Для самостоятельного изучения темы

« Производство азотной кислоты»

Цель:

1. выполнение графического изображения технологической схемы агрегата АК-72М базового предприятия – ОАО «Минудобрения»;

2. чтение чертежей основного оборудования схемы;

3. анализ и сравнение действующих на предприятии ОАО «Минудобрения» агрегатов АК-72 и АК-72М.

Форма проведения занятий – работа в парах сменного состава.

ОБЩАЯ (ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ) СХЕМА АК-72М

Воздух из атмосферы через воздухозаборную трубу поступает в фильтр Ф11,где очищается от пыли и поступает на всас воздушного компрессора поз.М10А, где сжимается до 0,23-0,37 МПа. Основная часть воздуха направляется в контактные аппараты поз.Р12/1,2 , а часть воздуха поступает через подогреватель аммиака поз.Т5 в продувочную колонну поз.К47 и далее во всасывающую линию нитрозного нагнетателя

поз.М10в. Жидкий аммиак ,поступающий из заводской сети, испаряется в испарителях поз.Т2/1,2 за счет тепла захоложенной и оборотной воды. Очищенный газообразный аммиак в фильтрах поз.Ф4 /1,2 подогревается до 75-120⁰С в теплообменнике поз.Т5 горячим воздухом и поступает в контактные аппараты поз.Р12/1,2.

Для отвода жидкого аммиака с повышенным содержанием масла и воды схемой предусмотрена установка сборника кубовых остатков поз.Е33 и сборника аммиачной воды поз.Е30.В контактных аппаратах поз.Р12/1,2 происходит смешение аммиака с воздухом, очистка этой смеси и непосредственно окисление аммиака кислородом воздуха с получением окиси азота. Окисление происходит на платиноидном катализаторе при температуре 850-880⁰С. Далее тепло нитрозного газа используется для получения перегретого пара с давлением 3,9МПа в котле-утилизаторе .После котла-утилизатора тепло нитрозного газа используется для подогрева питательной воды в двух экономайзерах поз.Э21/1,2 и химочищенной воды в теплообменнике поз.Т25.

После подогревателя поз.Т25 нитрозный газ поступает в холодильник поз.Т34,где охлаждается до температуры 55-65⁰С. Затем в газовом промывателе поз.К27 происходит отмывка нитрозного газа от нитрит-нитратных солей. Отмывка производится азотной кислотой, образующейся в результате конденсации паров воды в холодильнике поз.Т34. Азотная кислота циркулирует в системе: К27-Т22/1-Н36-Т22/2-К27. Избыток кислоты откачивается насосом поз.Н35 в абсорбционную колонну поз.К31.

После отмывки нитрозный газ сжимается в нитрозном нагнетателе поз.М10в до давления 0,8-1,16МПа.Далее нитрозный газ отдает свое тепло питательной воде в холодильнике поз.Т54,охлаждается оборотной водой в холодильнике поз.Т29 и поступает под первую тарелку абсорбционной колонны поз.К31.В колонне происходит абсорбция окислов азота химочищенной водой с образованием азотной кислоты.

Азотная кислота отдувается воздухом от растворенных окислов азота в продувочной колонне поз.К47 и поступает на склад готового продукта.

Выхлопной газ после абсорбционной колонны поз.К31 поступает в ловушку поз.Е23,где происходит отделение брызг кислоты, уносимых выхлопным газом и подогрев выхлопного газа паром. Далее выхлопной газ поступает в регенеративную зону БНГ-172 поз.Т53,где подогревается теплом очищенного выхлопного газа после газовой турбины поз.М10б.

Из зоны регенерации БНГ-172 выхлопной газ с температурой 260-300⁰С поступает на селективную низкотемпературную очистку в реактор поз.Р40. В качестве восстановителя для очистки используется газообразный аммиак, испаренный паром в ресивере поз.Е220,очищенный в фильтре поз.Ф223 и подогретый паром в подогревателе поз.Т222.

После реактора поз.Р40 очищенный выхлопной газ проходит последовательно конвективную и радиантную зоны БНГ-172, где нагрев осуществляется топочным газом, полученным при сжигании природного газа. Далее очищенный выхлопной газ с температурой 750-770⁰С поступает в газовую турбину поз.М10б,где отдает свою энергию на вращение турбины.

После турбины очищенный выхлопной газ проходит зону регенерации БНГ-172,смешивается с топочным газом и сбрасывается на выхлопную трубу высотой 150 м.

Установка испарения аммиака.

