Автоматический контроль параметров производства азотной кислоты под высоким давлением

Министерство образования

Российской Федерации

ИрГТУ

Кафедра автоматизации производственных процессов

Курсовой проект по дисциплине: «Автоматизация технологического процесса»

Автоматический контроль параметров производства азотной кислоты под высоким давлением.

Выполнил:

Студент группы АТП-02-1

Траньков Д.О.

Проверила:

Киселёва О.В.

Иркутск 2005-05-12г.

Содержание.

1. Общие сведения.

2. Сырьё для производства азотной кислоты.

3. Модернизация процесса производства азотной кислоты.

4. Принципиальная схема производства.

5. Технологическая схема.

6. Технология производства разбавленной азотной кислоты Ак-72

под высоким давлением.

7. Таблица параметров контроля и управления.

8. Заказная спецификация на приборы.

9. Описание приборов.

10. Перспективы развития азотнокислотного производства.

11. Заказная спецификация на приборы.

12. Перечень входных выходных величин.

13. Заказная спецификация на контроллер

14. Структурная схема

 Общие сведения

Азотная кислота является одной из важнейших минеральных кислот и по объему производства занимает второе место после серной кислоты. Она образует растворимые в воде соли (нитраты), обладает нитрующим и окисляющим действием по отношению органических соединений в концентрированном виде пассивирует черные металлы. Все это обусловило широкое использование азотной кислоты в народном хозяйстве и оборонной технике.

Всё возврастающий объём производства HNO₃ объясняется огромным значением азотной кислоты и её солей для народного хозяйства.

Области применения азотной кислоты весьма разнообразны. Большая часть её (до 75-80%) расходуется на производство азотных и комплексных минеральных удобрений и разнообразных нитратов, 10-15% идет на получение взрывчатых веществ и ракетного топлива, остальное количество потребляется производством красителей, органическим синтезом и в цветной металлургии (травление металлов).

Промышленностью вырабатывается неконцентрированная (до 60-62% HNO₃) и концентрированная (98-99% HNO₃) кислота. В небольших объёмах выпускается реактивная и азотная кислота особой чистоты. В производстве взрывчатых веществ нитрованием толуола, уротропина, ксилола, нафталина и других органических продуктов применяют концентрированную азотную кислоту. Для получения удобрений потребляется как правило разбавленная азотная кислота.

Основными производителями азотной кислоты являются США, Франция, Германия, Италия, Испания и Англия. Сейчас рост производства происходит за счёт совершенствования и обновления технологии, а также организации выпуска азотной кислоты в развивающихся странах.

Азотная кислота известна человечеству с VIII века. Она стала первой минеральной кислотой, которую использовали в ремёсленной практике. Первое упоминание о ней содержится в трудах арабского учёного Гебера (778 год), указавшем способ получения азотной кислоты перегонкой смеси селитры с квасцами. Получение азотной кислоты нагреванием смеси селитры с квасцами или купоросом было описано итальянским учёным В.Бирингуччо (1540 год) и Г.Агриколой (1556 год). В 1648 году И.Глаубер получил азотную кислоту нагреванием селитры и серной кислоты, а в 1763 году М.В.Ломоносов исследовал и описал этот метод её получения.

Сырьё для производства азотной кислоты.

В настоящее время в промышленных масштабах азотная кислота производится исключительно из аммиака. Поэтому структура сырья азотнокислотного производства совпадает со структурой сырья для производства аммиака. Основную массу азотной кислоты производят из синтетического аммиак получаемого на основе инверсии природного газа. Аммиак, поступающий из цеха синтеза содержит катализаторную пыль и пары компрессорного масла, являющиеся каталитическими ядами на стадии окисления аммиака. Поэтому аммиак подвергается тщательной очистке фильтрованием через матерчатые и керамические (поролитовые) фильтры и промывкой жидким аммиаком. Аналогично очищают от механических и химических примесей воздух, который поступает в цех через заборную трубу, устанавливаемую как правило, вдали от территории предприятия. Для очистки воздуха используются орошаемые водой скрубберы и матерчатые двухступенчатые фильтры.

Основным сырьём для производства неконцентрированной азотной кислоты в настоящее время являются аммиак, воздух и вода. Вспомогательными материалами и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия.

Аммиак.

В обычных условиях представляет собой безцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммика явилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода получения водорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяных газах и продуктах нефтепереработки.

Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворённые газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости ABC.

Воздух.

Для технических расчётов принимают, что сухой возду содержит [%,об]: N₂-78.1; O₂-21.0; Ar₂-0.9; H₂O-0.1-2.8.

В воздухе могут присутствовать также следы SO₂, NH₃, CO₂. В районе промышленных площадок воздух загрязнён пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO₂, SO₃, H₂S, C₂H₂, Cl₂ и др.). Количество пыли в воздухе состовляет 0,5-1,0 мг/м³.

Вода.

Используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. Влюбом случае вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свободного аммиака и твёрдых взвесей, содержание хлорид-иона должно быть не более 2мг/л, масла не более 1мг/л, NH₄NO₃ - не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям ГОСТ 20995-75.

Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям:

1) Жёсткость карбонатная, мэкв/кг Не более 3,6

2) Содержание взвешенных веществ, мг/кг Не более 50

3) Значение pH 6.5-8.5

Кислород.

Применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения ABC при получении азотной кислоты.

Модернизация процесса производства Азотной кислоты.

Азотная кислота и главным образом её природная соль - натриевая селитра известны с давних времён. В 778г. арабский учёный Гебер описал способ приготовления «крепкой водки» (так называлась тогда азотная кислота) путём перегонки селитры с квасцами. В России первые прописи по производству азотной кислоты из селитры были составлены М.В.Ломоносовым.

До начала XX века природная селитра была единственным источником получения азотной кислоты. Этот процесс основан на следующей реакции:

NaNO₃ + H₂SO₄ = HNO₃ + NaHSO₄

Усовершенствованный вариант этого метода получения азотной кислоты состоял в том, что разложение селитры серной кислотой производилось в вакууме (остаточное давление до 650 мм вод. ст.). При этом температура разложения селитры снижалась до 80-160 ⁰С; продолжительность отгонки кислоты сокращалась до 6 часов и достигался выход азотной кислоты близкий к теоретическому. Расход топлива для обогрева реактора составлял около 120 кг/т HNO₃. Такой способ получения азотной кислоты, целиком зависящий от импорта чилийской селитры, впоследствии был оставлен.

В начале XX века была решена исключительно важная проблема связывания атмосферного азота, что дало человечеству новый неисчерпаемый источник сырья для производства азотосодержащих соединений. Известно, что над каждым квадратным километром земной поверхности в воздухе содержится около 8000 тыс. т. азота. Задача превращения инертного азота в химически активные вещества (NO, NO₂, HNO₃) решена в результате последовательных усилий многих учёных.

Ещё в 1781 г. Кэвендиш в результате электрического разряда в воздухе получил окислы азота. В 1814 г. В.Н.Каразин внёс предложение о «низведении электричества с верхних слоёв атмосферы для производства селитры». Первый патент на способ получения азотной кислоты при помощи электрического разряда в воздухе и превращения окислов азота в нитриты и в нитраты был получил Лефебер в 1859 г.

В 1901 г. было положено начало фиксации азота воздуха в пламени электрической дуги (дуговой метод). В 1902 г. в США сооружён завод по фиксации атмосферного азота с помощью дуговой дуги, возникающей при пропускании между электродами тока силой 0,75А и напряжением 8000 в печи конструкции Брэдлея и Ловджоя. Из-за несовершенства конструкции печи и большого расхода электроэнергии завод был закрыт в 1904 г.

Производство азотной кислоты дуговым методом интересно тем, что в нём использовали дешёвое исходное сырьё - воздух. Аппаратурное оформление процесса довольно несложно. Однако для его осуществления требовалось огромное количество электроэнергии, достигающее 70000 квт*ч на 1 т. N₂ (это соответствует 64 т условного топлива.

Наконец в 1913 г. на основе многочисленных работ был освоен промышленный метод синтеза аммиака из простых веществ, который получил широкое развитие и в настоящее время занял главное место в производстве связанного азота. Вскоре после этого удалось решить проблему получения азотной кислоты из аммиака.

В настоящее время промышленное производство азотной кислоты осуществляется на основе контактного окисления синтетического аммиака. Процесс складывается из двух основных стадий: получение окиси азота и переработка её в азотную кислоту.

