Рассмотрение особенностей упаривания раствора аммиачной селитры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: «Рассмотрение особенностей упаривания раствора аммиачной селитры»

Разиньков А.



Введение

Химическая промышленность выпускает широкий ассортимент азотных удобрений, которые различаются содержанием азота, также получают кальциевую и натриевую селитры. Азотная промышленность нашей страны развивается высокими темпами, превышающими темпы прироста продукции всей промышленности страны в 2-2,1 раза. Темпы роста отечественной азотной промышленности значительно выше темпов роста мировой азотной промышленности. Основными азотными удобрениями, выпускаемыми нашей промышленностью, являются аммиачная селитра и карбамид. В настоящее время производство последнего развивается более высокими темпами, чем производство аммиачной селитры. Весьма быстро растет производство комплексных удобрений и, следовательно, получение их азотсодержащих компонентов. Развитие производства сульфата аммония, основанного на использовании аммиака из коксового газа и растворов, получаемых при производстве капролактама, зависят в значительной степени от развития коксохимической промышленности и промышленности синтетического капронового волокна. Твердые азотные удобрения выпускаются только в гранулированном виде. В связи с ростом производства аммиака увеличивается и объем выпускаемых жидких азотных удобрений.

Подавляющая часть продукции мировой азотной промышленности используется в сельском хозяйстве в виде удобрений, для промышленных целей потребляется примерно 15-20% вырабатываемых соединений азота. Азотные удобрения, выпускаемые промышленностью, содержат питательный элемент - азот в виде аммиака, ионов аммония NH4+, ионов NО3- и аминогруппы NH2-. Все соли аммония и аммиак относятся к физиологически кислым удобрениям. Минеральные соли поглощаются (сорбируются) корнями растений из разбавленных почвенных растворов, в которых соли диссоциированы на ионы. Корни растений быстрее усваивают щелочные ионы аммония, чем кислые нитрат-ионы, вследствие чего повышается кислотность почвенного раствора. Подкисление почвы объясняется также способностью некоторых почвенных бактерий окислять аммиак до азотной кислоты. Этот процесс носит название нитрификации, обусловливающей биологическую кислотность удобрений. Наибольшее подкисление почвы наблюдается при внесении в нее сульфата аммония. Под влиянием почвенных бактерий карбамид в течение 2-3 суток превращается в карбонат аммония, который постепенно нитрифицируется, т.е. превращается в нитрат.

В связи с этим карбамид тоже относится к физиологически и биологически кислым удобрениям. Кальциевая и натриевая селитра увеличивают почвенную щелочность и, следовательно, являются физиологически щелочными удобрениями. Применение минеральных удобрений в сельском хозяйстве не только повышает урожайность культур, но и улучшает качество сельскохозяйственной продукции. Тем самым повышается рентабельность сельскохозяйственного производства и сокращается потребность в рабочей силе.

аммиачный селитра химический кристаллизация



1. Анализ известных технологий

1.1 Общие сведения

Аммиачная селитра, как в нашей стране, так и за рубежом, в основном используется в сельском хозяйстве; в гораздо меньших масштабах её применяют для технических целей.

1. При производстве водоустойчивой кристаллической и гранулированной аммиачной селитры плав, содержащий добавку сернокислого окисного железа, гранулируется в башне, а обработка горячих гранул смесью жирных кислот с парафином производится в шнеках или во вращающихся барабанах.

2. Простейшие взрывчатые вещества на основе гранулированной аммиачной селитры и дизельного топлива нашли, благодаря своей дешевизне и высокой эффективности, широкое применение. Промышленные способы получения пористой аммиачной селитры основанные на добавлении к аммиачной селитре различных порообразующих или поверхностно-активных веществ и полиморфных превращениях кристаллов нитрата аммония, протекающих при термической обработке гранул.

3 Известково-аммиачной селитрой называют гранулированный продукт, представляющий собой смесь расплавленного нитрата аммония с тонко измельченным порошком известняка или мела.

При внесении в почву известково-аммиачной селитры подкисление почвы не происходит благодаря карбонату кальция, находящемуся в этом удобрении в тесном контакте с нитратом аммония. Несмотря на хорошие агрохимические свойства известково-аммиачной селитры она уступает аммиачной селитре по содержанию азота в 1,7 раза. Кроме того, ее производство требует дополнительного сырья (известняка или мела), оборудования для его дробления, транспортирования и смешения с плавом нитрата аммония, дополнительные затраты электроэнергии.

1.2 Методы производства аммиачной селитры

Существуют следующие методы производства аммиачной селитры:

Метод получения аммиачной селитры из аммиака коксового газа и азотной кислоты перестали применять как экономически невыгодный. Кроме того, вырабатывавшаяся по этому методу аммиачная селитра всегда содержала значительное количество примесей (пиридинов, фенолов, смол и др.).

Производство аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты является многостадийным. В связи с этим пытались получить аммиачную селитру непосредственно из аммиака, оксидов азота, кислорода и паров воды по реакции:

4NH3+4NO2+О2+H2O=4NH4NО3

Однако от этого способа пришлось отказаться, так как наряду с аммиачной селитрой образовывался нитрит аммония - неустойчивый и взрывоопасный продукт.

