44264

Повышение впитывающей способности гранул аммиачной селитры

Дипломная

Химия и фармакология

Принадлежность к семейству азотных удобрений универсальность применения возможность промышленных объемов производства и поставок отработанная технология производства вот плюсы которые сохраняют непоколебимыми позиции селитры аммиачной на рынке удобрений. Популярность аммиачной селитры объясняется его универсальностью так как это удобрение повсеместно используется в сельском хозяйстве для любых культур и на всех видах почв. Существует проблема связанная с высокой гигроскопичностью аммиачной селитры. Одним из достоинств аммиачной селитры...

Русский

2013-11-11

1.08 MB

88 чел.

PAGE  4

Содержание

Введение

1.  Аналитический обзор и патентный поиск

2.  Выбор и технико-экономическое обоснование проектных решений

3. Стандартизация

4. Технологическая часть

4.1. Теоретические основы процесса

4.2. Характеристика сырья и готового продукта

4.3. Описание технологической схемы

4.4. Расчеты химико-технологических процессов

4.4.1. Расчеты материальных балансов

4.4.2. Расчеты тепловых балансов

4.5. Выбор и расчет основного оборудования

4.6. Аналитический контроль

5. Автоматизация и АСУП

6. Охрана труда и окружающей среды

7. Экономическая оценка принятых проектных решений

Заключение

Список использованных источников информации


Введение

Для возделывания сельскохозяйственных культур используют всего 10% поверхности Земли, и при этом возможности увеличения посевных площадей в мире исчерпаны. Между тем население планеты непрерывно возрастает, и для обеспечения его пищей необходимо значительное повышение урожайности. Одним из важнейших путей для достижения этого является применение минеральных удобрений.

    Почти все минеральные удобрения являются солями, получаемыми из природных минералов, а также из азота воздуха. К ним относятся такие продукты, как суперфосфаты, соли калия, сульфат, нитрат и фосфат аммония и др [1].

Минеральными удобрениями называют соли и другие неорганические

промышленные или ископаемые продукты, содержащие элементы, необходимые для развития растений и улучшения плодородия почвы, используемые с целью получения высоких и устойчивых урожаев. Основную массу удобрений вносят в почву под посевы. Некоторые виды удобрений используют и для некорневого питания растений. В образовании ткани растения, в его росте и развитии участвует большинство химических элементов (около 60). Основными из них, образующими 90% массы сухого вещества растений, являются углерод, кислород и водород; 8–9% растительной массы составляют: азот, фосфор, магний, сера, кальций, калий и железо. На долю остальных элементов приходится всего 1–2%; к ним относятся такие жизненно важные элементы, как бор, железо, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт и др. Основную массу кислорода, углерода и водорода растения получают из воздуха и воды, остальные элементы они извлекает из почвенного раствора.

    Особенно важную роль в минеральном питании растений играет азот; он входит в состав белков, являющихся основой растительной и животной жизни. Белки –главная составная часть протоплазмы и ядра клетки. Азот входит и в состав хлорофилла, с помощью которого растения ассимилируют углерод из находящегося в атмосфере диоксида углерода и солнечную энергию.

Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и свойств почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа. Все элементы в равной

степени необходимы растениям. При полном отсутствии любого элемента в почве растение не может расти и развиваться нормально. Минеральные элементы участвуют в сложных преобразованиях органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза [2].

В почвах обычно имеются все необходимые растению питательные элементы. Но часто отдельных элементов бывает недостаточно для удовлетворительного роста растений. На песчаных почвах растения нередко испытывают недостаток магния, на торфяных почвах – молибдена, на черноземах – марганца и т. д. Недостаток элементов восполняется при помощи удобрений.  Применение минеральных удобрений – один из основных приемов интенсивного земледелия. С помощью удобрений можно резко повысить урожаи любых культур на уже освоенных площадях без дополнительных затрат на обработку новых земель. При помощи минеральных удобрений можно использовать  даже самые бедные, так

называемые бросовые земли.

Важнейшим видом минеральных удобрений являются азотные: аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, водные растворы аммиака и др. Азоту принадлежит исключительно важная роль в жизнедеятельности растений: он входит в состав хлорофилла, являющегося акцептором солнечной энергии, и белка, необходимого для построения живой клетки. Растения могут потреблять только связанный азот - в форме нитратов, солей аммония или амидов. Сравнительно небольшие количества связанного азота образуются из атмосферного за счет деятельности почвенных микроорганизмов. Однако современное интенсивное земледелие уже не может существовать без дополнительного внесения в почву азотных удобрений, полученных в результате промышленного связывания атмосферного азота [1].

Одним из важнейших современных минеральных удобрений является аммиачная селитра. Аммиачная селитра относится к тому виду минеральных удобрений, без которого практически немыслимо современное сельское хозяйство. Принадлежность к семейству азотных удобрений, универсальность применения, возможность промышленных объемов производства и поставок, отработанная технология производства - вот плюсы, которые сохраняют непоколебимыми позиции селитры аммиачной на рынке удобрений. Популярность аммиачной селитры объясняется его универсальностью, так как это удобрение повсеместно используется в сельском хозяйстве для любых культур и на всех видах почв. Как уже упоминалось выше, аммиачная селитра как минеральное удобрение под любые культуры, получила широкое применение в сельском хозяйстве, при этом она применяется как в качестве подкормки, так и в качестве основного предпосевного удобрения. Существует проблема, связанная с высокой гигроскопичностью аммиачной селитры. Гранулы теряют твердость, расползаются при повышении влажности воздуха. Однако, современные технологические разработки позволяют учесть этот нюанс и искоренить его еще на стадии производства. Таким образом, товарный вид и потребительские качества продукция сохраняет от производства до употребления, а при использовании показывает высокую эффективность и все ожидаемые качества и свойства [2].

Одним из достоинств аммиачной селитры традиционно считают то, что почва в полном объеме поглощает аммиачную часть, благодаря быстрой растворимости удобрения. При этом аммиачная селитра обладает более длительным действием по сравнению с нитратной. Дробное внесение аммиачной селитры позволяет снизить потери нитратного азота от вымывания. Успешно применяется в производстве тукосмеси как наиболее оптимальный азотный компонент. В настоящее время на рынке химии наблюдается стабильный рост спроса на аммиачную селитру как на удобрение, и как на  сырье[2].


1.  Аналитический обзор и патентный поиск

Согласно патенту №2018503 Российской Федерации существует способ получения пористой аммиачной селитры из гранулированной аммиачной селитры, обладающей большой начальной механической прочностью. Известны способы получения пористой аммиачной селитры способом нагревания гранулированной сельскохозяйственной аммиачной селитры. Аммиачную селитру, содержащую добавки неорганичеcких солей, при определенной влажности нагревают до температуры выше 32,3ºС.

Известен также способ, согласно которому аммиачную селитру нагревают до температуры свыше 32,3ºС предварительно охлажденных гранул селитры в условиях многократного увлажнения в процессе нагревания.  Эти способы позволяют перерабатывать аммиачную селитру, обладающую небольшой механической прочностью (не более 600 г/гранул). При этом обеспечивается выход процесса 90-95% , получается пористая аммиачная селитра, обладающая небольшой механической прочностью, недостаточной для использования в механических установках, например для изготовления взрывчатых веществ [3].

Из гранулированной аммиачной селитры, обладающей большой механической прочностью (выше 700 г/гранул), методом нагрева до температуры свыше 32,3оС нельзя получить пористую аммиачную селитру, обладающую необходимой впитывающей способностью до 6% жидкой горючей добавки. По известным способам можно получить аммиачную селитру, обладающую впитывающей способностью до 2%. Попытки многократного нагревания вызывают уменьшение выхода процесса до 20-40%. Причем полученная пористая аммиачная селитра обладает низкой механической прочностью.

Из аммиачной селитры с большой механической прочностью можно получить пористую аммиачную селитру, обладающую необходимыми параметрами, если перед нагреванием до температуры свыше 32,3ºС эту селитру подвергнуть охлаждению до температуры -17ºС.

Цель - повышение впитывающей способности гранул аммиачной селитры. Способ согласно изобретению отличается тем, что гранулированную аммиачную селитру с большой механической прочностью подвергают охлаждению до температуры ниже -17ºС, затем произвольным способом нагревают до температуры свыше 32,3ºС.

Полученная таким способом пористая аммиачная селитра обладает впитывающей способностью минимум 6-7% и повышенной механической прочностью. Выход процесса превышает 95% [3].

Пример 1. Гранулированную аммиачную селитру с механической прочностью 800 г/гранул помещают в морозильную камеру и охлаждают до температуры - 18ºС, затем нагревают до 34ºС. Получается пористая аммиачная селитра с прочностью 520 г/гранул, которая обладает 6% впитывающей способностью жидкой горючей добавки при выходе процесса 96%.