Стадия окисления аммиака в окись азота в общем виде выражается уравнением:

4NH₄ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O

Стадия окисления окиси азота в высшие окислы азота и переработки их в азотную кислоту может быть представлена уравнением:

2NO + O₂ = 2NO₂

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO

Суммарную реакцию без учёта побочных реакций, проходящих с образованием элементарного азота и других соединений, можно выразить уравнением:

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O +421.2 кдж

В соответствии с последовательностью этих стадий рассмотрим технологию производства азотной кислоты.

Исследования показывают , что при окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условий ведения процесса можно получить окись азота, элементарный азот и закись азота:

4NH₃ + 5O₂ =4NO + 6H₂O +907.3 кдж

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂0 + 6H₂O +1104.9 кдж

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O +1269.1 кдж

Кроме того, возможны и другие побочные реакции, протекающие с образованием азота без участия катализатора. К таким реакциям относятся разложение окиси азота и взаимодействие аммиака с окисью азота. В газах после окисления аммиака может также находиться непрореагированный аммиак.

Термодинамические расчёты изменения свободной энергии показывают, что приведённые выше основные реакции могут идти практически до конца. Таким образом, при окислении аммиака как в процессе, могущем протекать в нескольких направлениях, состав конечных продуктов будет определяться прежде всего избирательной способностью катализатора. Соответственно подбирая катализатор и условия ведения реакции, можно изменить и состав получаемых продуктов.

При использовании в качестве катализатора платины выход окиси азота в интервале температур 700-850⁰С может достигать 97-98%. Катализаторы из платиновых сплавов являются наилучшими для избирательного окисления аммиака в окись азота.

Реакция окисления аммиака до окиси азота идёт с незначительным изменением объёма, поэтому изменение давления не оказывает существенного влияния на равновесный выход продуктов взаимодействия. Большие величины константы равновесия этой реакции (10⁵³ при 900⁰С) свидетельствует о практической её необратимости при промышленных условиях осуществления процесса.

Платиновым катализаторам придают сетчатую форму, что позволяет применять контактные аппараты простого типа. Обычно катализаторные сетки изготавливают из проволоки диаметром 0,05-0,09 мм. Согласно ГОСТу 3193-59 для изготовления сеток применяют сплавы следующего состава: Pt+4%Pd+3.5%Rh (для контактных аппаратов, которые работают при атмосферном давлении) и Pt+7.5%Rh ( для конвертеров, работающих при повышенном давлении). При окислении аммиака под атмосферном давлении устанавливают от 2 до 4 сеток (обычно 3 шт.).

В аппараты, работающие под давлением 8 ат. закладывают от 16 до 18 сеток.

В оптимальных условиях степень превращения аммиака в окись азота на одной сетке может достигать 86-90% на двух сетках - 95-97%, на трёх - 98%.

На новых сетках высокая степень конверсии достигается не сразу, а в течении нескольких суток работы при 600⁰С. Процесс активации сеток при 900⁰С заканчивается через 8-16 часов. Поверхность платиновых сеток в процессе эксплуатации сильно разрыхляются, гладкие блестящие нити становятся губчатыми и матовыми. В результате этого сильно развивается поверхность катализатора, что приводит к повышению его активности. С течением времени разрыхление поверхности платиновых сеток приводит к их сильному разрушению и большим потерям платины. Добавление к платине родия и палладия имеет двоякое значение: во-первых, повышается активность катализатора, во-вторых, уменьшается потери катализатора.

В промышленности нашли применение комбинированные катализаторы, в которых наряду с платиновыми используются и другие, более дешёвые материалы. Разработанный ГИАПом комбинированный двухступенчатый катализатор состоит из сетки тройного сплава (первая ступень) и слоя неплатинового катализатора толщиной 50-65 мм. (вторая ступень). Применяя железохромовый катализатор, во второй ступени окисления, можно достигнуть 96%-превращения аммиака в окись азота.

Нитрозные газы, полученные контактным окислением аммиака, содержит в основном окись азота, из которой при дальнейшем окислении получаются высшие окислы азота. Образование протекает по следующим уравнениям:

2NO + O₂ = 2NO₂

NO + NO₂ = N₂O₃

2NO₂ = N₂O₄

С понижением температуры равновесие всех этих реакций смещается вправо. При низких температурах, наличие избытка кислорода и времени достаточном для установления равновесия , можно ожидать перехода всех окислов азота в четырех окись N₂O₄. При недостатке кислорода или при неустановившемся равновесии в нитрозных газах могут присутствовать одновременно все указанные окислы (NO, N₂O₃, NO₂ и N₂O₄).

