4035

1

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Работа студента над курсом ©Технология основного неорганического синтеза° состоит из нескольких частей: самостоятельное изучение материала по учебникам и учебным пособиям; выполнение контрольной работы и лабораторного практикума; индивидуальные консультации; посещение лекций; сдача экзамена.

Программа курса отражает современный уровень состояния химической технологии неорганических веществ и направлена на формирование инженеров-технологов, способных оперативно решать сложные производственные проблемы современной химической технологии.

Выполнение контрольной работы студентами – не самоцель, а форма методической помощи студенту при изучении курса. К выполнению контрольной работы можно приступить только после изучения определенной части курса, отдельной темы. Чтобы лучше усвоить изучаемый материал, необходимо составить конспект, куда внести уравнения реакций, основные технологические параметры процессов, природу катализатора, особенности термодинамики и кинетики. Это не только облегчит запоминание, но и поможет при повторении материала в период подготовки к экзамену.

В предлагаемом курсе рассмотрены три технологии: синтез аммиака, производство неконцентрированной азотной кислоты и получение концентрированной серной кислоты и олеума.

Все технологии многостадийные. При изучении технологии производства любого вещества отметьте последовательность стадий, вникните в необходимость такой последовательности, какими технологическими целями и задачами она диктуется. Изучая технологические параметры производства, задумайтесь, чем определяются конкретные значения температуры, давления или концентрации, что произойдет, если эти параметры изменить (повысить или понизить). Это позволит вам достичь профессиональной зрелости. Обратите внимание на аппаратурное оформление процессов, каковы достоинства и недостатки той или иной колонны, печи, конвектора и т.д., из какого материала изготовлены аппараты, каково энергетическое обеспечение технологии. Все вместе означает комплексный подход к проблеме и ее решению.

2

Контрольная работа состоит из трех заданий, два задания носят описательный характер, третье – расчетное. Механическое переписывание учебной литературы при ответах не допускается, т.к. контрольную работу необходимо выполнить после обстоятельного изучения темы задания. Примеры расчетов по третьему заданию приведены ниже.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Производство аммиака / под ред. В. П. Семенова. – М. : Химия, 1983. – 320 с.

2.Производство азотной кислоты / под ред. Е. М. Олевского. – М. : Химия, 1985.

3.Химическая технология неорганических веществ / под ред. Т. Г. Ахметова. – М. : Высш. шк., 2002.

4.Позин, М. Е. Физико-химические основы неорганической технологии. – Л. : Химия, 1985.

5.Абалонин, Б. Е. Основы химических производств. – М. : Химия, 2001.

6.Васильев Б. Т. Технология серной кислоты. – М .: Химия, 1985.

7.Амелин А. Г. Технология серной кислоты. – М .: Химия, 1983.

8.Справочник сернокислотчика / под ред. К. М. Малина. – М. : Химия, 1971.

9.Справочник азотчика / под ред. Е. Я. Мельникова. – М. : Химия, 1986.

10.Атрощенко В. И. Технология связанного азота. – Киев : Высш. шк., 1985.

11.Иваненко С. В. Технология связанного азота. – М. : Высш. шк., 1981.

12.Кузнецов Л. Д. Синтез аммиака. – М. : Химия, 1982.

13.Расчеты по технологиям неорганических веществ / под ред. Г. В. Дыбиной. – М .: Высш. шк., 1967.

14.Мельник Б. Д. Краткий инженерный справочник по технологии неорганических веществ. – М. : Химия, 1968.

15.Караваев М. М. Каталитическое окисление аммиака. – М. : Химия, 1983.

3

16.Перлов Е. И. Оптимизация производства азотной кислоты. – М. : Химия, 1983.

17.Методические указания к выполнению расчетов в курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 250200 ©Химическая технология неорганических веществ° / сост. : Т. М. Шевченко, Н. Н. Чурилова, Н. Е. Гегальчий. – Кемерово, 2003.

18.Исхаков Х. А., Прилепская Л. Л. Расчет печи для обжига серного колчедана в кипящем слое: метод. указания к курсовой работе по дисциплине ©Спецхимтехнология° для студентов специальности 250200 ©Химическая технология неорганических веществ°. – Кемерово, 1998.