Гранулированная аммиачная селитра из той же партии с механической прочностью 800 г/гранул нагревалась до 34ºС, в этом случае она обладала впитывающей способностью 1,5%.

Гранулированная аммиачная селитра из той же партии с механической прочностью 800 г/гранул подвергалась трехкратному нагреванию до 34ºС и охлаждалась до 26ºС, полученная пористая аммиачная селитра обладает впитывающей способностью 6,5% и механической прочностью 160 г/гранул при выходе процесса 36%, т.е. 64% аммиачной селитры подвергалось полному измельчению.

Пример 2. Гранулированную аммиачную селитру с механической прочностью 1400 г/гранул помещают в морозильную камеру и охлаждают до температуры -23ºС, затем нагревают до 35ºС. По данному способу получается пористая аммиачная селитра с прочностью 815 г/гранул и впитывающей способностью 7% при выходе процесса 98%.

Гранулированная аммиачная селитра из той же партии с механической прочностью 1400 г/гранул подвергалась только нагреву до 35ºС, в этом случае она обладала впитывающей способностью 1% [3].

Гранулированная аммиачная селитра из той же партии с механической прочностью 1400 г/гранул подвергалась трехкратному нагреванию до 35ºС, затем охлаждалась до 26ºС. Полученная пористая аммиачная селитра обладает впитывающей способностью 5% и механической прочностью 240 г/гранул при выходе процесса 21%, т.е. 79% аммиачной селитры подвергалось полному измельчению [3].

Согласно патенту №2086506 Российской Федерации существует способ получения аммиачной селитры под давлением. Изобретение относится к получению аммиачной селитры и касается стадии подогрева азотной кислоты [4].

Широко известны способы получения селитры, в которых исходные реагенты, и в частности азотная кислота, подогреваются теплом сокового пара. Они используются в промышленных агрегатах типа АС 72.

Однако основная масса сокового пара в этом агрегате не используется, а направляется на смешение с воздухом, выбрасываемого из гранбашен, что энергетически неэкономично. Кроме того, процесс ведут под атмосферным давлением.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ получения селитры под давлением  путем взаимодействия азотной кислоты и аммиака с предварительным подогревом исходных реагентов, нейтрализацией азотной кислоты с получением сокового пара и раствора селитры. Исходные реагенты подогревают теплом сокового пара. Одной из причин такого использования является то, что это тепло тяжело применить для других целей, а появившийся при этом конденсат сокового пара требует утилизации, которая проходит, как правило, с помощью биохимии, а это опять дополнительные затраты [4].

В основу изобретения поставлена задача исключить подогрев исходных реагентов в частности азотной кислоты теплом сокового пара и тем самым исключить саму возможность образования его конденсата, и в то же время использовать для этих целей бросовое тепло.

Для решения этой задачи предлагается интегрировать два близких производства это производство азотной кислоты и производство селитры. При этом в способе получения аммиачной селитры путем взаимодействия азотной кислоты и аммиака с предварительным подогревом исходных реагентов нагрев ведут теплом нитрозного газа с температурой 120 300ºC. Это бросовое тепло, так как на многих агрегатах производства кислоты нитрозный газ с такой температурой поступает в холодильники конденсаторы, где охлаждается до температур 60ºC перед его поступлением в абсорбционную колонну, затрачивая при этом энергию холода оборотной воды. Использование этого бросового тепла нитрозных газов позволит не только отказаться от использования тепла сокового пара, а дополнительно уменьшить потребление оборотной воды в производстве азотной кислоты.

Авторами проведены исследования, показывающие, что при нагреве азотной кислоты нитрозным газом на массообменных тарелках происходит не только нагрев, но и отдувка окислов азота, получаемых при нагреве кислоты, что способствует снижению возможности получения нитрита аммония при нейтрализации кислоты аммиаком. Нагрев аммиака в теплообменной аппаратуре проблем не вызывает.

Пример 1. Нитрозный газ после окислителя с температурой 300ºC производства азотной кислоты под давлением 0,716 МПа поступает в продувочную колонну, где нагревает азотную кислоту до 115ºC и в нагреватель аммиака, где нагревает его до 220ºC. Нагретые исходные реагенты поступают в нейтрализатор, где под давлением 0,5 МПа и при температуре 210ºC происходит нейтрализация в течение 1 с. Полученный 82% раствор селитры и соковый пар поступают на дальнейшую переработку. Охлажденный нитрозный газ поступает непосредственно под средние тарелки абсорбционной колонны производства кислоты.

Пример 2. Нитрозный газ после подогревателя химочищенной воды с температурой 250ºC под давлением 1,1 МПа поступает в продувочную колонну, где нагревает азотную кислоту до 140ºC, которая поступает в нейтрализатор, куда одновременно подается без нагрева сетевой аммиак с температурой 160ºC. Реакция нейтрализации происходит под давлением 1,05 МПа при температуре 230ºC. Полученный 78% раствор селитры и соковый пар поступают на дальнейшую переработку.

Пример 3. Нитрозный газ после экономайзера с температурой 200ºC под давлением 0,45 МПа поступает в продувочную колонну, где нагревает азотную кислоту до температуры 100ºC, а отдутые окислы азота поступают на всасывание нитрозного нагнетателя. Нагретая кислота поступает в нейтрализатор, куда подают сетевой аммиак с температурой 120ºC. Реакция нейтрализации происходит при давлении 0,45 МПа и температуре 190ºC. Полученный соковый пар подается в линию нитрозного газа перед газовым промывателем откуда он вместе с потоками азотной кислоты поступает в абсорбционную колонну. 85% раствор селитры поступает на дальнейшую выпарку [4].

Патент №2143414 Российской Федерации представляет способ получения неслеживающейся аммиачной селитры. Изобретение относится к технологии производства аммиачной селитры с магнезиальной добавкой. Способ включает введение в плав аммиачной селитры магнезиальной добавки, полученной разложением магнийсодержащего сырья азотной кислотой, нейтрализацию полученной смеси, упаривание и грануляцию, при этом магнезиальную добавку обрабатывают реагентом, содержащим фосфорную кислоту и/или ее соли до массового отношения P2O5/Fe в растворе магнезиальной добавки 1,6-3,5, а в качестве реагента используют раствор после выделения кальция из азотно-кислой вытяжки природных фосфатов. Способ позволяет повысить прочность гранул аммиачной селитры на 10-18% и применять в качестве магнезиальной добавки растворы нитрата магния с повышенным содержанием примесей, в частности железа, с сохранением качества готового продукта [5].

Предлагаемый способ относится к технологии получения аммиачной селитры и может найти применение в производстве неслеживающейся аммиачной селитры с магнезиальной добавкой.

Известен способ получения неслеживающейся аммиачной селитры, по которому в плав аммиачной селитры вводят магнезиальную добавку в виде раствора нитрата магния, полученного разложением каустического магнезита азотной кислотой, обработкой полученного раствора избытком каустического магнезита и отделением осадка, смесь нейтрализуют аммиаком, упаривают, гранулируют. Недостатки способа - повышенный расход каустического магнезита и низкая фильтруемость осадка из-за образования тонкодисперсной гидроокиси железа, выпадающей в осадок при обработке раствора избытком каустического магнезита.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ получения неслеживающейся аммиачной селитры, заключающийся в том, что в плав аммиачной селитры вводят магнезиальную добавку в виде раствора нитрата магния, полученного разложением каустического магнезита азотной кислотой и отделением осадка, смесь нейтрализуют аммиаком, упаривают, гранулируют [5].

Известный способ характеризуется относительно невысокой прочностью гранул и зависимостью качества аммиачной селитры от содержания примесей в каустическом магнезите, что ограничивает сырьевую базу для приготовления магнезиальной добавки.

Целью предлагаемого способа является повышение качества аммиачной селитры.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу получения неслеживающейся аммиачной селитры путем введения в плав магнезиальной добавки в виде раствора нитрата магния, полученного разложением каустического магнезита азотной кислотой, нейтрализации полученной смеси, ее упаривания и грануляции, магнезиальную добавку обрабатывают реагентом, содержащим фосфорную кислоту и (или) ее соли.

Отличием предлагаемого способа является обработка раствора нитрата магния реагентом, содержащим фосфорную кислоту и (или) ее соли.

При этом обработку ведут до массового отношения P2O5/Fe в растворе нитрата магния 1,6-3,5. В качестве реагента, содержащего фосфорную кислоту и (или) ее соли используют маточные растворы после выделения кальция из азотной вытяжки природных фосфоритов. Указанные отличия позволяют повысить прочность гранул аммиачной селитры на 10-18% и применять в качестве магнезиальной добавки растворы нитрата магния с повышенным содержанием примесей, в частности железа, с сохранением качества и товарного вида аммиачной селитры, за счет исключения образования гидроокиси железа и образования фосфатов железа при смешении магнезиальной добавки с плавом селитры и нейтрализации смеси [5].