Пяти окись азота N₂O₅ из окислов при условии окисления не образуется: закись азота N₂O кислородом воздуха дальше не окисляется.

Окислы азота перерабатываются в неконцентрированную азотную кислоту посредством из поглощения из газовой фазы водой или разбавленной азотной кислотой. Для этого нитрозные газы охлаждаются и направляют в поглотительные башни или абсорбционные колонны, где происходит окисления NO и поглощение образовавшихся окислов азота. В зависимости от условий охлаждения и окисления в газовой фазе могут присутствовать различные окислы азота, которые реагируют с водой по реакциям:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ +27.73 ккал

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ +14.13 ккал

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂ +13.3 ккал

С практической точки зрения не имеет значения, что реагирует с водой - двуокись или четырёх окись азота, так как скорость их взаимного превращения очень велика, а количество образующихся из NO₂ и N₂O₄ азотистой и азотной кислот одинаково.

Процесс получения азотной кислоты связан с растворением в воде NO₂, N₂O₄ и N₂O₃. В газовой фазе в результате взаимодействия паров воды с окислами азота образуется также незначительное количество азотной и азотистой кислот.

Азотистая кислота малоустойчива и разлагается с образованием азотной кислоты и окиси азота по суммарной реакции:

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O -18ккал

Расчёты показывают, что при обычных условиях равновесное содержание азотистой кислоты в разбавленной азотной кислоте очень мало. Скорость разложения азотистой кислоты с повышением температуры увеличивается, однако и при обычной температуре скорость этой реакции очень велика.

Суммарные реакции образования азотной кислоты с учётом разложения азотистой кислоты описываются уравнениями:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ +NO

3N₂O₃ + H₂O = 2HNO₃ + 4NO

По литературным данным, при степени окисления газа менее 50% растворы азотной кислоты поглощают окислы азота NO + NO₂. При высокой степени окисления газа происходит поглощение окислов азота в виде NO₂. Учитывая малое количество трех окиси азота в газе, обычно все расчёты проводят исходя из уравнения реакции.

Расчёт равновесного состава окислов азота над азотной кислотой показывает, что при парциальном давлении двуокиси азота 0,1 ат. получение азотной кислоты, имеющей концентрацию более 60% HNO₃, практически затруднительно. Присутствие в газовой фазе окиси азота смещает равновесии реакции влево. Поэтому в производственных условиях при атмосферном давлении трудно получить кислоту с концентрацией выше 50%, а при 8 ат - более 60%.

Главными факторами, определяющими высокую скорость образования азотной кислоты, являются проведение абсорбции под давлением при пониженных температурах с применением богатых по содержанию окислов азота нитрозных газов и создание условий для более полного соприкосновения газа с жидкостью.

Принципиальная схема производства.

Независимо от конкретной технологической схемы принципиальная схема производства разбавленной азотной кислоты включает шесть основных операций:



H₂O H₂O H₂O Na₂CO₃

ОГ

NH₃

АмВС НГ НГ НГ

воздух

пар H₂O HNO₃ NaNO₃

NaNO₂

1 - очистка аммиака и воздуха и их смешение, 2 - окисление аммиака на катализаторе, 3,4 - охлаждение нитрозных газов с использованием теплоты процесса окисления, 5 - окисление оксида азота (II) и образование азотной кислоты, 6 - очистка (нейтрализация) отходящих газов. АмВС - аммиачно-воздушная смесь, НГ - нитрозные газы, ОГ - отходящие газы.

Аммиак и воздух, очищенные от примесей, смешиваются и направляются на стадию окисления аммиака. Разогретая за счёт теплоты реакций, газовая смесь (нитрозные газы) охлаждаются в котле-утилизаторе с выработ

Технология производства разбавленной азотной кислоты АК-72

под высоким давлением

Эта отечественная технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты под высоким давлением производительностью 350 т/сутки по моногидрату, внедрённая в 1968г.

Основные показатели установки:

- давление на стадии окисления аммиака 0,73 МПа,

- давление на стадии абсорбции оксида азота (ЙV) 0,65 МПа,

-катализатор-платиновые сетки,

-концентрация азотной кислоты 0,55-0,58мас.дол.,

числоагрегатов-3.

