6.10. Технологічна схема виробництва розведеної нітратної кислоти

У промисловості розведену нітратну кислоту одержують, застосовуючи три типи технологічних схем, які працюють за різних тисків: атмосферного; підвищеного (0,716...0,8 МПа); комбінованого (окиснення аміаку здійснюють за атмосферного тиску, а окиснення NO і абсорбцію – за підвищеного). Техніко–економічне порівняння ефективності різних схем виробництва розведеної нітратної кислоти можна здійснити на підставі показників їх роботи, наведених у табл. 6.3.

Таблиця 6.3

Техніко-економічні показники роботи різних схем

виробництва розведеної нітратної кислоти

Показники	Схеми виробництва
	під атмосферним тиском	під підвищеним тиском	комбінована
1. Концентрація продукційної кислоти, мас.%	46...50	60...62	52...55
2. Вміст оксидів азоту в газі після абсорбції, об.%	6...8	0,15...0,2	0,15..0,2
3. Втрата каталізатора, г/(l т HNО3)	0,04...0,06	0,3...0,4	0,04...0,06
4. Витрата електроенергії, кВт·год/(1т НNО3)	80...100	360...380	210...240
5. Витрата металу на виготовлення апаратів, т/ (1т НNО3)	2,1	0,9...1,0	1,1

Як бачимо, найбільші переваги має комбінована схема виробництва розведеної нітратної кислоти, хоча найбільш концентровану продукційну кислоту одержують у схемах під підвищеним тиском. Саме тому технологічну схему виробництва нітратної кислоти за підвищеного (0,716 МПа) тиску, яка наведена на рис. 6.10, розглянемо детальніше.

Рис. 6.10. Технологічна схема виробництва розведеної нітратної кислоти під тиском 0,716 МПа: 1 – фільтр для очищення повітря; 2 – реактор каталітичного знешкодження оксидів азотоочищення; 3 – топка; 4 – підігрівник аміаку; 5 – змішувач; 6 – холодильник–конденсатор; 7 – сепаратор; 8 – абсорбційна колона; 9 – відбілювальна (продувна) колона; 10 – підігрівник відхідних газів; 11 – підігрівник повітря; 12 – окиснювач NО; 13 – контактний апарат; 14 – котел-утилізатор; 15, 17 – двоступеневий компресор; 16 – газова турбіна

Атмосферне повітря, яке необхідне для окиснення аміаку, ретельно очищують у тканинному фільтрі 1. Очищене повітря стискають двоступеневим компресором 15,17.

На першому ступені повітря стискається до 0,35 МПа, при цьому воно нагрівається до 165…175 °С внаслідок адіабатичного стиснення. Після проміжного охолодження (на схемі не показано) повітря подається на другий ступінь стиснення, де його тиск зростає до 0,716 МПа, а температура до 125...135 °С. В підігрівнику 11 воно нагрівається до 250...270 °С теплотою нітрозних газів, а далі подається у змішувач 5, де змішується з аміаком. Газоподібний аміак після випаровування скрапленого аміаку та очищення нагрівають у підігрівнику 4 до температури 150 °С подають у змішувач 5, оснащений поролітовим (керамічним) фільтром. Тут аміак змішується з повітрям, а утворена аміачно-повітряна суміш (АПС) додатково очищається фільтрацією через керамічні трубки від залишків пилу, мастила тощо. Механічні домішки осідають на зовнішній поверхні трубок, а очищена АПС з вмістом аміаку не більше 10 % об. подається у контактний апарат 13. Окиснення аміаку відбувається на платино-родієвих сітках за температури 890...910 °С.

Ступінь окиснення NH₃ до NО дорівнює 96 %. Гарячі нітрозні гази надходять у котел-утилізатор 14, який змонтований разом з контактним апаратом, де охолоджуються до температури 170 °С. У котлі-утилізаторі випаровується очищена деаерована вода, яка перетворюється у пару з тиском 1,5 МПа і температурою 230 °С; одержана пара подається споживачу.