Конверсионный плав аммиачной селитры из цеха производства азофоски, содержащий 91-92% нитрата аммония, подают в донейтрализатор, в который одновременно дозируют раствор нитрата магния и аммиак, регулируют pH смеси в пределах 6,4-6,7, смесь направляют в контрольный донейтрализатор и затем в выпарной аппарат. Упаренный высококонцентрированный плав (99,6-99,7% нитрата аммония) донейтрализуют аммиаком в гидрозатворе и подают в напорный бак грануляторов. Полученные гранулы охлаждают в трехсекционном аппарате "кипящего слоя" затаривают. Раствор нитрата магния, полученный разложением каустического магнезита азотной кислотой, подают в буферную емкость и обрабатывают расчетным количеством фосфорсодержащего реагента до получения заданного массового отношения P2O5/Fe и дозируют в донейтрализатор.

Пример 1. (прототип) Магнезиальную добавку, состава, г/л: MgO-104,5, Fe-0,35 дозируют в плав аммиачной селитры в количестве 32 л на 1 т плава, содержащего 91,4% нитрата аммония, и по вышеописанной схеме при нагрузке по готовому продукту 38 т/час и температуре гранул аммиачной селитры после охлаждения 25-26ºC получают продукт состава,%: N - 34,5, MgO - 0,36, влага - 0,38. (Влагу во всех опытах определяли по методу Фишера). Средняя прочность гранул составляет 1,12 кг/гранулу. Гранулы имеют светло-бежевый цвет, отмечено пыление продукта.

Пример 2. Магнезиальную добавку, состава, г/л: MgO - 111,0, Fe-0,96 обрабатывают 80%-ной фосфорной кислотой в количестве 2,22 л на 1 м3 и получают магнезиальную добавку с массовым отношением P2O5/Fe-2,2. Полученную добавку дозируют в плав аммиачной селитры в количестве 30 л на 1 т плава, содержащего 91,6% нитрата аммония, и при нагрузке по готовому продукту 56 т/час и температуре 42-43ºC получают продукт состава, %: N - 34,5, MgO - 0,36, влага - 0,36. Средняя прочность гранул составляет 1,25 кг/гранулу. Цвет гранул - белый, пыление отсутствует.

Пример 3. Берут 1 м3 раствора азотнокислого разложения апатита после выделения из него нитрата кальция методом вымораживания (промежуточный продукт в технологии получения азофоски), содержащего 5,4% твердой фазы, отделяют осадок отстаиванием в течение 4-х часов, получают 820 л осветленного раствора состава, %: Р2О5 - 19,2 (293,7 г/л), N общ. - 6,4, Ca - 3,1. Сгущенную часть в количестве 180 л возвращают в процесс производства азофоски.

Магнезиальную добавку, состава, г/л: MgO - 111,0, Fe - 0,96, объемом 109 м3 обрабатывают 820 л фосфорсодержащего раствора из расчета 7,52 л на 1 м3 раствора нитрата магния, получают 109,8 м3 раствора магнезиальной добавки с массовым отношением Р2О5 /Fe = 2,3[5].

Обработанную фосфорсодержащим реагентом магнезиальную добавку дозируют в плав в количестве 30 л на 1 т плава, содержащего 91,6% нитрата аммония. Далее процесс осуществляют по вышеописанной схеме. При переработке всего объема магнезиальной добавки при нагрузке по готовому продукту 52 т/час и температуре гранул 42ºC получают 2870 т аммиачной селитры состава, %: М - 34,5, MgO - 0,36, влага - 0,39, средняя прочность гранул составляет 1,3 кг/гранулу, цвет гранул белый, пыление при охлаждении гранул селитры отсутствует.

По сравнению со способом-прототипом предлагаемый способ позволяет повысить прочность гранул аммиачной селитры с 1,1 до 1,3 кг/гранулу, снизить запыленность в цехе и обеспечить белый цвет продукта независимо от содержания железа в растворе магнезиальной добавки, что, по-видимому, объясняется положительным влиянием на структурообразование гранул аммиачной селитры фосфатов железа, образующихся при обработке магнезиальной добавки фосфорной кислотой или ее солями. Положительное влияние фосфатов железа проявляется уже при массовом отношении Р2О5 /Fe = 1,6 в растворе магнезиальной добавки. Увеличение соотношения Р2О5 /Fe более 3,5 нецелесообразно, так как не ведет к дальнейшему повышению прочности гранул[5].


2.  Выбор и технико-экономическое обоснование проектных решений

Аммиачная селитра – универсальное однокомпонентное азотное удобрение, из которого азот как питательное вещество легко усваивается растениями, особенно из ее нитратной части. Очень хорошо растворяется в воде, при температуре ~ 100ºС в 1 литре воды растворяется больше 10 кг аммиачной селитры. Аммиачная селитра относится к удобрениям с высокой степенью поглощения влаги из атмосферного воздуха (гигроскопичность) и, как следствие, с высокой слеживаемостью[6].

При высокой влажности атмосферного воздуха селитра быстро поглощает влагу из воздуха, при этом гранулы селитры расплываются и теряют кристаллическую форму.

Согласно патенту [5], рассмотренному выше, целью снижения гигроскопичности аммиачной селитры применяются различные кондиционирующие добавки, которые вводятся в раствор аммиачной селитры, кроме того гранулы аммиачной селитры обрабатывают поверхностно–активными веществами (ПАВ).

Кондиционирующие добавки в виде фосфатной или сульфатной добавки повышают качество готового продукта, но отложения фосфатных или сульфатных солей во внутренней поверхности теплообменного оборудования, в т.ч. выпарных, доупарочных аппаратов приводят к образованию накипи в трубках аппаратов. Это приводит к нарушению теплообмена и снижению эффективности работы аппаратов.

Среднесуточная мощность установок по производству аммиачной селитры с фосфатной или с сульфатной добавкой по этой причине, как правило, составляет 1000 – 1800 тонн.

Наиболее эффективной из кондиционирующих добавок, которая позволяет увеличивать мощность установки 1800 т/сутки, и которая положительно влияет на прочность гранул аммиачной селитры, является добавка MgO [6].

Поскольку растворы, содержащие MgO, в промышленности в чистом виде не выпускаются, приходится использовать сухие магнезитовые порошки для приготовления на их основе раствора нитрата магния (массовое содержание HNO3=30-40%).

Добавка нитрата магния положительно влияет на качество готового продукта, прочность гранул аммиачной селитры увеличивается с 0,7 до 1,0 кг/гранулу, содержание MgO в готовом продукте при этом составляет 0,3 – 0,45%.

Наряду с положительными качествами ПМК как сырья для приготовления раствора нитрата магния есть и отрицательное – содержание в его составе сульфатов (SO4), которые в процессе разложения ПМК в азотной кислоте не вступают в реакцию и остаются в растворе нитрата магния в виде нерастворимых сульфатных солей.

В процессе эксплуатации оборудования, сульфатные соли, вводимые раствором нитрата магния в раствор аммиачной селитры отлагаются на внутренней поверхности трубок теплообменного оборудования (выпарные и доупарочные аппараты) в виде накипи. Постепенно толщина этого слоя увеличивается, что приводит к снижению эффективности работы аппаратов и расстройству нормального технологического режима [6].

Производительность установки резко снижается, потребление пара увеличивается с 0,32 Гкал/т(норма) до 0,42 Гкал/т. Образование некондиционного продукта и его переработка в стандартный продукт требует дополнительного потребления тепловых и энергетический ресурсов. Все это в конечном итоге приводит к потере выработки, срыву выполнения производственной программы и росту себестоимости готового продукта. С целью восстановления эффективной работы аппаратов и стабилизации режима периодически выпарные, доупарочные аппараты поочередно  выводятся из эксплуатации для проведения химической промывки внутренней поверхности трубок аппаратов слабым (20-25%) раствором азотной кислоты.

Химическая промывка проводится в течение 8-32 часов в зависимости от степени засоряемости трубок аппаратов. Частота проведения хим. промывки аппаратов зависит от содержания сульфатов в ПМК, при содержании от 1,0 до 2,0% SO4 - по два раза в месяц каждый аппарат, при содержании SO4 более 2% - до трех и более раз каждый аппарат в месяц. Вывод на химическую промывку одного из трех доупарочных аппаратов приводит к снижению суточной производительности цеха на 30%, это в свою очередь приводит к перерасходу тепловых энергетических ресурсов и как следствие к росту себестоимости готовой продукции.

В начале 2000-х годов ОАО «Невинномысский Азот» с целью стабилизации работы оборудования в качестве альтернативы ПМК был опробован, и после проведения промышленных испытаний принят к использованию в качестве сырья для приготовления раствора нитрата магния Брусит, с содержание MgO более 61%. Процесс приготовления раствора нитрата магния из брусита аналогичен ПМК [6].