Значительное количество аммиачной селитры в настоящее время производится из отходящих газов некоторых систем синтеза карбамида. По одному из способов его производства на 1 т карбамида получается от 1 до 1,4 т аммиака. Из такого количества аммиака можно выработать 4,6-6,5 т аммиачной селитры. Хотя работают и более совершенные системы синтеза карбамида, аммиаксодержащие газы - отходы этого производства - еще некоторое время будут служить сырьем для получения аммиачной селитры.

В небольших количествах аммиачную селитру получают путем обменного разложения солей (конверсионные способы) по реакциям:

Ca(NO3)2 + (NH4)2CO3 = 2NH4NO3 + vСаСО3

Mg(NO3)2 + (NH4)2CO3 = 2NH4NO3 + vMgCO3

Ba(NO3)2 + (NH4)2SO4 =2NH4NO3 + vBaSO4

Na NO3 + (NH4)2SO4 = 2NH4NO3 + Na2SO4

Эти способы получения аммиачной селитры основываются на выпадении одной из образующихся солей в осадок (первые три реакции) или на получении двух солей с разной растворимостью в воде (четвертая реакция). В первом случае растворы аммиачной селитры отделяют от осадков на вращающихся фильтрах и перерабатывают в твердый продукт по обычным схемам. Во втором случае растворы упаривают до определенной концентрации и разделяют дробной кристаллизацией, которая сводится к следующему: при охлаждении горячих растворов выделяют большую часть аммиачной селитры в чистом виде, затем в отдельной аппаратуре проводят кристаллизацию из маточных растворов с получением загрязненного примесями продукта.

Все способы получения аммиачной селитры обменным разложением солей сложны, связаны с большим расходом пара и потерей связанного азота.

Их обычно применяют в промышленности только в случае необходимости утилизации соединений азота, получаемых как побочные продукты. В промышленности широко применяется только метод получения аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и разбавленной азотной кислоты.

Различают также схемы получения аммиачной селитры под вакуумом, под повышенным давлением и под давлением близким к атмосферному.

Проведение процесса нейтрализации с использованием вакуума имеет относительно ограниченное применение вследствие усложнения схемы нейтрализации, а также невозможности полезного использования тепла сокового пара и, следовательно, снижения экономичности процесса. Такие схемы используют лишь в установках, где в качестве сырья применяют не чистый аммиак, а аммиаксодержащие газовые смеси.

Нейтрализация азотной кислоты под повышенным давлением позволяет уменьшить габариты нейтрализаторов, промывателей сокового пара, получать соковый пар с более высоким потенциалом. Однако обычно эти преимущества не окупаются из-за необходимости применять жидкий аммиак вместо газообразного, повышения температуры в зоне нейтрализации, а также из-за усложнения схемы и ограниченных возможностей использования сокового пара.

Наиболее широкое распространение получили установки, в которых процесс нейтрализации осуществляется под давлением близким к атмосферному (избыточное давление сокового пара 5-20 кПа). Преимуществом нейтрализации под атмосферным давлением является простота схемы, возможность использования газообразного аммиака, который из цеха синтеза аммиака выдается под давлением, как правило, не выше 200-300 кПа, без его сжижения и повторного испарения. Эти преимущества особенно весомы при использовании азотной кислоты концентрацией не более 58%, когда соковый пар при атмосферном давлении можно использовать для дополнительного упаривания растворов, полученных в нейтрализаторе, т.е. когда удается двукратно использовать тепло реакции нейтрализации.

1.3 Образование отходов производства аммиачной селитры

В реакционной зоне ИТН температура 150-180?С, за счет давления насыщенных паров NH4NO3 в образовавшихся парах может содержаться (при равновесии) от 2,7 до 15 г NH4NO3 на 1 литр конденсата сокового пара.

Содержание HNO3 в растворе селитры после ИТН 2-4 г/л, а при нарушениях режима и до 10 г/л и выше. При этом давление насыщенных паров HNO3 составляет 1,06-1,2 кПа, что соответствует 40 г HNO3 в 1 литре конденсата.

Образовавшиеся в аппаратах ИТН пары воды содержат не прореагировавший NH3, и в результате взаимодействия с HNO3 в паровой фазе может образоваться дополнительно до 50 г NH4NO3 на 1 литр конденсата сокового пара. Соковый пар проходит четыре очистные тарелки снижает температуру до 100?С и содержит до 10 г NH4NO3 на 1 литр конденсата.

Конденсаты, образующиеся из соковых паров, зависят от производительности нейтрализаторов и выпарных аппаратов, стабильности их работы, а также от брызгоуноса. В среднем на одну тонну готового продукта в процессе нейтрализации выбрасывается 350-500 кг соковых паров, а при выпаривании растворов селитры - около 300 кг. Содержание NH3 в смеси обоих конденсатов достигает 1 г/л, а NH4NO3 ~ до 3 г/л. Очистка отработанного воздуха в скрубберах на гранбашнях, орошаемых разбавленными растворами аммиачной селитры позволяет частично очистить отработанный воздух от аммиака и NH4NО3, возвратить в цикл производства значительное количество аммиачной селитры.

Разбавленные растворы аммиачной селитры циркулируют в системе промывки отводящих газов и подаются на промывные скруббера башен, на орошение тарелок ИТН и в промыватели донейтролизации и выпарного аппарата.

Соковой пар из узла нейтрализации и парогазовая смесь из узла выпарки при этом смешиваются с потоком воздуха, выходящего из ствола грануляционной башни и кипящего слоя, и проходит мокрую очистку на скрубберах.