ПРОГРАММА КУРСА

1. Цель и задачи курса, его место в учебном процессе. 1.1. Цель курса.

Цель курса состоит в изучении современных крупнотоннажных технологий получения неорганических веществ, в овладении методами расчета, выбора технологических параметров и способами контроля производства.

1.2. Задачи курса.

Научиться комплексному подходу к решению любых технологических проблем при производстве неорганических веществ; оценивать достоинства и недостатки технологических схем; уметь давать варианты модернизации производства; обосновывать технологические параметры; овладеть основными принципами управления процессом; уметь связывать техникоэкономические показатели производства с проблемами экологии.

1.3. Перечень дисциплин, усвоение которых студентами необходимо для изучения данного курса: высшая математика, физическая, неорганическая и аналитическая химия, общая химическая технология, теория химико-технологических процессов и неорганических производств, основы проектирования, процессы и аппараты химических производств, экономика, организация и планирование химических производств, система управления хи-

4

мико-технологическими процессами, охрана труда в химической промышленности.

2. Производство аммиака.

2.1.Синтетический аммиак как главный промышленный источник связанного азота. Масштабы производства, отрасли потребления. История и перспективы развития азотной промышленности.

2.2.Системы синтеза аммиака на отечественном и зарубежном оборудовании, тенденции развития технологии и оборудования в производстве аммиака.

2.3.Промышленные способы получения водорода.

2.4.Принципиальная технологическая схема агрегата производства аммиака с использованием двухступенчатой паровоздушной конверсии природного газа на примере агрегата АМ – 76.

2.5.Сероочистка природного газа. Назначение стадии, основные методы очистки. Катализаторы гидрирования сероорганических соединений. Поглотитель сернистых соединений. Технологическая схема двухступенчатой сероочистки природного газа в крупных агрегатах. Аппараты стадии.

2.6.Двухступенчатая паровоздушная конверсия (риформинг) природного газа. Физико-химические основы процесса, катализаторы конверсии метана. Получение технологического газа

иаппаратурное оформление процесса этой стадии.

2.7.Конверсия оксида углерода водяным паром. Назначение стадии и основные ее реакции, катализаторы, основные особенности применяемых аппаратов и прогнозы на будущее в их использовании.

2.8.Очистка конвертированного газа от диоксида углерода. Цель и задачи этой стадии. Особенности протекания реакций хемосорбции. Проблема коррозии аппаратов этой стадии. Сравнение различных методов очистки.

2.9.Метанирование оксидов углерода. Реакции гидрирования оксидов углерода, катализаторы процесса, технологическая схема, параметры и аппараты стадии.

2.10.Синтез аммиака. Физико-химические основы процесса, равновесие реакции, кинетика, катализаторы и механизм превра-

5

щения. Технологическая схема отделения синтеза аммиака. Основное оборудование.

2.11.Основные принципы управления процессом синтеза. Обоснование выбора уровня давления процесса синтеза аммиака.

2.12.Принципиальная схема энергетического обеспечения

агрегата.

2.13.Автоматизированная система управления технологическим процессом. Структура управления, система защиты агрегата. Мероприятия по обеспечению техники безопасности, соблюдению санитарных норм выбросов в атмосферу и сбросов сточных вод.

3. Производство неконцентрированной азотной кислоты.

3.1.Физико-химические основы промышленного получения неконцентрированной азотной кислоты. Окисление аммиака кислородом воздуха, протекающие реакции, катализаторы, влияние технологических факторов на эффективность окисления аммиака до оксида азота (II).

3.2.Процессы, вызывающие потери платиноидного катализатора, методы снижения потерь, способы улавливания платиноидов из нитрозных газов.

3.3.Переработка оксидов азота в азотную кислоту. Равновесие и скорость взаимодействия оксидов азота с водой. Особенности образования азотной кислоты в условиях конденсации паров воды. Влияние различных технологических факторов на процесс взаимодействия оксидов азота с водой.

3.4.Каталитическая очистка выхлопных газов, параметры процесса и особенности технологической схемы. Другие способы очистки выхлопных газов.