Применение брусита в качестве сырья для приготовления раствора нитрата магния требует предварительного дробления (измельчения) до крупности 300-500 мкм.

Были попытки производить дробление брусита до требуемых фракций на различных предприятиях России, имеющих мощности по измельчению минерального сырья. Однако, по причине долгих сроков поставки и загрязнения посторонними примесями от продуктов основного производства (содержание посторонних примесей в брусите снижает качество приготовленного раствора нитрата магния и отрицательно влияет на качество готовой продукции) не имели положительных результатов.

Ситуация изменилась, когда ООО «Русское горно - химическое общество» начало регулярные поставки брусита на ОАО «Невинномысский Азот». Поставляемый брусит полностью соответствует требованиям ТУ и показателям, предъявляемым потребителями, как по качеству, так и по количеству.

Хотя и в брусите содержание MgO ниже чем в ПМК, положительным в брусите является отсутствие в нем содержания сульфатов. Так, например в брусите содержание сульфатов (SO4) не превышает 0,01%. Многолетний опыт использования брусита показал, что его использование в качестве сырья для приготовления раствора нитрата магния позволило стабилизировать работы выпарных, доупарочных аппаратов и практически исключить вывод аппаратов на химическую промывку.

Аммиачная селитра, полученная с использованием брусита имеет белый цвет, использование ПМК аммиачной селитре дает слегка розоватый, кремовый оттенок.

Степень извлечения MgO из брусита на ~5% меньше чем из ПМК, это объясняется разными показателями по массовому содержанию основного вещества (MgO) в исходном сырье.

Расход брусита (порошка) на 1 т аммиачной селитры при этом составит:

(3,5кг х 100):50% = 7,0 кг/т,

где 3,5 кг – среднее содержание MgO в готовом продукте.

Расход ПМК на 1 тн аммиачной селитры составляет:

(3,5 х 100) : 54 = 6,5 кг/т.

Таким образом, на производство 1 т аммиачной селитры расходуется на ~0,5 кг брусита больше, чем ПМК. Содержание в готовом продукте около 0,35% (3,5кг) MgO увеличивает прочность гранул аммиачной селитры с 0,7 до ~ 0,85 кг/гранулу, увеличение содержания MgO в готовом продукте до 0,5% (5,0кг/т) увеличивает прочность гранул до 1,5 кг/гранулу. При этом дополнительную обработку гранул селитры ПАВ можно не производить, если это не требуется по условиям контрактов с потребителями, особенно с зарубежными [6].

Увеличение содержания MgO в готовом продукте соответственно приведет к увеличению и расхода брусита, что повлияет незначительно на рост себестоимости готового продукта. Однако, если не производить поверхностную обработку гранул дорогостоящими импортными антислеживателями (ПАВ) себестоимость продукта не только не увеличится, а наоборот значительно снизится [6].

Таким образом, можно сделать следующие выводы: молотый брусит по сравнению с ПМК имеет следующие преимущества:

1) отсутствие в составе брусита сульфатов, которые не подлежат разложению в процессе приготовления раствора нитрата магния и приводят к забивке внутренней поверхности теплообменного оборудования;

2) использование брусита позволяет избежать потерь азотной кислоты на приготовление раствора для химической промывки оборудования и значительно повышает коэффициент использования технологического оборудования;

3) использование брусита при производстве аммиачной селитры не приводит к перерасходу по потреблению тепловых и энергетических ресурсов;

4) исключение проведения хим. промывки оборудования раствором азотной кислоты сокращает выбросы NO в атмосферу и водоем;

5) территориальное расположение поставщика брусита (Русское горно- химическое общество, г. Вязьма Смоленская область), которое позволяет в кратчайшие сроки поставить сырье потребителю с наименьшими расходами потребителя на ее транспортировку [6].


3. Стандартизация

Использование нормативно-технической документации позволяет выпускать продукцию требуемого качества, правильно произвести монтаж, наладку и пуск оборудования.

Для сырья, материалов, полупродуктов и оборудованию существуют следующие нормативные документы:

ГОСТ 6221-90 Аммиак жидкий;

ГОСТ 1216-87 Порошок магнезитовый каустический ПМК-83;

ОСТ 113-03-270-90 Кислота азотная неконцентрированная (из производства слабой азотной кислоты);

ОСТ 108.034.02-79 Вода химически очищенная (из цеха химводоподготовки);

ГОСТ 12.2.003-74 Оборудование производственное. Общие требования безопасности;

ОСТ 26-291-79 Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования;

ГОСТ 9931-69. Сосуды и аппараты цилиндрические стальные сварные. Типы и основные размеры.

ГОСТ 9493-73. Сосуды и аппараты. Ряд давлений.

ГОСТ 9617-76. Сосуды и аппараты. Ряд диаметров.

ГОСТ 13372-67. Сосуды и аппараты. Ряд емкостей.

ГОСТ 10168-75. Насосы центробежные для химических производств. Типы и основные параметры.

ГОСТ 2.788-74–ГОСТ 2.792.-74 Обозначения условные графические.


4.  Технологическая часть

4.1. Теоретические основы процесса

Аммиачная селитра, или нитрат аммония, NН43 — кристаллическое вещество белого цвета, содержащее 35% азота в аммонийной и нитратной формах, обе формы азота легко усваиваются растениями. Гранулированную аммиачную селитру применяют в больших масштабах перед посевом и для всех видов подкормок. В меньших масштабах ее используют для производства взрывчатых веществ [1].

Аммиачная селитра хорошо растворяется в воде и обладает большой гигроскопичностью (способностью поглощать влагу из воздуха). Это является причиной того, что гранулы удобрения расплываются, теряют свою кристаллическую форму, происходит слеживание удобрений- сыпучий материал превращается в твердую монолитную массу.

В основе процесса производства аммиачной селитры лежит гетерогенная реакция взаимодействия газообразного аммиака с раствором азотной кислоты:

NH3+HNO3=NH4NO3

ΔH=-144,9 кДж (1)

Химическая реакция протекает с большой скоростью; в промышленном реакторе она лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного торможения большое значение имеет перемешивание реагентов.

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 [7].

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 NН43.

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 10ºС 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 [7].

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 [2].

Интенсивные условия проведения процесса в значительной мере могут быть обеспечены при разработке конструкции аппарата. Реакцию (1) проводят в непрерывно действующем аппарате ИТН (использование теплоты нейтрализации) Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, состоящий из реакционной и сепарационной зон. В реакционной зоне имеется стакан, в нижней части которого расположены отверстия для циркуляции раствора. Несколько выше отверстий внутри стакана размещен барботер  для подачи газообразного аммиака, над ним - барботер для подачи азотной кислоты. Реакционная парожидкостная смесь выходит из верхней части реакционного стакана; часть раствора выводится 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 растворoм селитры, а затем конденсатом сокового пара.

Теплота реакции (1) используется для частичного испарения воды из реакционной смеси. Разница в температурах в разных частях аппарата приводит к более интенсивной циркуляции реакционной смеси.

Аммиачная селитра в зависимости от температуры существует в пяти кристаллических модификациях, термодинамически устойчивых при атмосферном давлении.  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 — энантиотропными.

Таблица 4.1.1

Кристаллические модификации аммиачной селитры.

Модификации

Форма  кристаллов

Температура устойчивости кристаллической модификации, оС

I

Кубическая

169,6 - 125,2

II

Тетрагональная

125,2 - 84,2

III

Ромбическая или моноклинная

84,2 - 32,3

IV

Ромбическая бипирамидальная

32,3 - (-16,9)

V

Тетрагональная

ниже (-16,9)

Система NH4NO3H2O  относится к системам с простой эвтектикой. Эвтектической точке соответствует концентрация 42,4% NH4NO3 и температура —16,9 °С. Левая ветвь диаграммы—линия ликвидуса воды отвечает условиям выделения льда в системе NH4NO3H2O . Правая ветвь кривой ликвидуса — кривая растворимости NH4NO3  в воде. Эта кривая имеет три точки перелома, соответствующие температурам модификационных переходов NH4NO3 : 1.=125,8 °С, 2.=84,2 °С и 3.=32,2°С. Температура плавления (кристаллизации) безводной аммиачной селитры равна 169,6 °С. Она понижается с увеличением влагосодержания соли [1].

Рисунок 4.1.1. Диаграмма состояния системы NH4NO3H2O

Зависимость температуры кристаллизации NH4NO3 (tкрист, ºC) от содержания влаги (X, %) до 1,5% описывается уравнением:

tкрист = 169,6— 13,2x

Зависимость температуры кристаллизации аммиачной селитры с добавкой сульфата аммония от содержания влаги (X, %) до 1,5% и сульфата аммония (У, %) до 3,0% выражается уравнением:

tкрист [NH4NO3+(NH4)2S04]= 169,6— 13,2Х+2,ОУ

Аммиачная селитра хорошо растворима в воде, этиловом и метиловом спиртах, пиридине, ацетоне, жидком аммиак .