Такой принцип был применен в крупнотоннажных агрегатах. При этом все проблемы очистки выбросов сосредотачивались на газовой фазе. Очистка газов фазы приобретает особое значение при применении башенного гранулирования.

В грануляционной башне на 1 тонну продукта подают 10-12 тыс. м3 воздуха. Воздух после грануляционных башен - несколько сот тысяч кубометров в час - отводится в атмосферу, загрязняя окружающий воздушный бассейн (на 1 т готового продукта с воздухом выбрасывается в атмосферу не менее 2 кг мелкодисперсных частиц аммиачной селитры). В отработанном воздухе аммиачная селитра содержится в виде мелкодисперсных частиц, которые известными механическими устройствами (циклонами, фильтрами и т. д.) невозможно уловить. Таким образом селитра, содержащаяся в выбрасываемом технологическом воздухе, представляет собой аэрозоль с частицами размером менее 10 мкм, что необходимо учитывать при выборе эффективного метода очистки воздуха и его конструктивного оформления.

Такие частицы образуются в башнях вследствие сублимации аммиачной селитры в процессе разбрызгивания плава, при дроблении струй плава на капли и особенно за счет истирания пустотелых гранул в кипящем слое. Чем выше скорость воздуха в грануляционной башне, тем более крупные частицы селитры могут быть унесены воздушным потоком. Например, при скорости 3 м/с из башни уносятся все частицы селитры размером менее 515 мкм; при скорости 1 м/с -- лишь частицы менее 190 мкм. Общий унос частиц из грануляционной башни мощностью 500 т/сутки составит 350 т в год в первом случае, а во втором 25 т в год, т. е. повышение скорости воздуха в башне в 3 раза вызывает увеличение уноса селитры в 14 раз.

Для обеспечения норм по концентрации загрязняющих примесей в приземном слое были применены тарельчатые скрубберные устройства, орошаемые раствором аммиачной селитры, которые устанавливают на выходе общего парогазового потока из агрегата. Это мероприятие позволило снизить удельные выбросы с газовой фазой и был интенсифицирован процесс башенного гранулирования.

Работы по дальнейшему снижению выбросов были направлены в первую очередь на очистку парогазовых потоков, где загрязняющие примеси находятся на трех элементарных уровнях: молекулярном (газообразный аммиак), аэрозольном (растворы аммиачной селитры) и капельном (брызгоунос растворов аммиачной селитры, содержащих некоторое количество азотной кислоты). Составляющие первого и третьего уровней могут быть уловлены при прохождении мокрого скруббера, который сам генерирует брызговую фазу, требующую сепарации. Аэрозольная составляющая практически не улавливается обычными скрубберами, поэтому требует применения специальных устройств. Большой объем парогазовых потоков для действующих агрегатов с уже установленным низконапорным вентиляционным оборудованием, делает малоперспективным использование устройств, обладающих большим гидравлическим сопротивлением. Обеспечение безопасных условий эксплуатации не позволяет применять принцип электростатического отделения аэрозольных частиц. В результате за основу был принят метод фильтрующей очистки, осуществляемый на волокнистых структурах. Физическая природа отделения аэрозолей здесь определяется эффектами инерционного характера и броуновским движением частиц.

Одновременно при этом могут отфильтровываться капли брызгоуноса.

В результате испытаний был выбран один из образцов стекловолокна.

Было выбрано конструктивное решение - отдельный фильтрующий элемент, пропускающий 10-25 тыс. м3/ч газа, при этом обеспечивается быстрая и легкая замена фильтрующего волокна. Для очистки потока из отделения выпарки установлен один такой элемент, а для очистки выхлопа воздуха, выходящего из башни установлены 24 фильтрующих элемента.

После отделения выпаривания парогазовый поток проходя предварительно через две орошаемые тарелки снижает температуру с 180єС до 70-90єС, а содержащиеся в нем частицы аэрозоля укрупняются за счет конденсации паров воды. После прохождения тарелок содержание аммиачной селитры в потоке снижается примерно с 10 до 2 3 г/.

Стабилизированный средний выброс после очистки оказался равным 90 мг/м3 воздуха.

Установка фильтрующих элементов в скрубберах на башнях показали значительное улучшение очистки. Содержание аммиачной селитры в уходящем воздухе при нормальном функционировании фильтрующей стадии очистки значительно более низкое (менее 100 мг/м3), чем прежде (более 200-250 мг/м3).

Сегодня, в условиях жестких экономических и экологических границ, когда дело касается агрегатов, находящихся на освоенных промышленных площадках, суммарные выбросы необходимо минимизировать. Ввиду этого в последнее время проводятся исследования и разработки, направленные на создание циркуляционной схемы производства аммиачной селитры, т. е. башенного гранулирования с замкнутым циклом движения воздуха.

В слабом растворе аммиачной селитры, циркулирующем в системе очистки, постепенно происходит концентрация до 10% и более NH4NO3, что ухудшает процесс промывки отработанного воздуха. Часть промывного раствора постоянно выводится из промывки и используется для подачи на 2-е тарелки аппарата ИТН для переработки и регулирования температуры реакции нейтрализации.

При существующей схеме производства и постоянно меняющихся нагрузках по сырью слабый раствор приходится периодически сбрасывать.