В схеме предусматриваются:

-каталитическая очистка отходящих газов от оксида азота (ЙV), позволяющая снизить его концентрацию с 0,3 долей до 0,002% объемных,

-отбелка получаемой азотной кислоты, снижающая содержание в ней оксида азота(ЙV) с 1,00 до 0,20% объёмных,

-утилизация теплоты и потенциальной энергии сжатых газов и как следствие, энергетическая автономность установки.

Воздух после очистки в фильтре 3 сжимается в турбокомпрессоре установки 4,приводимом в действие турбиной, работающей на очищенном выхлопном газе и поступает в смеситель 2. Газообразный аммиак полученный испарением жидкого продукта и испарителе 1, смешивается с воздухом и в виде АмВС после очистки в фильтре 5 поступает в контактный аппарат 6. В нижней части контактного аппарата встроен котёл-утилизатор 7, в котором нитрозные газы, выходящие из контактной массы охлаждаются от 900єС до 170єС, при этом до 40% оксида азота (ЙЙ) окисляется до оксида азота (ЙV). Охлажденные нитрозные газы из котла-утилизатора направляются в доокислитель 8, степень окисления оксида азота(ЙЙ) возрастает до85%. Пройдя затем холодильник-конденсатор 9, они поступают в сепаратор 10, в котором отделяется от газа сконденсировавшаяся азотная кислота, поступающая в абсорбционную колонну 11. В нижнюю часть колонны направляются также нитрозные газы, а сверху подаётся вода. При этом за счёт поглощения оксида азота (ЙV) концентрация кислоты увеличивается и на выходе из колонны достигает 55-58% об. Для у3даления растворенного в кислоте оксида азота (ЙV) она направляется в продувочную колонну 12, где оксиды азота отдуваются подогретым воздухом, а отбеленная азотная кислота поступает на склад. Воздух, выходящий из продувочной колонны, содержащий оксиды азота, направляется для их поглощения в абсорбционную колонну. Отходящие из абсорбционной колонны (хвостовые) газы, содержащие до 0,1% об. оксида азота (ЙV),нагреваются в топочном устройстве13 до 390-450єС и поступают в реактор каталитической очистки 14. Очищенные от оксидов азота газы направляются в турбокомпрессорную установку 4, сжимающую воздух, откуда пройдя котёл-утилизатор 15, выбрасываются в атмосферу. В реакторе очистки над катализатором АВК-10, состоящим из палладия на оксиде алюминия, полученным конверсией метана. Основными аппаратами установки высокого давления являются контактный аппарат 6 и абсорбционная колонна 11.

Контактный аппарат диаметром 1,6-2,0 м выполнен в виде двух соединенных фланцами частей- верхней конусообразной и нижней цилиндрической, между которыми расположены 12 платиноидных катализаторных сеток, размещенных в специальных кассетах. В нижнюю часть аппарата встроен перегреватель котла-утилизатора. Производительность контактного аппарата составляет 360т/сутки.

Абсорбционная колонна барботажного типа имеет диаметр 3,2м и высоту 45м. Она снабжена ситчатыми тарелками, между которыми расположены теплоотводящие змеевики, охлаждаемые водой, которые обеспечивают необходимый тепловой режим процесса абсорбции.

Перспективы развития азотнокислотного производства.

Исключительное значение азотной кислоты для многих отраслей народного хозяйства и оборонной техники и большие объёмы производства обусловили интенсивную разработку эффективных и экономически выгодных направлений совершенствования азотнокислотного производства. К таким направлениям относятся:

- создание систем высокой единичной мощности (до400 тыс. т/год), работающих по комбинированной схеме;

- разработка высокоактивных избирательно действующих неплатиновых катализаторов окисления аммиака;

-возможно более полное использование энергии сжатых отходящих газов и низкопотенциальной теплоты процессов путём создания полностью автономных энерготехнологических схем;

- создание замкнутого оборота охлаждающей воды;

- решение проблемы очистки отходящих газов с утилизацией оксидов азота путем внедрения адсорбционно-десорбционного метода очистки на силикагеле и цеолитах;

- возможно более полное удаление остатков оксидов азота из отходящих газов с использованием в качестве восстановителей горючих газов и аммиака.

Список литературы.

1. Атрощенко В.И., Каргин С.И. «Технология азотной кислоты. М.: Химия, 1970. 496с.

2. Справочник азотчика, т.1. М.: Химия, 1986

3. Соколов «Химическая технология»,Том1,2

4. Номенклатурный каталог «Метран», 2001 г.

5. Электронный каталог.