Аммиачная селитра представляет собой окислитель, способный поддерживать горение. При нагревании ее в замкнутом пространстве, когда продукты терморазложения не могут свободно удаляться, селитра может при некоторых условиях взрываться (детонировать). Она может взрываться также под воздействием сильных ударов, например при инициировании взрывчатыми веществами [7].

В начальный период нагревания при 110°С постепенно происходит эндотермическая диссоциация селитры на аммиак и азотную кислоту:

NH4NO3——> NH3 + НNО3 — 174,4 кДж/моль.

При 165 °С потеря массы не превосходит 6%/сут. Скорость диссоциации зависит не только от температуры, но и от соотношения между поверхностью селитры и ее объемом, содержания примесей и др.

Аммиак менее растворим в расплаве, чем азотная кислота, поэтому удаляется быстрее; концентрация азотной кислоты увеличивается до равновесного значения, определяемого температурой. Наличие в расплаве азотной кислоты обусловливает автокаталитический характер терморазложения.

В интервале температур 200-270°С протекает в основном слабоэкзотермическая реакция разложения селитры на закись азота и воду:

NH4NO3——>N2O+ 2H20+36,8 кДж/моль.

Заметное влияние на скорость терморазложения оказывает диоксид азота, который образуется при термическом разложении азотной кислоты, являющейся продуктом диссоциации аммиачной селитры.

При взаимодействии диоксида азота с селитрой образуются азотная кислота, вода и азот:

NH4NO3+ 2NO2 ——> N2 + 2НNО3 + Н2О + 232 кДж/моль

Тепловой эффект этой реакции более чем в 6 раз превышает тепловой эффект реакции разложения селитры на N20 и Н20. Таким образом, в закисленной селитре даже при обычных температурах вследствие значительной экзотермической реакции взаимодействия с диоксидом азота происходит самопроизвольное терморазложение, которое при большой массе аммиачной селитры может привести к ее бурному разложению.

При нагревании селитры в замкнутой системе при 210—220 °С происходит накопление аммиака, концентрация азотной кислоты снижается, поэтому происходит сильное торможение реакции разложения. Процесс терморазложения практически прекращается, несмотря на то что большая часть соли еще не разложилась. При более высоких температурах аммиак окисляется быстрее, в системе накапливается азотная кислота и реакция протекает со значительным самоускорением, что может привести к взрыву [2].

Добавка к аммиачной селитре веществ, которые могут разлагаться с выделением аммиака (например, карбамид и ацетамид), тормозит терморазложение. Соли с катионами серебра или таллия значительно увеличивают скорость реакции вследствие образования комплексов с ионами нитрата в расплаве. Ионы хлора оказывают сильное каталитическое действие на процесс терморазложения. При нагревании смеси, содержащей хлорид и аммиачную селитру, до 220—230 °С начинается очень бурное разложение с выделением больших количеств газа. За счет теплоты реакции сильно повышается температура смеси, и разложение заканчивается в течение короткого времени.

Таблица 4.1.2

Растворимость аммиачной селитры в воде

в зависимости от температуры

Температура, С

Массовая доля Н4О3

%

Твёрдая фаза (модифика-ция).

Температу-ра, С

Массовая доля  Н4О3,

%

Твёрдая фаза (модифика- ция)

0

0

Лёд

70,0

83,6

III

-5,0

13,0

-----

75,0

85,0

III

-10,0

25,6

------

80,0

86,3

III

-15,0

38,3

------

84,2

87,4

III+II

-16,9

42,2

Лёд + Н4О3

85,0

87,6

II

-15,0

43,1

IV

90,0

88,8

II

-10,0

47,1

IV

95,0

90,0

II

-5,0

50,8

IV

100,0

91,1

II

0

54,3

IV

105,0

92,2

II

5,0

57,4

IV

110,0

93,2

II

10,0

60,3

IV

115,0

94,2

II

15,0

63,0

IV

120,0

95,0

II

20,0

65,5

IV

125,2

95,7

II

25,0

68,0

IV

125,2

95,8

II+I

30,0

70,2

IV

130,0

96,4

I

32,0

71,1

IV+III

135,0

97,1

I

35,0

72,2

III

140,0

97,5

I

40,0

74,1

III

145,0

97,9

I

45,0

75,9

III

150,0

98,3

I

50,0

77,6

III

155,0

98,8

I

55,0

79,2

III

160,0

99,2

I

60,0

80,8

III

165,0

99,6

I

65,0

82,2

III

169,6

100,0

I

Аммиачная селитра отличается высокой гигроскопичностью, что является одной из причин её слёживаемости. Степень поглощения влаги солью зависит от влажности воздуха и давления паров над насыщенным раствором данной соли при данной температуре. Между воздухом и аммиачной селитрой происходит почти постоянный влагообмен, на который решающее влияние оказывает относительная влажность воздуха. Аммиачная селитра, как и другие гигроскопичные вещества, поглощают влагу из воздуха, когда давление водяных паров в нём больше давления паров над насыщенным раствором соли при данной температуре. Если давление водяных паров в воздухе ниже давления их над насыщенным раствором селитры при данной температуре, то она будет высыхать [8].

Относительная влажность воздуха, при которой вещество не увлажняется и не подсыхает, называется гигроскопической точкой. Гигроскопические точки аммиачной селитры при различных температурах имеют следующие значения:

Гигроскопическая точка, %     75,3   69,8   66,9   62,7   59,4    52,5    48,4

Температура, С                          10      15      20      25       30        40       50

Добавление в плав аммиачной селитры растворимых неорганических солей, как правило, понижает гигроскопическую точку по сравнению с чистой солью, в результате чего скорость поглощения влаги из воздуха увеличивается.

Упаковка гранул аммиачной селитры в плотную, хорошо герметизированную тару предохраняет продукт от воздействия атмосферной влаги.

Обладая большой гигроскопичностью, чистая аммиачная селитра способна слёживаться при хранении вследствие значительного изменения её растворимости и модификационных превращений при температурных перепадах.

Большое влияние на снижение слёживаемости аммиачной селитры имеет уменьшение влажности её плава до 0,3% и ниже. В гранулах аммиачной селитры всегда содержится влага в виде насыщенного (маточного) раствора. Содержание селитры в таком растворе соответствует растворимости соли при температурах её загрузки в тару. Во время остывания готового продукта маточный раствор переходит в пересыщенное состояние и из него начинают выделяться мелкие кристаллы, количество которых зависит от влажности и температуры соли [8].

Чем ниже влажность готового продукта и ниже его температура при упаковке в тару,  тем меньше выделится кристаллов, тем меньше будет слёживаться соль.

Наиболее прочные гранулы получаются, если при охлаждении амселитры модификационные превращения протекают с объемными минимальными и структурными изменениями: когда модификация II превращается непосредственно в модификацию IV вместо превращений II III  IV. Такой характер превращений для чистой аммиачной селитры возможен при содержании влаги меньше 0,1 %.

Введение добавок неорганических солей расширяет предел содержания влаги, при котором в процессе охлаждения не образуется модификации .

Нитрат магния, вводимый в качестве добавки в растворы аммиачной селитры, в процессе кристаллизации плава связывают оставшуюся в гранулах влагу в химические соединения.

В результате получается селитра, обладающая хорошими физико-химическими свойствами. Полиморфное превращение при 32 С    V в такой амселитре отсутствует и заменяется метастабильным превращением   V,  поэтому при хранении на складах гранулы не претерпевают существенных объёмных изменений и не разрушаются [8].


4.2. Характеристика сырья и готового продукта

Таблица 4.2.1

Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов [8]

№№

п/п

Наименование сырья, материалов, полупродуктов

Государственный или отраслевой стандарт, СТП, технические условия, регламент или методика на подготовку сырья

Показатели по стандарту, обязательные для проверки

Регламентируемые показатели

1.

Порошок магнезитовый каустический ПМК-83

ГОСТ 1216-87

Массовая доля:

окиси магния (MgO)

окиси кальция (СаО)

двуокиси кремния (SiO2)

Не менее 83 %

Не более 2,5 %

Не более 2,5 %

2.

Аммиак газообразный (из заводской сети)

ГОСТ 6221-90

Аммиак жидкий

технический

Массовая доля аммиака (NH3)

Массовая концентрация масла

Массовая концентрация железа

Массовая доля воды

Не менее 99,6 %

Не более 8 мг/дм3

Не более 2 мг/дм3

0,2-0,4 %

3.

Кислота азотная неконцентрированная (из производства слабой азотной кислоты).

ОСТ 113-03-270-90

Массовая доля азотной кислоты (HNO3)

Массовая доля оксидов азота в пересчете на N2O4

Не менее 57 %

Не более 0,07 %

Сорт высший.