2. Физико-химические свойства аммиачной селитры

Кристаллические формы аммиачной селитры

Условные обозначения кристаллических форм	Системы	Температурные интервалы стабильного существования, оС	Плотность, г/см3	Теплота превращения, кал/г
I	Кубическая	169,6-125,2	-	16,75
II	Тригональная (б-ромбоэдричаская)	125,2-84,2	1,69	12,24
III	Моноклинная (Я-ромбоэндрическая	84,2-32,3	1,66	4,17
IV	Ромбическая	От 32,3 до -16,9	1,726	4,99
V	Тетрагональная	Ниже -16,9	1,725	1,6

Каждая модификация существует лишь в определенной области температур, и переход (полиморфный) из одной модификации в другую сопровождается изменениями кристаллической структуры, выделением (или поглощением) тепла, а также скачкообразным изменением удельного объема, теплоемкости, энтропии и т.д. полиморфные переходы являются обратимыми т.е. энантиотропными.

ДН0 полиморфных переходов IVIII 1,7 кДж/моль, IIIII 13 кДж/моль. В процессах перехода IIIII, IVIII, IVV объем элементарной ячейки увеличивается. Удельная теплоемкость Ср (в кал/г·град) водных растворов нитрата аммония для температур 16-52о составляет для концентрации 9,18% - 0,929; 28,5% - 0,7227; 47,1% - 0,697; 63,9% - 0,61; 88% - 0,47; 92% - 0,45; 96% - 0,43; 98,5% - 0,42.

Для жидкого нитрата аммония уравнения температурной зависимости давления пара:

lg р (мм рт. ст.) = 10,708-4670/Т, (349-438 К),

lg р (мм рт. ст.) = 9,987-4360/Т, (373-513 К).

В процессе нагревания при 200-270 оС разлагается по реакции:

NH4NO3 N2О+2Н2О+36,8 кДж/моль

Выше 270оС разлагается со взрывом по реакции:

NH4NO3 N2+0,5О2+2Н2О+112,6 кДж/моль

Нитрат аммония очень гигроскопичен. Гигроскопичность нитрата аммония и скорость процесса поглощения им влаги из воздуха, как установлено, растут при участии растворимых минеральных солей.

Значительная растворимость в воде и высокий температурный коэффициент растворимости, гигроскопичности и имеющие место полиморфные превращения являются причиной слеживаемости нитрата аммония. Это в конечном итоге затрудняет фактическое его применение. Нитрат аммония является концентрированным азотным удобрением. Его применяют в производстве взрывчатых веществ - аммонитов и гранулитов, в качестве реагента для растворения циркониевых оболочек-твэлов в процессе регенерации облученного ядерного топлива.



3. Теоретические основы производства NH4NO3

Наиболее распространенные способы производства аммиачной селитры основаны на реакции нейтрализации азотной кислоты аммиаком:

NH3(г)+НNО3(ж) NH4NO3+144,9 кДж

На 1 кг 100%-ной НNО3 теоретически расходуется 17:63 = 0,27 кг NH3. Химическое взаимодействие газообразного аммиака и растворов азотной кислоты протекает с большой скоростью, но лимитируется массообменом и гидродинамическими условиями. Поэтому большое значение имеет интенсивность смешения реагентов, которая в основном зависит от соотношения между скоростями движения азотной кислоты и аммиака в реакторе. Наиболее тесное соприкосновение реагентов достигается при условии, что линейная скорость газообразного аммиака превышает линейную скорость раствора азотной кислоты не более чем в 15 раз. Процесс нейтрализации протекает с выделением тепла. В производственных условиях применяется азотная кислота концентрацией 45-60% НNО3.

Известно, что разбавление азотной кислоты протекает с выделением тепла. В производстве аммиачной селитры используются уже готовые растворы азотной кислоты, поэтому количество тепла, выделяющегося при нейтрализации таких растворов, уменьшается на величину теплоты разбавления кислоты. Чем выше концентрация применяемой азотной кислоты, тем меньше значение теплоты ее разбавления и тем больше тепловой эффект нейтрализации растворов азотной кислоты аммиаком.

В результате нейтрализации раствора азотной кислоты образуется не твердый нитрат аммония, а его раствор. Поэтому нужно учитывать также теплоту растворения нитрата аммония, которая имеет отрицательное значение, так как нитрат аммония растворяется с поглощением тепла. Этот эффект тоже уменьшает количество тепла нейтрализации азотной кислоты.

Таким образом, суммарное количество тепла Q, выделяющегося в результате реакции нейтрализации растворов азотной кислоты газообразным аммиаком определяется из следующего уравнения:

Q = Qреак - (q1 + q2),

где Qреак - теоретический тепловой эффект нейтрализации, равный 144,9 кДж;

q1 - теплота разбавления НNО3;

q2 - теплота разбавления NН4NО3.

Для определения суммарного теплового эффекта в процессе нейтрализации часть воды испаряется, и раствор концентрируется. С целью более полного выделения воды целесообразно предварительно подогревать азотную кислоту и аммиак. При одинаковой концентрации азотной кислоты с повышением температуры реагентов на каждые 10 оС концентрация полученного раствора нитрата аммония увеличивается примерно на 1%.

При подогревании аммиака увеличивается скорость его поступления в реакционную массу и улучшается перемешивание реагентов. Это ускоряет процесс нейтрализации и тем самым снижает возможные потери аммиака с отходящим соковым паром.