Далі нітрозні гази надходять в окиснювач 12, де NO окиснюється до NO₂. Цей апарат є порожнистим з розміщеним у верхній частині фільтром для вловлювання часточок платинового каталізатора В окиснювачі ступінь окиснення становить 85 %. Унаслідок перебігу реакції окиснення температура нітрозних газів зростає до 300...325 °С. Цю теплоту використовують для підігрівання повітря у підігрівнику 11. Охолоджені нітрозні гази надалі додатково охолоджуються у теплообміннику 10 до температури 150 °С; при цьому відбувається нагрівання відхідних (хвостових газів), які надходять на очищення. Подальше охолодження нітрозних газів відбувається у холодильнику-конденсаторі 6. Унаслідок цього з газів конденсується водяна пара і утворюється слабка нітратна кислота, яку відділяють від газу у сепараторі 7 і подають на 6–7 тарілку абсорбційної колони 8. Нітрозні гази подають у нижню частину колони 8 під першу тарілку. Колона 8 зрошується охолодженим паровим конденсатом. Низькоконцентрований розчин нітратної кислоти, який утворюється у верхній частині колони 8, переміщуючись з тарілки на тарілку згори донизу, поступово концентрується внаслідок поглинання оксиду азоту (IV) і на виході з апарата концентрація кислоти сягає 60...62 %. Вона містить до 1 % розчинених оксидів азоту, які надають їй жовтуватого забарвлення. Для їх вилучення розчин нітратної кислоти подається у продувну колону 9, яку ще називають відбілюючою, бо кислота внаслідок віддування оксидів азоту знебарвлюється. Відбілена кислота подається на склад. Повітря, яке відходить з відбілюючої колони 9 і містить оксиди азоту, подається у нижню частину абсорбційної колони 8 – внаслідок цього досягається збільшення ступеня перетворення оксидів азоту до 99 %.

Хвостові (відхідні) гази, які виходять з колони 8 з температурою 35 °С, містять до 0,15...0,2 оксидів азоту, не більше як 3,2 об.% О₂, решта – елементний азот. У підігрівнику 10 вони нагріваються до 110...145 °С і надходять у топковий пристрій (камеру спалювання) 3 установки каталітичного очищення. Процес окиснення ведуть так, щоб у газах містилось якомога більше вуглецю (II) оксиду та водню, бо саме вони є відновниками оксидів азоту до елементного. Оскільки процеси окиснення метану є екзотермічними, то хвостові гази нагріваються до 390...430 °С.

На паладієвому катализаторі, нанесенному на А1₂О₃, відбу-ваються реакції:

2NО₂ + 4СО -> N₂ + 4СО₂, (6.32)

2NO + 2СО -> N₂ + 2СО₂,. (6.33

2NО₂ + 4Н₂ -> N₂ + 4Н₂О, (6.34)

2NO + 2Н₂ -> N₂ + 2H₂О. (6.35)

Ступінь очищення досягає 99,9 %. Очищені гази з вмістом оксидів азоту 0,005...0,008 % i температурою 690...700 °С надходять у газову турбіну 16. Вторинна енергія використовується для приводу турбокомпресора 17, 15.

Апаратурне оформлення стадії конверсії аміаку. Агрегат окиснення аміаку, що працює за будь-якого тиску, включає наступні апарати (рис. 6.11): фільтр очищення повітря 1, турбокомпресор (повітродувка) для стиснення і подачі повітря 2, змішувач, часто суміщений з фільтром тонкого очищення 3, підігрівники аміаку 7 і повітря 4, контактний апарат 5 з пароперегрівником і котлом-утилізатором 6.

Рис. 6.11. Схема агре-гата окиснення аміаку: 1 – фільтр; 2 – турбо-компресор; 3 – змішу-вач з фільтром тонкої очистки; 4 – підігрівник повітря; 5 – контактний апарат; 6 –котел-утилі-затор; 7 – підігрівник

Основним і найбільш складним апаратом цієї стадії виробництва нітратної кислоти являється контактний апарат, конструкція якого зазнала значні удосконалення.

На рис. 6.12. зображена схема контактного апарата для окиснення аміаку під атмосферним тиском з верхньою подачею аміач-

но–повітряної суміші.