МВИ №30

ГИАП М 1990г.

Массовая концентрация хлоридов в пересчете на хлорид-ионы

5-100 мг/кг

4.

Магнезиальная добавка (раствор нитрата магния)

Настоящий регламент

Массовая концентрация:

нитрата магния Mg(NO3)2

в пересчете на MgO

свободной азотной

кислоты

25-50 г/дм3

120-140 г/дм3

5.

Пар перегретый водяной (из заводской сети):

Регламент парокотельного цеха и производства слабой азотной кислоты

в основную технологию

Давление

Температура

1,5-1,6 МПа(15-16 кгс/см2)

220-250 0С

на установку упаривания слабых растворов

Давление

Температура

0,8-1,2 МПа(8-12 кгс/см2)

180-230 0С

пар насыщенный после пароувлажнителя

Давление

Температура

1,2-1,4 МПа(12-14 кгс/см2)

191-197 0С

6.

Электроэнергия с подстанции

Ток переменный трехфазовый

380/220 В


Технологическое наименование продукта – гранулированная аммиачная селитра (нитрат аммония, азотнокислый аммоний), химическая формула - NH4NO3. Получаемый в агрегате ПСМУ готовый продукт должен соответствовать следующим техническим требованиям (ГОСТ 2-85) [8].

Таблица 4.2.2

Характеристика готового продукта

Наименование

показателя

Норма для марки Б

высший сорт

первый сорт

второй

сорт

1

2

3

4

Внешний вид

Гранулированный продукт без посторонних примесей

Суммарная массовая доля нитратного и аммонийного азота в пересчете:

- на NH4NO3 в сухом веществе, %, не менее

- на азот в сухом веществе, %, не менее

Не нормируется

34,4

34,4

34,0

Массовая доля добавок в пересчете на сухое вещество:

- нитратов кальция и магния в пересчете на CaO, %

0,2-0,5

0,2-0,5

не опред.

- сульфата аммония, %

0,3-0,7

0,3-0,7

не опред.

- сульфата аммония в сумме с фосфатом, %

0,4-0,6

0,4-0,6

не опред.

рН 10%-ного водного раствора, не менее

с сульфатно-фосфатной добавкой

5,0

4,0

5,0

4,0

5,0

4,0

Гранулометрический состав, в  том числе:

гранул размером от 1 до 4мм, %, не менее;

гранул размером от 2 до  4 мм, %, не менее;

массовая доля гранул размером менее 1мм, %, не более;

массовая доля гранул размером более 6 мм, %

95

80

3

0,0

95

50

3

0,0

95

не норм.

4

0,0

Рассыпчатость, %, не менее

100

100

100


4.3. Описание технологической схемы

Получение раствора нитрата магния (магнезиальной добавки)

Приготовление раствора нитрата магния осуществляется взаимодействием каустического магнезита с азотной кислотой по реакции:

МgO+2НО3=Мg (О3)22О+Q ккал.,

которая протекает с выделением большого количества тепла. Приготовление магнезиальной добавки производится в реакторах периодического действия. Осветление раствора от неразложившегося магнезита осуществляется методом отстоя.

      Конденсат сокового пара из хранилища подаётся в реактор, затем туда же подаётся азотная кислота НО3 (н/м 57%) со склада азотной кислоты до получения разбавленной кислоты с массовой долей НО3 36%.

     Порошок каустического магнезита из силоса через шлюзовой питатель пневмоструйным насосом подаётся в реактор.

     Для лучшего контактирования подаваемых реагентов в реактор через барботажное  устройство подаётся технологический воздух давлением 0,1 МПа.

     Реакция взаимодействия магнезита с азотной кислотой с массовой долей 36% проводится в течение 3-5 часов до полного разложения магнезита и с помощью дозирования порошка магнезита массовая концентрация нитрата магния (MgNO3)2 в пересчете на МgО в растворе доводится до 120-140 г/дм3, при этом массовая концентрация азотной кислоты в растворе должна быть 25-50г/дм3 [8].

     Массовые концентрации магнезита и кислоты контролируются лабораторным анализом.

Процесс ведётся под атмосферным давлением при температуре не более 80С. Температура процесса регулируется скоростью подачи магнезита в реактор.

     Для снятия тепла реакции нижняя часть реактора оборудована внутренним змеевиком, по которому (при необходимости) подаётся оборотная вода.

     Для улавливания пыли магнезита, выделяющейся при загрузке магнезита в реактор, и окислов азота при частичном разложении азотной кислоты в реакторе, предусмотрена грубая очистка выхлопных газов в верхней части реактора и тонкая очистка – в скруббере  слабым раствором нитрата магния (промывными водами), подаваемым насосом  из ёмкости  через ротаметр.

     По мере закрепления раствора промывные воды из ёмкости подаются на заполнение реактора перед включением его в работу, а в ёмкость для поддержания уровня подаётся конденсат сокового пара из корпуса.

     Отмытые от примесей выхлопные газы из скруббера выбрасываются в атмосферу.

Полученный раствор нитрата магния после отстоя в реакторе медленно сливается в ёмкость для дополнительного отстоя, а затем по переливной трубе самотеком подаётся в ёмкость, откуда центробежным насосом непрерывно подаётся в донейтрализатор  основного производства.

     Дозировка добавки в донейтрализатор производится изменением расхода с помощью регулирующего клапана в соотношении с массовой долей нитрата магния в готовом продукте [8].

    Для предотвращения слёживаемости магнезита в нижнюю часть силоса подаётся осушённый технологический воздух давлением 0,25 МПа (2,5 кгс/см2). Запылённый воздух из силоса, пройдя очистку на рукавном фильтре, вентилятором  выбрасывается в атмосферу.

      Для очистки ткани фильтра от пыли магнезита периодически подаётся осушенный технологический воздух давлением 0,4 МПа (4,0 кгс/см2).


Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком с получением растворов
 аммиачной селитры

Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком является простой необратимой реакцией:

Н3О3  Н4О3+Q,

которая в обычных условиях протекает почти без образования побочных продуктов и с выделением теплоты (144,936 кДж/моль или 34,624 ккал/моль при взаимодействии 100 %-ных исходных продуктов).

     Для процесса нейтрализации применяется азотная кислота с массовой долей НО3 не менее 57 %, поэтому тепловой эффект реакции соответственно уменьшается на суммарную величину теплоты разбавления азотной кислоты и теплоты растворения твёрдой Н4О3. Выделяющаяся в процессе нейтрализации теплота используется для испарения большей части воды из образующегося раствора аммиачной селитры, то есть на его концентрацию.

     Процесс нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком осуществляется в двух параллельно работающих аппаратах ИТН, под избыточным давлением не более 20 кПа (0,20 кгс/см3), то есть близким к атмосферному, с получени8ем раствора аммиачной селитры с массовой долей Н4О3 не менее 89% [8].

      Температура процесса 148-165С. Предусмотрен контроль температуры в реакционном стакане и сигнализация понижения и повышения температуры.

     Аппарат ИТН – вертикальный цилиндрический сосуд переменного диаметра. Нижняя часть аппарата  – реакционная зона – конструктивно обеспечивает протекание реакции нейтрализации до конца с большой скоростью  и вывод раствора из аппарата.

Верхняя часть аппарата  –  промыватель с 4-мя колпачковыми тарелками – обеспечивает очистку сокового пара от не прореагировавшего аммиака и капель раствора амселитры.

Азотная кислота подаётся в агрегат центробежным насосом из склада азотной кислоты, распределяется на два подогревателя , где нагревается до 75-9 С за счёт теплоты конденсации сокового пара, и далее поступает в два аппарата ИТН [8].

Газообразный аммиак поступает в агрегат из заводской сети под давлением 0,25-0,45 МПа (2,5-4,5 кгс/см2). На входе аммиака в агрегат установлена электрозадвижка, управляемая дистанционно из ЦПУ, и отделитель–испаритель, предназначенный для отделения примесей жидкого  аммиака. Жидкий аммиак испаряется за счёт тепла конденсации пара давлением 0,8 МПа (8,0 кгс/см2), подаваемого во внутренний змеевик аппарата.

       Из аппарата аммиак направляется в трубное пространство подогревателя, где нагревается до 120-180С паровым конденсатом, поступающим в межтрубное пространство теплообменника из пароувлажнителя  .

Далее аммиак направляется в реакционную зону двух аппаратов ИТН. Давление газообразного аммиака перед подогревателем стабилизируется автоматически в пределах  0,18-0,22 МПа (1,8-2,2 кгс/см2) клапаном.

     Заданная нагрузка по аммиаку на аппарат ИТН поддерживается автоматически регулятором массового расхода, отклонение расхода аммиака от заданного на  5% сигнализируется при работе схемы регулирования в автоматическом режиме.