Жидкий аммиак поступает в цех под давлением 1,3-1,9 МПа со склада жидкого аммиака, разделяясь на два потока.

Основная часть жидкого аммиака, за исключением небольшого расхода, отбираемого на каталитическую селективную очистку выхлопного газа, направляется в испаритель поз. Т2/1. Уровень в испарителе поддерживается автоматически регулятором поз. LPCA-301, регулирующий клапан которого установлен на линии жидкого аммиака в испаритель.

При минимальном 900 мм и максимальном 1400 мм уровнях срабатывает светозвуковая сигнализация.

В испарителе поз. Т2/1 под давлением 0,45-0,55 МПа испаряется около 80% поступившего аммиака. Из испарителя поз. Т2/1 около 20% жидкого аммиака поступает во второй испаритель поз. Т2/2. Давление в системе 0,45-0,55 МПа поддерживается регулятором поз. PRCA-301, регулирующий клапан которого установлен на линии жидкого аммиака из испарителя

поз. Т2/1 в испаритель поз. Т2/2.

В испарителе поз.Т2/1 жидкий аммиак испаряется теплом захолoженной воды, в испарителе поз.Т2/2 - теплом оборотной воды, поступающей из водооборотного цикла.

Очистка газообразного аммиака от масла и катализаторной пыли после испарителей поз.Т2/1,2 производится в двухступенчатых фильтрах поз.Ф4/1,2. В каждой ступени фильтра определяется массовая концентрация пыли, которая не должна превышать 0,007 мг/м3 и масла в газообразном аммиаке, которая должна быть не более 2 мг/м3.

Очищенный газообразный аммиак поступает в подогреватель аммиака поз.Т5, где подогревается за счет тепла воздуха, поступающего от воздушного компрессора поз.М10А, и с температурой 75-120⁰С направляется в контактные аппараты поз.Р12/1,2 на смешение с воздухом.

В зимний период дополнительный подогрев газообразного аммиака производится в перегревателе аммиака поз.Т202. Температура газообразного аммиака регулируется регулятором поз. TRCA-302, клапан которого установлен на линии с давлением пара 0,9-1,2МПа, поступающего в межтрубное пространство перегревателя поз.Т202. При понижении температуры газообразного аммиака до 75⁰С срабатывает звуковая сигнализация.

Подготовка аммиачно-воздушной смеси осуществляется в контактных аппаратах поз.Р12,где установлен смеситель для смешения аммиака с воздухом, фильтр для очистки аммиачно-воздушной смеси.

Смешение аммиака с воздухом происходит в кольцевом зазоре цилиндров, которые являются продолжением воздушной рубашки контактного аппарата. Аммиак на смешение подается через отверстия, расположенные в нижней части наружных цилиндров. Полнота смешения достигается за счет высокой скорости в кольцевом зазоре (50 м/с).Объемная доля аммиака в образовавшейся смеси равна 9,6-10,5%.

Соотношение расходов аммиака и воздуха в заданных пределах с коррекцией по температуре на сетках контактного аппарата поддерживается автоматически регулятором поз.1,2FFRCSA-1 и 1,2TRCSA-2-(1-3).

При повышении объемной доли аммиака в смеси до 10,8% включается светозвуковая предупредительная сигнализация.

Дополнительная очистка аммиачно-воздушной смеси производится в фильтрах от возможного образования аэрозолей после смешения аммиака с воздухом и наличии механических примесей в коммуникациях.

Фильтр представляет собой набор из 52 цилиндрических элементов, установленных в верхней части контактного аппарата. Фильтрующий материал - холсты из микротонкого штапельного волокна из горных пород. Площадь поверхности фильтрации 58 м² (на 1 аппарат).

Массовая концентрация масла после фильтра не должна превышать 0,5 мг/м3.

Окисление аммиака происходит на семи платиноидных сетках: 2 сетки из сплава 1(первая и вторая по ходу газа) и пять сеток из сплава 5(с третьей по седьмую по ходу газа).

Разогрев сеток перед подачей на них аммиачно-воздушной смеси осуществляется азото-водородной смесью, поступающей из заводской сети. АВС перед подачей в контактные аппараты подвергается очистке от механических примесей и масла в фильтре Ф105. В качестве фильтрующего материала установлены материалы ФПП-15-1,5 и однонаправленное волокно БВ/6.

