшие значения рекомендуются для установок, работающих в разреженной фазе (всасывающих), а наименьшие -- для нагнетательных установок.

Особенности конструкции корпусов аппаратов высокого давления

Свыше 10 МПа или 1 атм. Маленький диаметр и большая длинна( 20-25 м) ,поэтому увеличивается объём аппарата.

Корупс - задача выдержать высокое давление.

Классификация:

По способу изготовления корпусы бывают:

1. сплошные( цельнокованные, кованносварные, кожухосварные)

2. составные( многослойные , витые и рулонные)

Штампосварные изготавливают из штамповочных полукорыт.

Кованные корпуса выполняют из цельной стально отливки и внутри высверливают отверстия. Фланцы отковывают вместе с корпусом или присоединяют к резьбе.

Многослойные состоят из нескольких обечаек, насаженных друг на друга с натягом., используются для лаб.аппаратов с высоким давлением.

Витые состоят из центральной гильзы, на которые в несколько слоёв наматывают стальную ленту в горячем виде при остывании сжимаются.

Рулонные состоят из внутренней обечайки толщиной 10 мм, на которую наматывают ленту толщиной 3-4 мм, днище плоское со сферическим углублением прямоугольного сечения или выпуклое сечение.

Аппараты в зависимости от температуры бывают

1. холодные t стенки до 200 °C,материал - углеродистый или слабоуглеродистая сталь

2. горячие t от 200 и выше, стали легированные, молибден, хром, никель, вольфрам

Теплообменная аппаратура имеет идеальный вес в химической технологии.

Эксплуатируются при различных температурах и реакциях. При выборе направления теплоносителей, руководствуясь следующими соображениями:

- при высоком давлении - трубчатые теплообменный и теплоноситель с более высоким Р направлением по трубкам, а также корродирующий теплоноситель.

- при использовании теплоносителя с ……… то его направляют с той стороны поверхности с которой его удобно чистить

- уменьшить обеспечить противоток

- направление движения должно совпадать с естественным циркуляции раствора. В зависимости от температуры корпуса АВД условно подразделяют на «холодные»(при Т _стенки до 200 С) и «горячие»(при Т _стенки от 200 С и выше).

Для «холодных» аппаратов применяют углерод-ые или слаболегир-ые стали 35Г2; для «горячие»- стали, легир-ые хромом, никелем, молибденом, вольфрамом.

Разъёмные соединения АВД имеют ряд конструктивных особенностей. Для обеспечения герметичности соединения требуется большое удельное давление на прокладку, поэтому для прокладок применяют материалы повышенной прочности, мягкие металлы: медь, алюминий.

Реакционные аппараты.

Основное оборудование химических цехов. Возникает проблема подвода или отвода тепла. Проблема хорошего контакта катализатора с реагирующими веществами. Классифицируют по агрегатному состоянию реагирующих веществ и по способу работы, наличие или отсутствие катализатора:

1 реакционные аппараты с газовой фазой:

а) контактные

- подвижный слой катализатора (псевдоожижанный слой; сплошной слой)

- неподвижный слой катализатора (адиабатический, с промежуточным теплообменом, с внутренним теплообменом)

б) высокотемпературные (трубчатые печи, пламенные, с шариковым теплоносителем)

2 аппараты с жидкой фазой

а) емкостные (вертикальные, горизонтальные, насадочные, тарельчатые, пустотелые)

б) змеевиковые

3 аппараты с твердой фазой

а) камерные, б) барабанные, в) лопастные

г)с псевдоожижанным слоем

Теплообменники.

1 трубчатые

а) кожухотрубчатые( жесткие, V - образные, с плавающей головкой, с линзовым компенсатором, секционные)

2 змеевиковые (труба в трубе, оросительные, погружные)

3 нетрубчатые (пластинчатые, блочные, рубашечные, спиральные)

Колонные и башенные аппараты

1.тарельчатые:а. колпачковые (капсульные, туннельные)

б. клапанные (круглые, прямоугольные)

в. Ситчатые (плоские, провальные, волнистые)

г. струйно-направленные (пластичные с отбойником, пластичные, чешуйчатые)

2. Насадочные

а. насыпные (кольца, седла) б. регулярные (брусья)

в. Вакуумные (сотовая, зигзаг, плоско параллельные)

3. Прямоточные

а. интекционные б. ударно-распылительные

Виды коррозии. Водородная коррозия и способы защиты от водородной коррозии

Коррозия - разрушение металлов в результате взаимодействия с агрессивной средой. Возникновение коррозионных разрушений в металле связаны с неоднородностью металла, присутствием примесей, нарушением структуры металла или защитного слоя, непостоянством состава раствора, с разностью температур.

Коррозия может протекать по химическому (возникает при действии сухих газов и жидких неэлектролитов на металлы, а также при действии электролитов на неметаллы) и электрохимическому (возникает при действии на металл электролитов и влажных газов, характеризуется наличием двух параллельно идущих процессов - окисление и восстановление) механизму.

Коррозия по виду распространения корр.разрушений:

1 сплошная - появляется при отсутствии защитных плёнок на поверхности металла, равномерное разрушение анодного и катодного участков. Потеря прочности пропорциональна потери массы.

2 местная:

- пятнистая

- язвенная

- подповерхностная

- межкристаллитная

- точечная

Пятнистая отличается большой площадью очагов, но малой глубиной.

Язвенная отличается значительной глубиной разрушения, намного большей, чем протяженность.

Точечная - глубокое разрушение и частое образование сквозных отверстий. Потеря массы намного меньше потери механической прочности.

Подповерхностная - образование очагов под поверхностью металла, это приводит к вспучиванию и расслоению металла.

Межкристаллитная (избирательная) - обусловлена разрушением одного из компонентов или одной из фаз гетерогенного сплава. Трудно контролируемая.

щелевая коррозия - обусловлена неравномерным обтеканием средой различных участков аппарата, что приводит к образованию катодных и анодных участков. (разновидность электрохимической организации).

По характеру мех. воздействия:

Коррозионное растрескивание - при совместном действии мех. повреждений и агрессивной среды, приводящих к разрушению МЕ.

Явление Фреттинга - коррозия МЕ, возникающая при совместном действии коррозионной среды и трения, а также при перемещении двух поверхностей, относительно друг друга.

Кавитационная коррозия - разрушение поверхности МЕ или сплава при одновременном коррозионном и механическом воздействии агрессивной среды

Водородная коррозия.

Основная причина кроется в свойствах водорода: имеет маленький атом, растворяться может только атомарный водород и с металлами гидриды, они не прочные

Ме - е = Ме⁺

Н + е = Н^-

Водород усиливает коррозию, если наряду с ним содержится другой газ.

Механизм водородной коррозии заключается в диффузии водорода в металле, образование гидридов: водород может взаимодействовать с карбамидом железа, с образованием свободного железа и метана.

На водородную коррозию влияет азот. Мера борьбы с водородной коррозией - введение азота. Прочная пленка нитридов защищает от дальнейшей коррозии.