Производство азотной кислоты: основное сырье, технологическая схема производства
Сырьём для производства HNO3 являются аммиак, воздух, химически очищенная или обессоленная вода. Так же в производстве азотной кислоты используется природный газ – в качестве восстанавливающего агента для очистки выхлопных газов, или в качестве энергоносителя. Аммиак для производства азотной кислоты очищается от масла, железа, которые являются катализаторными ядами. Воздух и аммиачно-воздушная смесь очищаются от пыли.
На ЗМУ производство азотной кислоты организовано на агрегатах УКЛ-7, мощность каждого агрегата – 14,8 тонн мнг в час, и на агрегатах АК-72, мощность каждого агрегата 47,5 тонн мнг в час.
Стадии процесса получения азотной кислоты одинаковы:
- подготовка газообразного аммиака;
- подготовка сжатого воздуха;
- получение аммиачно-воздушной смеси и окисление аммиака;
- охлаждение полученных нитрозных газов (НГ);
- абсорбция окислов азота из НГ;
- каталитическая очистка хвостовых газов после абсорбционной колонны;
- рекуперация энергии ОХГ (очищенных хвостовых газов).
Отличие схемы в том, что на агрегатах АК-72 процессы окисления аммиака и абсорбции окислов азота протекают под различными давлениями.
Дело в том, что процесс окисления аммиака протекает лучше под низким давлением, а процесс абсорбции – под более высоким (упомянуть принцип Ле Ша Телье).
Реакции окисления аммиака и абсорбции окислов азота следующие:
Окисление аммиака:
4 NH3 + 5 O2 = 4 NO + 6 H2O + 216,7 ккал/г-моль (1) основная реакция, 92,5 %.
4 NH3 + 4 O2 = 2 N2O + 6 H2O + 263,0 ккал/г-моль (2) побочная реакция
4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O + 303,1 ккал/г-моль (3) побочная реакция
Объём при реакции увеличивается, надо вести процесс под меньшим давлением, удалять продукты реакции. Помогать системе.
Абсорбция окислов азота.
2 NO + O2 = 2 NO2 + 29,5 ккал/г-моль (1)
2 NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 + 27,3 ккал/г-моль (2)
3 HNO2 = HNO3 + 2 NO + H2O – 18,13 ккал/г-моль (3)
Объём при рекции уменьшается, процесс надо вести под более высоким давлением.
Так же под более высоким давлением надо вести процесс синтеза аммиака:
N2 + 3H2 = 2 NH3
В реакции синтеза аммиака так же объём уменьшается.
Поэтому для улучшения процессов окисления аммиака и абсорбции окислов азота, на более современных агрегатах АК-72 процессы проводят под различным давлением. Вначале – окисление аммиака под давлением от 2,5 до 3,5 кгс/см2 Окисление аммиака осуществляется на платиновом катализаторе в контактных аппаратах по реакциям (1÷3).
Далее следует охлаждение НГ, которое последовательно осуществляется в котлах - утилизаторах, ряде теплообменников. Отвод сконденсировавшейся при этом азотной кислоты осуществляется на одну из тарелок абсорбционной колонны Затем – сжатие НГ до давления от 8 до 11 кгс/см2, охлаждение НГ после сжатия и абсорбция оксидов азота. Очистка хвостовых газов от оксидов азота осуществляется на агрегатах АК-72 помощи природного газа :
| CH4 | + | 0,5 О2 | = | СО | + | 2 Н2 | + | Q | (1) |
| 2 NO | + | 2 H2 | = | N2 | + | 2 H2O | + | Q | (2) |
| 2 NO2 | + | 4 H2 | = | N2 | + | 4 H2O | + | Q | (3) |
| 2 CO | + | O2 | = | 2 CO2 | + | Q | (4) | ||
| 2 H2 | + | O2 | = | 2 H2O | + | Q | (5) |
Смешение аммиака с воздухом здесь осуществляется в отдельном аппарате – смесителе, чистота которого должна гарантировать невозможность самопроизвольного окисления аммиака на стенках аппарата и трубопровода. Охлаждение НГ осуществляется в котле – утилизаторе и теплообменниках – подогревателях хвостовых газов и холодильниках-конденсаторах. Сконденсировавшаяся в холодильниках-конденсаторах азотная кислота поступает на одну из тарелок абсорбционной колонны.
Абсорбция диоксида азота происходит в колонне очищенной водой, причем степень абсорбции достигает 99%, а содержание оксидов азота в выхлопных газах до 0,11%.
Очисттка хвостовых газов после абсорбционной колонны осуществляется при температуре ~ 260ºС на алюмо-ванадиевом катализаторе путём восстановления водородом. По реакциям:
4 NH3 + 6 NO = 5 N2 + 6 H2O + Q
8 NH3 + 6 NO2 = 7 N2 + 12 H2O + Q
на поверхности алюмованадиевого катализатора так же происходит дожиг непрореагировавшего аммиака по реакции: 4 NH3 + 3 O2 = 2 N2 + 6 H2O + Q