     Массовый расход азотной кислоты в аппарат ИТН поддерживается автоматически в заданном отношении с массовым расходом аммиака регулятором с коррекцией по рН раствора аммиачной селитры на выходе из аппарата ИТН (1,2 рН 1) [8].

В аппаратах ИТН поддерживается кислая среда. Кислотность раствора амселитры после аппарата ИТН в пределах 1-4 г/дм3 свободной азотной кислоты (рН=1,0-3,0) регулируется автоматически 1,2 с помощью клапана тонкой дозировки, установленного на линии подачи аммиака в аппарат ИТН.

Для измерения рН на линии выхода раствора из аппарата ИТН установлено устройство разбавления плава (УРП) с рН-метром, минимальное значение рН раствора сигнализируется. При повышении температуры в реакционной зоне (вне реакционного стакана) аппарата ИТН (1,2Т22-2) до 180С срабатывает блокировка .

Coковый пар, образующийся при испарении раствора аммиачной селитры в аппарате ИТН, и имеющий ту же температуру, что раствор в реакционной зоне, с давлением до 20 кПа (0,20 кгс/см 2) поступает в сепарационную часть аппарата, где промывается от примесей аммиака и амселитры на 4-х колпачковых тарелках слабым закисленным раствором амселитры и конденсатом сокового пара. На вторую (считая снизу) промывную тарелку из бака насосом подаётся закисленный слабый раствор амселитры с массовой концентрацией НО3 до 10-20 г/дм3,  предварительно очищенный от механических примесей в фильтре, затем раствор протекает на 1-ю промывную тарелку и по переточной трубе в реакционную часть аппарата ИТН на смешение с реакционным раствором. Закисленный раствор амселитры, проходя 2-ю и 1-ю тарелки, контактирует с соковым паром и поглощает из него не прореагировавший аммиак.    

       Подача раствора на 2-ю тарелку аппарата ИТН1,2 регулируется дистанционно клапаном. На 4-ю тарелку аппарата ИТН из бака насосом подаётся конденсат сокового пара, который проходит 4-ю и 3-ю тарелки, поглощает аммиачную селитру из сокового пара и в виде слабого раствора с массовой долей Н4О3 5-10% поступает в бак-гидрозатвор. При контакте сокового пара с раствором амселитры и конденсатом сокового пара на промывных тарелках тепло перегрева снижается, соковый пар становится насыщенным и выходит из сепарационной части аппарата ИТН с температурой 100-106 С [8].

        Над верхней промывной тарелкой аппарата ИТН установлен сетчатый отбойник и плоско-параллельная насадка , где соковый пар освобождается от брызг конденсата сокового пара и выходит из аппарата с массовой концентрацией амселитры не более 4 г/дм3  и азотной кислоты не более 4 г/дм3, на выходе сокового пара из аппарата ИТН установлено устройство отбора проб (УОП) с рН-метром, рН сокового пара регистрируется. Соковый пар из аппаратов ИТН частично (20-40 %) используется в качестве теплоносителя в подогревателях азотной кислоты, а остальная часть направляется в скруббере. Конденсат сокового пара из подогревателя поступает в бак, откуда насосом подаётся на орошение 4-х тарелок аппаратов ИТН.

Из аппаратов ИТН раствор амселитры поступает в донейтрализатор, предназначенный для нейтрализации избытка азотной кислоты газообразным аммиаком, введения магнезиальной добавки из хранилища насосом и поддержания щелочной среды раствора перед подачей его на стадию упаривания [8].

        рН раствора амселитры после донейтрализатора в пределах 4,4-5,5 (массовая концентрация свободного аммиака в растворе 0,1-0,5 г/дм3) регулируется автоматически с помощью клапана, установленного на линии подачи аммиака в донейтрализатор. Для измерения рН на линии выхода раствора из аппарата установлен УРП с рН-метром, минимальное и максимальное значения рН сигнализируется.

Для исключения попадания раствора на стадию упаривания перед выпарным аппаратом установлен контрольный донейтрализатор с подачей в него аммиака дистанционно с помощью клапана-отсекателя.

           Соковый пар с не прореагировавшим аммиаком из донейтрализаторов направляется на улавливание аммиака в скруббер-нейтрализатор.         Скруббер заполнен насадкой из колец Рашига, которая орошается закисленным раствором амселитры. В линию подачи раствора дозируется азотная кислота, объёмный расход кислоты поддерживается в зависимости от рН раствора в баке. Отработанный раствор с массовой долей амселитры не более 30 % и массовой концентрацией азотной кислоты не более 20 г/дм3 направляется в промыватель паро-воздушной смеси.


Упаривание полученного раствора аммиачной селитры до состояния высококонцентрированного плава и перекачивание плава наверх грануляционной башни

Упаривание полученного раствора аммиачной селитры до состояния плава осуществляется под избыточным давлением, близким к атмосферному, за счёт использования тепла конденсации насыщенного пара давлением 1,2-1,4 Ма (12-14 кгс/см2) и противоточной продувки горячим воздухом в выпарном аппарате. Греющий пар подаётся в межтрубное пространство кожухотрубной части выпарного аппарата и в змеевики на трёх провальных ситчатых тарелках, расположенных в нижней части аппарата, и обеспечивает подвод теплоты, необходимой для испарения воды из раствора аммиачной селитры.

          Раствор, поступающий в выпарной аппарат из донейтрализатора, равномерно распределяется на верхней трубной решётке и далее стекает по внутренней поверхности трубок в виде плёнки, упариваясь до массовой доли амселитры 99,0-99,5 %.

         Температура плава на выходе из трубчатки выпарного аппарата поддерживается изменением давления греющего пара в пределах 175-185 С.          После трубчатки плав поступает в нижнюю часть аппарата, где последовательно проходит три провальные ситчатые тарелки и упаривается до массовой доли амселитры не менее 99,7 %. Атмосферный воздух нагнетателем подаётся  в подогреватель, где подогревается до 175-190 С насыщенным паром давлением 1,2-1,4 Ма. Подогрев воздуха до температуры процесса упаривания позволяет исключить существенный теплоотвод от плёнки раствора к продавленному воздуху [8].

         Воздух после подогревателя проходит снизу вверх через тарелки нижней части, а затем по трубкам кожухотрубной части выпарного аппарата, контактируя при этом с упариваемым раствором. За счёт разницы парциальных давлений паров воды над раствором и в воздухе происходит массообмен, при котором раствор концентрируется, а воздух увлажняется.

   Образовавшаяся паро-воздушная смесь с температурой не более 185 С с массовой концентрацией амселитры не более 8 г/м3   и аммиака не более 2 г/м3  поступает в промыватель . Здесь на трёх ситчатых тарелках происходит промывка паро-воздушной смеси закисленным раствором амселитры, поступающим из скруббера. Кислота, содержащаяся в орошающем растворе, взаимодействует с аммиаком в паро-воздушной смеси. Орошающий раствор понижает температуру паро-воздушной смеси перед фильтрующими элементами до  70-100С [8].

После промывки паро-воздушная смесь с массовой концентрацией амселитры не более 0,2 г/м 3 и аммиака не более 0,3 г/м3 смешивается с соковым паром из аппаратов ИТН и направляется в скруббер.

         Плав амселитры из выпарного аппарата с температурой 175-185С поступает в гидрозатвор-донейтрализатор.          

Плав амселитры из гидрозатвора через фильтр поступает в бак, откуда погружным насосом подаётся наверх грануляционной башни, в напорный бак.

Гранулирование плава амселитры с последующим охлаждением гранул

Процесс гранулирования высококонцентрированного плава аммиачной селитры осуществляется в металлической грануляционной башне сечением 8 11 м, обеспечивая высоту падения гранул 50 м. Внизу гранбашни имеется встроенный металлический конус с двумя круговыми зазорами для подсоса воздуха из атмосферы. Плав амселитры с массовой долей амселитры не менее 99,7 % и температурой 175-185 С из напорного бака поступает в стояки перед грануляторами. Для равномерного распределения плава по стоякам внутри напорного бака имеются три вертикальных стакана с колпачками. Плав амселитры из стояков через леечные акустические грануляторы равномерно в виде капель разбрызгивается по всему сечению полного объёма башни. Одновременно в работе могут находиться три гранулятора (по одному от каждого стояка) и менее – в зависимости от нагрузки агрегата [8].

Акустический гранулятор снабжён устройством для наложения вибрации с целью улучшения грансостава. В корпусе гранулятора установлена пластина, которая при взаимодействии с плавом, проходящим через сопло, генерирует акустические колебания. Источником энергии колебаний служит плав, дополнительных источников питания не требуется. Далее плав проходит через фильтрующий элемент гранулятора и вытекает через отверстия перфорированного дна. Акустические колебания передаются от пластины к перфорированной части корпуса и вызывают деление струи плава на капли однородного размера. Производительность гранулятора - 20 - 30 т/ч.