Р ис. 6.12. Контактний апарат:

1 – корпус; 2 – кільца Рашига;

3 – термопари; 4 – оглядове-

вікно; 5 – поворотний меха-

нізм; 6 – вибухова пластина;

7 – трубка для розігрівання ка

талізатора; 8 – розподільна ре-

шітка; 9 – пробовідбірник,

10 – каталізаторні сітки;

11 – колосники

У верхній частині апарата розташований картонний фільтр 2 для тонкого очищення аміачноповітряної суміші. Каталізаторні сітки спираються на колосники; нижче на решітках розташований шар металевих кілець 5, що виконують роль акумулятора теплоти, необхідної для швидкого розпалення апарата після короткочасної зупинки; крім того, ці кільця слугують для уловлювання найбільш крупних частинок платини, що виносяться газом. Конвертор встановлений на верхній частині котла–ути-лізатора. Продуктивність його 48—50 т HNO ₃ за добу.

Для скорочення втрат платини проводять її уловлювання і повернення на виготовлення каталізаторів. Найбільш поширено уловлювання частинок платини фільтруванням нітрозних газів. Для цього використовують різноманітні конструкції механічних фільтрів і що фільтрують матеріали. В основному для набивання фільтрів застосовують безперервне скловолокно. У даний час розроблені і випробувані маси на основі оксиду кальцію, які хімічно зв'язують пари платини. При цьому способі уловлювання сорбент встановлюється безпосередньо у контактному апараті за каталізаторними сітками і працює в умовах процесу окиснення аміаку. Платиноїдний пил вилучають з кислоти і з шламу, періодично збирають з апаратів і газоходів, протираючи їх внутрішню поверхню гігроскопічною ватою, змоченою спиртом.

Поєднання хімічного зв'язування (масою на основі оксиду кальцію) і застосування звичайних механічних фільтрів з насадкою з волокнистих матеріалів дозволяє довести ступінь уловлювання платини до 85—90%.

Контактний апарат, зображений на рис. 6.12, призначений для окиснення аміаку до оксиду азоту (II) під тиском 0,716 МПа.

Він складається з двох частин: верхньої у вигляді усіченого конуса діаметром 2200—1600 мм і нижньої циліндричної частини. Між конусоподібною і циліндровою частинами у спеціальній касеті розташовані 12 платинових каталізаторних сіток. Касета з каталі-заторними сітками встановлена на решітках з концентричних кілець. Під ними на колосникових решітках розміщений шар керамічних кілець, укладених правильними рядами заввишки 200 мм. Цей шар кілець, з одного боку, частково уловлює платину, з другої – стабілізує тепловий режим на каталізаторних сітках.

Аміачноповітряна суміш надходить у контактний апарат збоку, проходить мимо внутрішнього конусу і зверху подається на каталізаторні сітки. Верхній штуцер апарата перекритий запобіжною вибуховою пластиною, яка розривається у разі раптового підвищення тиску усередині конвертора.

З метою зниження втрат платини перспективним є проведення процесу окиснення аміаку на двоступінчастому каталізаторі, в якому першим ступенем слугує платиноїдні сітки, другим – оксиди металів.

На рис. 6.13 наведений загальний вид контактного апарату,

що працює під тиском 0,54 МПа, з двохступінчастим каталізато-ром, в якому перший ступінь окиснення аміаку здійснюється на платиноїдних сітках.

Неплатиновий каталізатор завантажують у каталізаторну корзину, виготовлену з жароміцної сталі. На опорні ребра, приварені до корпусу апарата, укладають литі колосникові решітки з жароміцної сталі.

Рис. 6.13. Контактний апарат з двоступінчатим каталізатором, що працює під тиском 0,54 МПа: 1 – верхній конус; 2 – платинова сітка; 3 – нижній конус: 4 – трубка для відбору проб; 5 – водяна сорочка, 6 – термопара; 7 – неплатиновий ката-лізатор

Поверх решіток розміщують ніхромові сітки, які перекривають усі щілини між корпусом і корзиною, щоб виключити проскакування аміаку і віднесення потоком газу таблеток каталі-затора. Як неплатиновий каталізатор добре зарекомендував себе залізохромовий каталізатор.