Процессы, протекающие на катализаторных сетках, могут быть выражены уравнениями:

(1) 4 NH₃+ 5 O₂ = 4 NO + 6 H₂O + 905040 кДж

(2) 4 NH₃ + 4 O₂ = 2 N₂O + 6 H₂O + 1105741 кДж

(3) 4 NH₃ + 3 O₂ = 2 N₂ + 6 H₂O + 1269989 кДж

Основной реакцией, определяющей степень превращения аммиака в окись азота (степень конверсии аммиака),является уравнение (1).

Проектная степень конверсии аммиака 95,5-96,5%.

Для исключения отложения нитрит-нитратных солей к штуцерам водорода контактных аппаратов и к штуцерам для отбора проб анализов подведен воздух из линии нагнетания воздушного компрессора, а также выполнен обогрев пароспутником. Воздух должен подаваться в течение всего периода работы агрегата и отключаться на период розжига сеток или отбора анализов.

Оптимальная температура на сетках контактного аппарата при давлении 0,23-0,37 МПа должна быть в пределах 850-880⁰С. При повышении или понижении температуры на сетках до 900⁰С или 820⁰С срабатывает сигнализация.

После подогревателя химочищенной воды поз. Т25 нитрозный газ поступает в водяной холодильник нитрозного газа 1 ступени поз.Т34,где охлаждается до температуры 55-65⁰С. Одновременно с охлаждением газов происходит конденсация паров воды, образующихся в результате реакции окисления аммиака и образование азотной кислоты при поглощении окислов азота водой. Образовавшаяся азотная кислота с массовой долей не менее 35-45% вводится в нижнюю часть газового холодильника промывателя поз.К27.

Водяной холодильник нитрозного газа 1 ступени представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник. В трубном пространстве -нитрозный газ, межтрубном - оборотная вода.

Охлажденный нитрозный газ после холодильника нитрозного газа 1 ступени поступает в газовый промыватель поз.К27,где на четырех тарелках провального типа происходит охлаждение и отмывка нитрозного газа азотной кислотой от нитрит-нитратных солей аммония, при проскоках аммиака через катализаторные сетки контактных аппаратов поз.Р12.Нитрозный газ на тарелках охлаждается до температуры 40-60⁰С.

Отложение нитрит-нитратных солей происходит при температурах ниже 150⁰ С.

В теплообменниках поз.Т25 и Т34 образовавшиеся нитритнитратные соли аммония частично поглощаются конденсатом азотной кислоты.

Основная масса солей аммония и проскочивший газообразный аммиак улавливаются в газовом промывателе, поэтому накопление солей аммония в азотной кислоте в кубе поз.К27 является основным показателем полноты сгорания аммиака в контактных аппаратах. В кислой среде куба газового промывателя нитрит аммония разлагается по реакции:

2 NH₄NO₂ + 2 HNO₃ = 2 NH₄NO₃ + NO₂ + NO + H₂O

Отмывка и охлаждение нитрозного газа осуществляется азотной кислотой массовой долей не менее 35%, циркулирующей по циклу: газовый промыватель поз.К27 - холодильник

азотной кислоты I ступени поз.Т22/1 - кислотный насос

поз.Н36 - холодильник азотной кислоты II ступени поз.Т22/2

- газовый промыватель поз.К27.

Нижняя часть газового промывателя является сборником азотной кислоты, образующейся в холодильнике нитрозного газа поз.Т34 и газовом промывателе.

Уровень азотной кислоты в кубе газового промывателя регулируется регулятором поз.LIRCA-501/1,2, клапан которого

установлен на линии выдачи азотной кислоты из газового промывателя на 6,7,8 тарелки абсорбционной колонны поз.К31 в зависимости от концентрации азотной кислоты. Азотная кислота выдается в колонну поз.К31 насосом поз.Н35.В нагнетательной линии насоса поддерживается постоянное давление регулятором поз.PRC-501,клапан которого установлен на линии рециркуляции азотной кислоты в промыватель поз.К27.

Предусмотрено автоматическое включение резервных насосов поз.Н35 и поз.Н36 при отключении рабочих.

При максимальном(2000 мм) и минимальном (1000 мм) уровне в газовом промывателе поз.К27 срабатывает светозвуковая сигнализация.

Охлажденный нитрозный газ из газового промывателя поз. К27 направляется в нитрозный нагнетатель поз.М10в,где сжимается до давления 0,8-1,16 МПа, температура нитрозного газа при этом повышается до 210-220⁰С.