Положительное влияние на технологический процесс оказывает повышение (4,5-5,5 ат или 4,5·105-5,5·105 н/м2) давления в реакторе-нейтрализаторе. С увеличением общего давления уменьшается парциальное давление паров азотной кислоты; в этих условиях она кипит при более высокой температуре, вследствие чего снижаются потери азотной кислоты с соковым паром. Соковый пар повышенного давления может быть с успехом использован для последующего упаривания растворов нитрата аммония. При увеличении давления уменьшается объем реакционного аппарата и соответственно снижаются тепловые потери в окружающую среду. Экономическая целесообразность применения повышенного давления зависит от дополнительного расхода энергии на сжатие аммиака и азотной кислоты и от затрат на специальное оборудование.



4. Технологическая схема производства NH4NO3

Аммиачную селитру получают нейтрализацией азотной кислоты газообразным аммиаком по реакции:

NH3(г)+НNО3(ж) NH4NO3+144,9 кДж

Эта практически необратимая реакция протекает с большой скоростью и с выделением значительного количества тепла. Обычно ее ведут при давлении, близком к атмосферному; в некоторых странах работают установки нейтрализация протекает под давлением 0,34 МПа. В производстве аммиачной селитры используется разбавленная 47-60%-ная азотная кислота.

Тепло реакции нейтрализации используется на испарение воды и концентрирование раствора.

Промышленное производство включает следующие стадии: нейтрализацию азотной кислоты газообразным аммиаком в аппарате ИТН (использование тепла нейтрализации); упаривание раствора селитры, гранулирование плава селитры, охлаждение гранул, обработка гранул ПАВ, упаковку, хранение и погрузку селитры, очистку газовых выбросов и сточных вод. Добавки вводят при нейтрализации азотной кисллоты.

Поступающая 58-60%-ная азотная кислота подогревается в подогревателе до 70-80оС соковым паром из аппарата ИТН и подается на нейтрализацию. Перед аппаратами в азотную кислоту добавляют термическую фосфорную и серную кислоты в количестве 0,3-0,5% Р2О5 и 0,05-0,2% сульфата аммония, считая на готовый продукт.

Серная и фосфорная кислоты подаются плунжерными насосами, производительность которых легко и точно регулируется. В агрегате установлены два аппарата нейтрализации, работающие параллельно. Сюда же подается газообразный аммиак, нагретый в подогревателе 2 паровым конденсатом до 120-130оС. Количество подаваемых азотной кислоты и аммиака регулируют таким образом, чтобы на выходе из аппарата ИТН раствор имел небольшой избыток азотной кислоты, обеспечивающий полноту поглощения аммиака.

В нижней части аппарата происходит нейтрализация кислот при температуре 155-170°С с получением раствора, содержащего 91-92% NH4NO3. В верхней части аппарата водяные пары (так называемый соковый пар) отмываются от брызг аммиачной селитры и паров HN03. Часть тепла сокового пара используется на подогрев азотной кислоты. Далее соковый пар направляют на очистку в промывные скрубберы и затем выбрасывают в атмосферу.

Кислый раствор аммиачной селитры направляют в донейтрализатор, куда поступает аммиак в количестве, необходимом для донейтрализации раствора. Затем раствор подают в выпарной аппарат на доупарку, которая ведется водяным паром под давлением 1,4 МПа и воздухом, нагретым примерно до 180°С. Полученный плав, содержащий 99,8-99,7% селитры, при 175 °С проходит фильтр и центробежным погружным насосом подается в напорный бак, а затем в прямоугольную металлическую грануляционную башню длиной 11 м, шириной 8 м и высотой от верха до конуса 52,8 м.

В верхней части башни расположены грануляторы ; в нижнюю часть башни подают воздух, охлаждающий капли селитры, которые превращаются в гранулы. Высота падения частиц селитры 50--55м. Конструкция грануляторов обеспечивает получение гранул однородного гранулометрического состава с минимальным содержанием мелких гранул, что уменьшает унос воздухом пыли из башни. Температура гранул на выходе из башни равна 90--110°С, поэтому их направляют для охлаждения в аппарат кипящего слоя. Аппарат кипящего слоя - прямоугольный аппарат, имеющий три секции и снабженный решеткой с отверстиями. Под решетку вентиляторами подается воздух, при этом создается кипящий слой гранул селитры высотой 100--150 мм, которые поступают по транспортеру из грануляционной башни. Происходит интенсивное охлаждение гранул до температуры 40°С (но не выше 50°С), соответствующей условиям существования IV модификации. Если температура охлаждающего воздуха ниже 15°С, то перед поступлением в аппарат кипящего слоя воздух подогревают в теплообменнике до20°С. В холодный период времени в работе могут находиться 1-2 секции.

Воздух из аппарата поступает в грануляционную башню для образования гранул и их охлаждения.

Гранулы аммиачной селитры из аппарата кипящего слоя подают транспортером на обработку поверхностно-активным веществом во вращающийся барабан. Здесь гранулы опрыскивают распыленным 40%-ным водным раствором диспергатора НФ. После этого селитра проходит электромагнитный сепаратор для отделения случайно попавших металлических предметов и направляется в бункер, а затем на взвешивание и упаковку в бумажные или полиэтиленовые мешки. Мешки транспортером подают для погрузки в вагоны или на склад.