3.5.Основные направления создания промышленных установок производства азотной кислоты – выбор технологической схемы, влияние технологических параметров процесса на экономические показатели агрегатов, методы технико-экономического анализа при проектировании производств азотной кислоты.

3.6. Особенности отечественного агрегата производства азотной кислоты под единым давлением 0,716 МПа – принципиальная технологическая схема агрегата, его техникоэкономические показатели.

6

3.7.Производство азотной кислоты в агрегате АК-72. Производительность агрегата, его технико-экономические показатели, характеристика продукционной кислоты. Особенности компоновки оборудования и аппаратурного оформления технологического процесса. Основные аппараты производства. Газотурбинный турбокомпрессорный агрегат ГТТ-12. Недостатки агрегата и варианты его модернизации.

3.8.Характеристика производства азотной кислоты в агрегатах фирмы ©Сосьете Шимик де ла Гранд Паруасс° (Франция). Особенности технологической схемы и оборудования.

3.9.Конструкционные материалы для аппаратов и трубопроводов производства азотной кислоты.

3.10.Перспективы развития производства азотной кислоты. 4. Производство серной кислоты.

4.1. Свойства и применение серной кислоты и олеума. 4.2.Физико-химические свойства водных растворов серной

кислоты, диоксида серы, триоксида серы.

4.3.Сырье для производства серной кислоты: сера, колчеданы, диоксид серы металлургических и топочных газов, сульфаты, отработанные кислоты и др.

4.4.Теоретические основы технологии получения серной кислоты. Методы получения серной кислоты. Принципиальные схемы производства серной кислоты в зависимости от вида сырья.

4.5.Производство серной кислоты контактным методом. Получение диоксида серы путем обжига серосодержащего сырья. Подготовка сырья к обжигу. Обжиг колчедана. Физикохимические основы и технологическая схема обжига колчедана в воздухе. Спекание шихты при обжиге колчедана. Обжиг колчедана при использовании циркулярного огарка. Основы гидродинамики кипящего слоя колчеданного огарка. Обжиг колчедана с применением кислорода. Использование тепла обжигового газа, условия его охлаждения. Материальный и тепловой баланс отделения обжига при сжигании колчедана.

4.6.Сжигание серы. Механизм сжигания серы. Влияние давления на скорость горения серы. Печи для сжигания жидкой и твердой серы.

7

4.7.Обжиг сульфатов железа. Сжигание сероводорода. Использование тепла горения серосодержащего сырья.

4.8.Очистка обжигового газа от пыли, брызг и тумана. Образование и выделение тумана. Осушка газа. Очистка обжигового газа без образования тумана. Извлечение селена из обжигового газа. Аппаратура и технологический режим очистного отделения.

4.9.Окисление диоксида серы в триоксид серы. Теоретические основы окисления диоксида серы на катализаторах, термодинамика, механизм и кинетика окисления диоксида серы, равновесная степень контактирования.

4.10.Факторы, влияющие на скорость процесса окисления диоксида серы и равновесную степень контактирования. Условия процесса окисления SO2 в SO3 на ванадиевом катализаторе. Окисление диоксида серы при повышенном давлении. Степень использования внутренней поверхности катализатора. Выбор оптимальных условий окисления SO2 в SO3.

4.11.Технологический режим и аппаратура сушильноабсорбционного отделения. Материальный баланс сушильноабсорбционного отделения.

4.12.Основные продукты производства серной кислоты. Получение 100 %-го и концентрированного олеума. Сорта серной кислоты. Получение высококачественных и специальных сортов серной кислоты. Влияние различных факторов на качество серной кислоты. Расходные нормы сырья, энергоресурсов и вспомогательных материалов на 1 т серной кислоты.

4.13.Проблемы экологии производства. Технические свойства пыли (колчедана, серы, железного купороса), соединений серы (SO2, SO3, Н2S), мышьяка, селена, паров серной кислоты. Основные требования техники безопасности и промышленной санитарии. Сведения о предельно допустимых концентрациях вредных веществ в атмосфере. Меры безопасности и средства индивидуальной защиты. Очистка отходящих газов от диоксида и триоксида серы. Аммиачные способы очистки. Кислотнокаталитический способ очистки газов. Сульфитно-содовый способ очистки газов. Причины образования тумана и очистка от него выхлопных газов. Нейтрализация сточных вод, количество сточных вод и требования к ним. Извлечение и переработка селенового шлама.