Охлаждение нитрозного газа после нагнетателя до температуры 135-145⁰С происходит в холодильнике нитрозного газа поз.Т54 питательной водой, подаваемой питательным насосом поз.Н20 из деаэраторного бака поз.Э19.При понижении температуры нитрозного газа на выходе из холодильника поз.Т54 до 130⁰С срабатывает сигнализация. Температура питательной воды при этом повышается до 155-165⁰С.

Дальнейшее охлаждение нитрозного газа до температуры 60-65⁰С происходит в водяном холодильнике нитрозного газа II ступени поз.Т29, который представляет собой горизонтальный, кожухотрубчатый теплообменник. По трубкам проходит нитрозный газ, в межтрубном пространстве - оборотная вода. Промывка холодильника аналогична промывке холодильника нитрозных газов I ступени поз.Т34.

Образующаяся в холодильнике II ступени азотная кислота отводится в нижнюю часть абсорбционной колонны поз.К31.Нитрозный газ поступает под первую тарелку абсорбционной колонны.

Сверху абсорбционная колонна орошается химочищенной водой. На тарелках абсорбционной колонны происходит поглощение окислов азота из нитрозного газа химочищенной водой с образованием азотной кислоты с массовой долей 58-60%.

Реакции образования азотной кислоты можно выразить следующими уравнениями:

2 NO + O₂ ↔ 2 NO₂ + 123605 кДж

3 NO₂ + H₂ O ↔ 2 HNO₃ + NO + 136300,7 кДж (при бесконечном разбавлении)

Окись азота окисляется до двуокиси азота в пространстве между тарелками кислородом, содержащемся в нитрозном газе.

Нитрозный газ, пройдя все тарелки абсорбционной колонны поз.К31 и освободившись от окислов азота до остаточной объемной доли не более 0,1%, проходит сепарационное устройство, расположенное над 45 тарелкой, направляется в ловушку

поз.Е23,где происходит отделение брызг азотной кислоты и

подогрев выхлопного газа.

Подогрев осуществляется в верхней части аппарата, где установлен титановый кожухотрубчатый теплообменник, в который подается пар с давлением 0,2 МПа и температурой 220-270⁰С, который образуется после смешения пара от уплотнений паровых турбин поз.М10г/1 и пара давлением 1,2 МПа после

регулятора поз.PRC-408.Температура выхлопного газа при этом

повышается на 10-15⁰С. Этим предотвращается коррозия теплообменных труб регенератора блока нагрева газов поз.Т53,возможная при попадании на них брызг кислоты.

Брызги кислоты, отделяемые от выхлопного газа, стекают в кубовую часть ловушки. Из ловушки конденсат азотной кислоты непрерывно дренируется в куб газового промывателя. На этой дренажной линии установлена шайба для ограничения пропуска выхлопного газа в газовый промыватель при отсутствии уровня в ловушке. При максимальном (500 мм) уровне в ловушке срабатывает сигнализация.

Для осуществления защиты тарелок абсорбционной колонны от возможного повреждения при аварийных остановках и защиты блока нагрева газов поз.Т53 на линии выхлопного газа перед ловушкой поз.Е23 установлен быстродействующий клапан Ду-600 поз.HCVSA-401/1, автоматически закрывающийся при аварийной остановке ГТТ-12М. Вокруг клапана имеется байпасная линия Ду-150,которая обеспечивает постепенный сброс выхлопного газа. Импульс для закрытия клапана Ду-600 подает отсекатель поз.HCVSA-401/2 , установленный на линии подачи нитрозного газа перед колонной поз.К31 в клапан Ду-600.

Охлажденный нитрозный газ из газового промывателя поз. К27 направляется в нитрозный нагнетатель поз.М10в,где сжимается до давления 0,8-1,16 МПа, температура нитрозного газа при этом повышается до 210-220±С.

Охлаждение нитрозного газа после нагнетателя до температуры 135-145⁰С происходит в холодильнике нитрозного газа поз.Т54 питательной водой, подаваемой питательным насосом поз.Н20 из деаэраторного бака поз.Э19.При понижении температуры нитрозного газа на выходе из холодильника поз.Т54 до 130⁰С срабатывает сигнализация. Температура питательной воды при этом повышается до 155-165±С.

Дальнейшее охлаждение нитрозного газа до температуры 60-65⁰С происходит в водяном холодильнике нитрозного газа II ступени поз.Т29,который представляет собой горизонтальный кожухотрубчатый теплообменник.. По трубкам проходит нитрозный газ, в межтрубном пространстве - оборотная вода. Промывка холодильника аналогична промывке холодильника нитрозных газов I ступени поз.Т34.