Воздух, выходящий из верхней части грануляционной башни, загрязнен частицами аммиачной селитры, а соковый пар из нейтрализатора и паровоздушная смесь из выпарного аппарата содержит непрореагировавшие аммиак и азотную кислоту и частицы унесенной аммиачной селитры. Для очистки в верхней части грануляционной башни установлены шесть параллельно работающих промывных скрубберов тарельчатого типа, орошаемых 20-30%-ным раствором аммиачной селитры, которая подается насосом из бака. Часть этого раствора отводится в нейтрализатор ИТН для промывки сокового пара, а затем подмешивается к раствору аммиачной селитры и, следовательно, идет на выработку продукции.

Из цикла непрерывно отводится часть раствора (20-30%), поэтому цикл обедняется и восполняется добавкой воды. На выходе из каждого скруббера установлен вентилятор производительностью 100000 м3/ч, который отсасывает воздух из грануляционной башни и выбрасывает его в атмосферу.



5. Аппаратура применяемая для выпаривания аммиачной селитры

5.1 Аппарат ИТН

Аппарат нейтрализации ИТН - представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из реакционной и сепарационной зон диаметром соответственно 1,6 и 3,8 м и высотой 10,1 м.

В реакционной зоне имеется стакан диаметром 1,2 м и высотой 4,3 м, в нижней части которого расположены отверстия для циркуляции раствора. Несколько выше отверстий внутри стакана размещен барботер, подающий газообразный аммиак, над ним - барботер азотной кислоты. Реакционная парожидкостная смесь выходит из верхней части реакционного стакана; часть раствора выходит из аппарата ИТН и поступает в донейтрализатор, а остальная часть (циркуляционная) - вновь идет вниз. Выделившийся из парожидкостной смеси соковый пар отмывается на колпачковых тарелках от брызг раствора аммиачной селитры и паров азотной кислоты 20%-ным раствором селитры, а затем конденсатом сокового пара.

Аппарат изготовлен из кислотостойкой стали, а барботеры аммиака и азотной кислоты - из титана.

5.2 Выпарной аппарат

Выпарной аппарат - вертикальный цилиндр, состоящий из теплообменной и очистной зон. Диаметр зон соответственно 2,8 и 3,8 м и высота 15,9 м; поверхность теплообмена 710 м2. Раствор селитры подается внутрь трубок 3, обогреваемых водяным паром, и стекает по их внутренней поверхности в виде пленки. При этом происходит упаривание раствора. Далее он поступает на доупарку в тарельчатую часть аппарата и выходит с конечной концентрацией 99,8% NH4N03.

На трех верхних тарелках расположены змеевики, обогреваемые паром. В нижнюю часть аппарата из подогревателя нагнетают горячий воздух (15-25 тыс. м3/ч) при температуре 185оС, который проходит тарелки и трубки противотоком раствору. Происходит доупаривание и воздух насыщается водяным паром. Полученную паровоздушную смесь отмывают от брызг раствора в верхней части аппарата, где расположены две тарелки, орошаемые конденсатом водяного пара. Аппарат изготовлен в основном из кислотостойкой стали.

5.3 Аппарат КС

Аппарат КС для охлаждения селитры длиной 15 м, шириной 2,4 м и высотой 7 м; состоит из трех секций. Каждая секция снабжена индивидуальным подводом охлаждающего воздуха (70-90 тыс-м3/ч). Производительность аппарата 60 т/ч селитры.

Поступающий воздух проходит воздухораспределительную решетку для обеспечения равномерного потока воздуха. Поэтому на решетке создается равномерный кипящий слой охлаждаемой селитры без застойных зон и проскока воздуха, что обеспечивает хорошее перемешивание частиц и эффективный теплообмен. Аммиачная селитра, подаваемая в аппарат КС ленточным транспортером, поступает на грохот, вмонтированный в аппарат КС.

Крупные куски селитры отбирают и отводят на растворение и возвращаются в производственный цикл. Гранулы, прошедшие грохот, поступают на вход в первую секцию аппарата; образующийся здесь кипящий слой имеет высоту 100--150 мм. Гранулы в кипящем слое движутся также в горизонтальном направлении со скоростью до 0,1 м/с.

Каждая секция аппарата имеет индивидуальные течки для выгрузки селитры, поэтому она может охлаждаться в одной, двух или в трех секциях. Три секции аппарата работают в летнее время при повышенной температуре воздуха.



6. Выпаривание раствора аммиачной селитры

Непременным условием улучшения качества аммиачной селитры является обеспечения высокой степени упаривания ее растворов в выпарных аппаратах с достижением остаточного содержания воды в готовом продукте не более 0.3%. В зависимости от метода кристаллизации продукта, конструкции выпарных аппаратов растворы аммиачной селитры упаривают до состояния плава различной концентрации. Так, при кристаллизации в гранбашнях растворы в доупарочных аппаратах упариваются до концентрации 99.7% - 99.9% NН4NО3. С увеличением концентрации растворов NН4NО3 при их упаривании температура раствора повышается, и возрастают потери аммиачной селитры с соковым паром. Поэтому применяют выпарные аппараты, работающие при разрежении 550 -600 мм рт ст. Это позволяет упаривать растворы при пониженных температурах их кипения, что способствует уменьшению потерь продуктов на этой стадии производства.