8

4.14.Производство серной кислоты нитрозным методом. Теоретические основы нитрозного процесса. Абсорбция оксидов азота серной кислотой, скорость абсорбции. Абсорбция диокисда серы нитрозой. Окисление диоксида серы нитрозой. Удаление оксидов азота из нитрозы (денитрация). Окисление оксида азота кислородом в газовой среде.

4.15.Технологический режим и аппаратура башенных систем. Принципиальная схема производства серной кислоты башенным способом. Схема орошения, количество башен, плотность и условия орошения. Тепловой баланс башенной системы. Обезвреживание отходящих газов. Концентрирование серной кислоты. Получение продукционной нитрозилсерной кислоты.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ КУРСА

1. Производство аммиака

Азот играет важную роль в природе, участвуя в основных биохимических процессах. Имеет он исключительно важное значение в промышленной деятельности человека. Наиболее крупными потребителями азота является промышленность минеральных удобрений, азотной кислоты, производства взрывчатых и горючих веществ, химических волокон, пластических масс, красителей и др., и во всех случаях речь идет о связанном азоте.

Основную массу азотсодержащих продуктов (около 95 %) производят на основе аммиака, искусственно получаемого на химических предприятиях. В настоящее время во всем мире сложилась так называемая ©классическая° технология синтеза аммиака, основанная на конверсии природного газа с целью получения водорода. При этом процесс осуществляют таким образом, чтобы в конечной газовой смеси, за счет атмосферного воздуха, соотношение между азотом и водородом составляло 1:3, как того требует уравнение реакции прямого синтеза аммиака.

Современная теория химической технологии разработала принцип построения энерготехнологических схем производства, т.е. схем, в которых предусматривается генерирование всей энергии, необходимой для осуществления процесса производства

9

внутри технологической схемы. Таковой является и схема синтеза аммиака. Практически всю необходимую энергию генерируют внутри технологической схемы, используя тепло экзотермических процессов шахтной паровоздушной конверсии метана, конверсии оксида углерода, метанирования и синтеза аммиака – основные стадии производства. Источником рабочего тепла является водяной пар энергетических параметров. С его помощью приводится в движение турбина компрессора синтез-газа, компрессор технологического воздуха, природного газа и насосы различного назначения.

При одинаковом подходе к выбору исходных веществ, промышленные способы производства различаются давлением, при котором проводят каталитический процесс синтеза аммиака. Диапазон применяемых давлений был очень широкий – от 10 до 100 МПа. Однако в последнее десятилетие наметилась решительная тенденция к снижению давления синтеза, во вновь разрабатываемых схемах оно составляет 10–14 МПа.

Различаются агрегаты синтеза аммиака и по мощности, хотя крупнотоннажные предпочтительней (410–540 тыс. т/год). Такие агрегаты разработаны и запущены в эксплуатацию различными фирмами: ICI (Англия), ТЕС (Япония), CLE (Франция), Chemico (США), ГИАП – отечественные агрегаты АМ-70, АМ-76. И, конечно же, очень много различий в аппаратурном оформлении и организации тепловых потоков. Одним из показателей совершенства агрегата синтеза аммиака является затрата энергии на тонну получаемого аммиака. Для лучших агрегатов этот показатель составляет 6,5–6,7 Гкал, на действующих отечественных более 10,5 Гкал, последняя разработка ГИАП агрегата АМ-98 Ru предлагает 6,7 Гкал на 1 т производимого аммиака. Стоит отметить, что в последнее время за рубежом на уже действующих агрегатах стали внедрять два усовершенствования, предложенные американской фирмой Kellogg, позволяющие снизить энергозатраты при одновременном наращивании мощности производства. Первое усовершенствование касается конвертера синтеза аммиака с радиальным потоком газа и с двумя тонкими слоями высокоактивного сопромотированного катализатора на основе рутения на графитовом носителе – Kellogg Advanced Ammonia Process (KAAP). Блок КААР устанавливается в агрегате после конвекто-