Образующаяся в холодильнике II ступени азотная кислота отводится в нижнюю часть абсорбционной колонны поз.К31.Нитрозный газ поступает под первую тарелку абсорбционной колонны.

Сверху абсорбционная колонна орошается химочищенной водой. На тарелках абсорбционной колонны происходит поглощение окислов азота из нитрозного газа химочищенной водой с образованием азотной кислоты с массовой долей 58-60%.

Реакции образования азотной кислоты можно выразить следующими уравнениями:

2 NO + O₂ ↔ 2 NO2 + 123605 кДж

3NO₂ + H₂ O ↔2 HNO₃ + NO + 136300,7 кДж (при бесконечном разбавлении)

Окись азота окисляется до двуокиси азота в пространстве между тарелками кислородом, содержащимся в нитрозном газе.

Нитрозный газ,пройдя все тарелки абсорбционной колонны поз.К31 и освободившись от окислов азота до остаточной объемной доли не более 0,1%, проходит сепарационное устройство,расположенное над 45 тарелкой,направляется в ловушку

поз.Е23,где происходит отделение брызг азотной кислоты и

подогрев выхлопного газа.

Подогрев осуществляется в верхней части аппарата,где установлен титановый кожухотрубчатый теплообменник,в который подается пар с давлением 0,2 МПа и температурой 220-270⁰С,который образуется после смешения пара от уплотнений паровых турбин поз.М10г/1 и пара давлением 1,2 МПа после

регулятора поз.PRC-408.Температура выхлопного газа при этом

повышается на 10-15⁰С. Этим предотвращается коррозия теплообменных труб регенератора блока нагрева газов поз.Т53,возможная при попадании на них брызг кислоты.

Брызги кислоты, отделяемые от выхлопного газа, стекают в кубовую часть ловушки. Из ловушки конденсат азотной кислоты непрерывно дренируется в куб газового промывателя. На этой дренажной линии установлена шайба для ограничения пропуска выхлопного газа в газовый промыватель при отсутствии уровня в ловушке. При максимальном (500 мм) уровне в ловушке срабатывает сигнализация.

Для осуществления защиты тарелок абсорбционной колонны от возможного повреждения при аварийных остановках и защиты блока нагрева газов поз.Т53 на линии выхлопного газа перед ловушкой поз.Е23 установлен быстродействующий клапан Ду-600 поз.HCVSA-401/1, автоматически закрывающийся при аварийной остановке ГТТ-12М. Вокруг клапана имеется байпасная линия Ду-150,которая обеспечивает постепенный сброс выхлопного газа. Импульс для закрытия клапана Ду-600 подает отсекатель поз.HCVSA-401/2 , установленный на линии подачи нитрозного газа перед колонной поз.К31 в клапан Ду 600.

Реактор Р - 40 предназначен для каталитической очистки выхлопных газов от оксидов азота. Он представляет собой горизонтальный цилиндрический аппарат, внутри – открытый полуцилиндр, в котором на специальных опорах размещён катализатор.

Метод очистки- восстановление оксидов азота до чистого азота. В качестве восстановителя на агрегате АК- 72 применяется природный газ, процесс идёт при высоких температурах 750…760^оС, катализатор- АПК- 2( алюмо-палладиевый ), носителем для которого служит высокотемпературный оксид алюминия АL₂О_3. Процесс восстановления на катализаторе протекает по следующим реакциям:

СН₄ +0,5О₂ ↔СО+2Н₂+Q

Н₂+ NО → 0,5 N₂+ H₂O +Q

H₂ + NO₂ → 0,5 N₂ + 2H₂O + Q

Для создания восстановительной среды необходимо выдерживать соотношение метан : кислород = 0,53….0,58

На агрегате АК-72М в качестве восстановителя применяется аммиак, и процесс идет на низкотемпературном катализаторе АМЦ-10 (алюмомедьцинковом) при температурах 280…300⁰С:

6NO+ 4NH₃→5N₂+6H₂O

6NO₂+8NH₃→7N₂+12H₂O

4NH₃+3O₂→2N₂+6H₂O

Для обеспечения очистки выхлопных газов до содержания оксидов азота н. б. 0,005% с учетом проскока аммиака и побочных реакций необходим избыток аммиака на 10-20% сверх стехиометрического количества.

Преимущества такого способа очистки:

уменьшение расхода природного газа; снижение температуры процесса.

Недостатки: необходимость дозирования в газ после колонны абсорбции К-31 небольших количеств аммиака и обеспечения его равномерного распределения по потоку газа.