Для упаривания растворов аммиачной селитры часто применяют двухступенчатую схему выпарки, реже трехступенчатую. Двухступенчатое упаривание проводят с таким расчетом, чтобы в первой ступени концентрация повышалась до 84%, во второй - до 99.5%. Для выпарки применяют пленочные выпарные аппараты, представляющие собой кожухотрубные теплообменники с сепараторами специальной конструкции. Отличительной особенностью этих аппаратов является упаривание растворов в тонкой пленке (слое), движущейся со скоростью 25 м/сек вдоль внутренней поверхности.

6.1 Кристаллизация плава аммиачной селитры (гранулирование)

В зависимости от методов кристаллизации плава аммиачная селитра может быть получена в виде мелких частично раздробленных кристаллов, в форме плотных чешуек и в виде сферической гранулы (d = 2 мм). При получении соли из плава селитры выделяется значительное количество тепла за счет охлаждения плава, кристаллизации и рекристаллизации соли. С повышением концентрации аммиачной селитры количество тепла, выделяющегося при кристаллизации соли, значительно уменьшается.

Кристаллизация аммиачной селитры из ее плавов осуществляется в аппарате с полным использованием тепла процесса (кристаллизаторы чашечного типа, шнеки),с частичным использованием тепла (охлаждающие барабаны - вальцы) и без использования тепла (грануляционные башни). Кристаллизаторы чашечного типа и шнеки сравнительно редко применяются в промышленности из-за их громоздкости и малой производительности. Охлаждающие барабаны-вальцы являются аппаратами непрерывного действия и большой производительности. Доля не гранулированной аммиачной селитры, получаемой в этих кристаллизаторах и барабанах, незначительна по сравнению с общим ее выпуском.

В н.в. существует три технологических способа гранулирования твердых веществ из расплавов:

1) Разбрызгивание капель расплавов с помощью различных грануляционных устройств в объеме гранбашни, где далее происходит затвердевание капель и охлаждение образовавшихся гранул при их свободном падении.

2) Напыление плава, затвердевание его и дальнейшее охлаждение образовавшихся гранул в условиях кипящего слоя.

3) Проведение тех же, что и по способу 2 операций в условиях вращающихся барабанов с внутренними лопастями - сферодайзеров.

Основным промышленным способом является гранулирование расплавов в грануляционных башнях.

Сущность процесса гранулирования в аппарате с кипящим слоем заключается в следующем: раствор, упаренный до содержания NН4NО3 в нем 80-86%, с помощью форсунок распыляется в псевдоожиженный слой твердых частичек нитрата аммония. Охлаждающим агентом является горячий воздух. Происходит испарение влаги из диспергированной жидкости и образование твердых мелких частичек, которые периодически попадают в зону факела, увлажняются и снова подсыхают за счет теплоты горячего воздуха, и таким образом их размеры увеличиваются. Аппарат работает непрерывно. Преимущество данного способа заключается в совмещении стадий глубокого упаривания раствора, грануляции и сушки в одном аппарате.

Конечной стадией процесса является кондиционирование удобрения -обработка поверхности гранул различными добавками (чаще всего ПАВ) с целью предотвращения слеживания и обеспечения хорошей сыпучести. Обработка гранул ПАВ приводит к гидрофобизации поверхности гранул, что защищает продукт от быстрого увлажнения при соприкосновении с воздухом, относительная влажность которого выше гигроскопической точки аммиачной селитры. В качестве ПАВ используют алкилсульфаты, алкилсульфонаты, алкиларилсульфонаты, соли алифатических и ароматических аминов и др. В качестве опудривающих добавок применяют диатомит, талькомагнезит, вермкулит, известняк, мел, доломит и др. Кондиционирование гранул нитрата аммония осуществляется во вращающемся барабане перед отправкой его на склад, причем обрабатывается только товарная фракция продукта.

Товарный нитрат аммония хранят в одноэтажных огнестойких складах из расчета до 20000т насыпью или 2500 т в мешках в каждом помещении. Помещения склада должны быть сухими, оборудованными вентиляцией и воздушным отоплением. Полы настилают из кислотоупорных материалов.

В процессе хранения соблюдают меры, исключающие возможность загрязнения нитрата аммония различными предметами, смазывающими и обтирочными материалами и др. Предусматривают контроль за температурой не только поступающего нитрата аммония, но и внутри бурта, а также соответствующую сигнализацию. Нитрат аммония не должен находится в контакте с веществами, дающими щелочную или кислую реакцию.



6.2 Схема с двойной упаркой

Кислый раствор аммиачной селитры направляют в донейтрализатор, куда поступает аммиак, необходимый для взаимодействия с оставшейся азотной кислотой. Затем раствор подают в выпарной аппарат. Выпарной аппарат снабжен промывателем воздуха, что дополнительно снижает поступление загрязнений в промывной скруббер. Так, соковый пар из аппарата ИТН содержит1-3 г/л аммиачной селитры и менее 1 г/л азотной кислоты, а воздух после выпарного аппарата - 2-3г/м3 селитры и 0.5-1г/м3 аммиака. Полученный плав, содержащий 99.7 -99.8% селитры, на выходе из выпарного аппарата проходит донейтрализацию в гидрозатворе, при 1750С проходит фильтр, поступает в бак, на котором установлен центробежный погружной насос, перекачивающий плав на верх башни в напорный бак.

Процесс гранулирования плава осуществляется в прямоугольной башне с размерами в плане 8 *11 м. Высота полета гранул 50 -55 м. Такая большая высота выбрана из условий полной кристаллизации капель и остывания гранул средним диаметром 2.2 -2.6 мм в полете до температуры 90-1100С при экономном расходе воздуха через башню с целью снижения расхода электроэнергии и скорости воздуха в башне.

Высококонцентрированный плав из напорного бака поступает в три гранулятора производительностью 20 т/ч каждый. В нижнюю часть грануляторов подается воздух, охлаждающий падающие сверху капли селитры. Во время падения капель с высоты 50-55 м при обтекании их потоком воздуха образуются гранулы удобрения. Температура гранул на выходе из башни равна 90-1100С; горячие гранулы охлаждают в аппарате кипящего слоя. Это прямоугольный аппарат, имеющий три секции и снабженный решеткой с отверстиями. Под решетку вентиляторами подается воздух; при этом создается псевдоожиженный слой гранул селитры, поступающих по транспортеру из грануляционной башни. Воздух после охлаждения попадает в грануляционную башню.

Гранулы аммиачной селитры транспортером подают на обработку поверхностно-активными веществами во вращающий барабан. Затем готовое удобрение транспортером направляют на упаковку.

Таким образом, в башне агрегата АС-72 в результате применения монодисперсных грануляторов обеспечен выравненный гранулометрический состав, снижено содержание мелких гранул, уменьшена скорость воздуха по сечению башни, т.е. созданы более благоприятные условия для уменьшения уноса пыли из башни и снижения нагрузки на промывной скруббер.

Воздух, выходящий из грануляционной башни, загрязнен частицами аммиачной селитры, а соковый пар из нейтрализатора и паро-воздушная смесь из выпарного аппарата содержат непрореагировавшие аммиак и азотную кислоту, а также частицы унесенной аммиачной селитры. Для очистки этих потоков в верхней части грануляционной башни расположены шесть параллельно работающих промывных скрубберов тарельчатого типа, орошаемых 20-30%-ным раствором аммиачной селитры, которая подается насосом из сборника. Часть этого раствора отводится в нейтрализатор ИТН для промывки сокового пара, а затем подмешивается к раствору селитры, и, следовательно, используется для выработки продукции.

Очищенный воздух отсасывается из грануляционной башни вентилятором и выбрасывается в атмосферу.



7. Техника безопасности

Особенностью в производстве аммиачной селитры является возможность ее разложения. Чтобы это исключить, необходимо контролировать перегрев раствора или плава выше максимально допустимой температуры, т.е. 190 С. Для этого предусмотрены блокировки, автоматически перекрывающие подачу пара на обогрев трубчатой части выпарного аппарата или подогрев воздуха. Емкость резервуара плава должна быть минимальной. Конструкция выпарного аппарата должна исключать возможность застоя в нем плава, так как при увеличении времени пребывания плава снижается температура его разложения.

Плав селитры должен быть слегка щелочным, так как в кислой среде температура его разложения снижается. Недопустимо загрязнение раствора и плава, поскольку примеси снижают температуру разложения раствора или плава. Особую важностью является точность дозировки фосфорной и серной кислот при нейтрализации, из-за опасности разложения раствора.

При хранении аммиачной селитры не допускается загрязнение ее примесями, бумагой и др. Необходимо удерживать установленные нормы, регламентирующие максимально допустимое количество аммиачной селитры, хранимое в одном отсеке заводского склада.



Выводы

В данном курсовом проекте были рассмотрены основы технологии производства, а также применение широко распространенного азотного удобрения - аммиачной селитры. Особое внимание уделено сырью и методам производства аммиачной селитры, техническим требованиям к готовой продукции.

Представлена характеристика исходного сырья и готового продукта, приведены физико-химические свойства аммиачной селитры, особенно важными из которых являются слеживаемость и меры ее предотвращения, а также термическое разложение NH4NO3, огне- и взрывоопасность.

Подробно рассмотрены теоретические основы производства и различные схемы получения аммиачной селитры с использованием тепла нейтрализации, из которых выбрана и описана наиболее эффективная технологическая схема крупнотоннажного агрегата АС-72, а также рассмотрена основная температура технологического процесса. Целью курсового проекта был расчет материального и теплового балансов процесса выпаривания раствора аммиачной селитры.

Также изложены данные о контроле и автоматизации технологического процесса, технико-экономические показатели и техника безопасности в производстве аммиачной селитры.



Список используемой литературы

1. Павлов К.Ф., Романков П.Г. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.- М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.-576 с.

2. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию / Под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Химия, 2008.

3. Мельников Е.А. и др. Технология неорганических веществ и минеральных удобрений. - М.: Химия, 1983. - 432 с.

4. Соколовский А.А., Яшке Е.В. Технология минеральных удобрений и кислот. - М.: Химия, 1971. - 456 с.

5. Позин М.Е. и др. Технология минеральных солей (удобрений, пестицидов, промышленных солей, окислов и кислот), ч.1, изд. 4-е, испр. Л., Изд-во «Химия», 1974. - 768с.

6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: ООО ТИД «Альянс», 2005.

7. Кафаров В.В. Основы массопередачи.- М.: Высшая школа, 1972.- 494 с.

8. Процессы и аппараты химической технологии / Под ред. Захаровой А.А. - М.: Издательский центр «Академия», 2006.- 528 с.

9. Лыков М.В. Сушка в химической промышленности. - М.: Химия, 1

Размещено на Allbest.ru