          Встречным потоком воздуха, создаваемым вентиляторами, поднимающегося со скоростью 1,0-1,8 м/с, падающие капли плава охлаждаются и кристаллизуются в виде гранул. Образовавшиеся гранулы амселитры падают на конуса гранбашни, защищённые с внутренней стороны транспортёрной лентой, и через отверстие для выгрузки поступают на конвейер с температурой 70-120С.

Конвейером гранулы амселитры подаются на колосниковую решётку  загрузочного устройства аппарата охлаждения гранул в кипящем слое. На решётке отделяются комки и крупные частицы, которые могут образоваться в случае налипания амселитры на конусах и стенках гранбашни. Нестандартная (крупная) фракция растворяется в баке, куда подаётся слабый раствор амселитры от линии нагнетания насоса.

        Пройдя колосниковую решётку, гранулированная аммиачная селитра поступает в аппарат для охлаждения гранул в кипящем слое, проходит последовательно три секции аппарата и охлаждается до температуры не более 50 С. Внутри аппарата имеются две решётки: кипящего слоя и воздухораспределительная. Между секциями на решётке кипящего слоя установлены шиберы, а также двери для разделения секций и выхода воздуха. Каждая секция имеет по две выгрузочные течки с заслонками. В каждую секцию аппарата раздельно подаётся атмосферный воздух центробежными вентиляторами в зависимости от нагрузки агрегата. Линейная скорость воздуха в зоне кипящего слоя составляет 1,8 м/с (для гранул 2,5 мм) [8].

         Для предотвращения снижения прочности гранул при резком охлаждении их, а также для снижения относительной влажности воздуха предусмотрен предварительный подогрев атмосферного воздуха, подаваемого под решётку кипящего слоя, в подогревателях паром давлением не более 0,35 МПа после узла редуцирования.

       Сухой отработанный воздух из аппарата поступает в гранбашню и далее на очистку в скруббер. При низких температурах атмосферного воздуха или уменьшении нагрузки снижается температура гранул после аппарата. В этом случае в работу могут быть включены две или одна секция аппарата в зависимости от температуры гранул. Поэтому каждая секция имеет возможность вывода продукта через выгрузочные течки на конвейеры, которыми охлаждённые гранулы подаются на узел рассева и далее в отделение упаковки и на склад.

       

Очистка отработанного воздуха, выбрасываемого в атмосферу

Загрязнённый примесями аммиачной селитры и аммиака воздух из грануляционной башни и промывателя паровоздушной смеси, а также соковый пар из аппаратов ИТН и скруббера  поступают на очистку в промывной скруббер.

       Скруббер выполнен в виде двух блоков, расположенных  вдоль длинных сторон башни в верхней её части. В каждом блоке имеется по три параллельно работающие секции. Каждая секция имеет две ситчатые тарелки с отбойными элементами, над верхней тарелкой размещены четыре фильтрующих элемента.

       Отработанный воздух и соковый пар поступает под промывные тарелки  . На верхнюю тарелку каждой секции скруббера насосом из бака непрерывно подаётся закисленный раствор с массовой долей амселитры не более 25% и массовой концентрацией азотной кислоты не более 20 г/дм3. Закисление раствора необходимо для улавливания аммиака, содержащегося в воздухе [8].

        Промывной раствор, пройдя тарелки скруббера, возвращается в бак, откуда насосом вновь подаётся в скруббер.

        Массовая доля амселитры в растворе поддерживается за счёт непрерывного поступления в бак слабого раствора с 3-их тарелок аппаратов ИТН. Сюда же поступает также раствор из промывателя.

      Часть циркулирующего раствора амселитры непрерывно отводится из напорной линии насоса в аппараты ИТН на переработку. Уровень в баке регулируется автоматически клапаном подачей в бак конденсата сокового пара от напорной линии насосов. Кислотность раствора в баке (рН не менее 1,1) поддерживается подачей азотной кислоты в скруббер.

 Воздух после очистки на тарелках скруббера проходит фильтрующие элементы, со средней массовой концентрацией амселитры не более 0,10 г/м3  и аммиака не более 0,05 г/м3 выбрасывается в атмосферу на высоте 73 м вентиляторами, установленными по одному на каждую секцию скруббера. Одновременно вентиляторы служат для создания в гранбашне потока воздуха, охлаждающего гранулы амселитры.

        Температура воздуха на выходе в каждый блок скруббера (50-90 С) и на выходе из каждой секции (30-70С) контролируется в ЦПУ [8].


4.4. Расчеты химико-технологических процессов

4.4.1. Расчеты материальных балансов

4.4.1.1.Материальный баланс приготовления магнезиальной добавки с использованием магнезита

Исходные данные:

Состав каустического магнезита:

MgO - 83%

CaO – 2,5%

SiO2 – 2,5%

Fe2O3 – 1,1%

Al2O3 – 1,1%

SO42- - 1%

C – 0,2%

H2O – 1,5%

Прочее – 8,09%

Производительность предприятия – 450 000 т/год

1. В процесс вводиться 3% магнезиальной добавки, то есть:

4,5·108 кг/год – 100%

х т/год            -   3%

х = 1,35·104 кг/год

2. Определим количество MgO в 1,35·104 кг Mg(NO3)2 :

х кг/год                     1,35·104 кг/год

MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3 кг/моль                 148 кг/год

х = 3,67·103 кг/год

3. Определим количество MgOтех. :

1,35·104 кг Mg(NO3)2 - 3,67·103 кг/год

4,5·108 кг/год              - х кг/год MgOтех.

х = 1,22·108 кг/год

4. Определим количество MgO с учетом, что его содержание составляет 83% от 100% сырья:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  83%

х = 1,01·108 кг/год чистого MgO

5. Определим количество  CaO в сырье :

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                           -  2,5%

х = 3,05·106 кг/год чистого CaO

6. Определим количество SiO2 в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                           -  2,5%

х = 3,05·106 кг/год чистого SiO2

7. Определим количество Fe2O3 в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  1,1%

х = 1,34·106 кг/год чистого Fe2O3

8. Определим количество Al2O3 в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  1,1%

х = 1,34·106 кг/год чистого Al2O3

9. Определим количество SO42- в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  1%

х = 1,22·106 кг/год чистого SO42-

10. Определим количество C в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  0,2%

х = 2,44·105 кг/год чистого C

11. Определим количество  H2O в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                         -  1,5%

х = 1,83·106 кг/год чистого H2O

12. Определим количество прочих примесей в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                           -  8,09%

х = 9,86·106 кг/год примесей

13. Определим количество азотной кислоты, которое взаимодействует с MgO по реакции:

1,01·108 кг/год      A1

MgO    +    2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3кг/моль   2·63кг/моль

А1 = 3,15·108 кг/год

14. Определим количество серной кислоты, которое взаимодействует с CaO по реакции:

3,05·106 кг/год      A2

CaO    +   2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O

56кг/моль     2·63кг/моль

А2 = 6,86·106  кг/год

15. Определим общее количество серной кислоты, которое участвует в процессе:

А = А12

А = 3,15·108 + 6,86·106 = 3,22·108 кг/год

16. Определим количество 57%-ой азотной кислоты, участвующей в реакции по формуле (4.4.1):

17. Определим количество 36%-ой азотной кислоты, участвующей в реакции:

57% HNO3 – х кг/год

36% HNO3 – 5,65·108 кг/год

х = 8,94·108 кг/год

18. Определим количество воды, необходимое для разбавления 57%-ой азотной кислоты, до ее концентрации 36%:

8,94·108 – 5,65·108 = 3,29·108 кг/год

19. Определим количество воды, необходимое для разбавления 100%-ой азотной кислоты, до ее концентрации 57%:

5,65·108 – 3,22·108 = 2,43·108 кг/год

Получаем, что в реакции участвует следующее количество азотной кислоты:

HNO3 (57%) = 5,65·108 кг/год

HNO3 (36%) = 8,94·108 кг/год

HNO3 (100%) = 3,22·108 кг/год

20. Определим количество Mg(NO3)2, образующееся  в результате взаимодействия MgO c HNO3:

1,01·108 кг/год                      x кг/год

MgO    +    2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3кг/моль                          148кг/моль

А1 = 3,7·108 кг/год

21. Определим количество Са(NO3)2, образующееся  в результате взаимодействия СаO c HNO3:

3,05·106 кг/год                   х кг/год

CaO    +   2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O

56кг/моль                          164кг/моль

А2 = 8,93·106  кг/год

22. Так как массовая доля Mg(NO3)2 составляет 37%, определим количество воды, необходимое для приготовления магнезиальной добавки:

(3,7·108 + х)·0,37 = 3,7·108

1,37·108 + 0,37х = 3,7·108

0,37х = 2,33·108

х = 6,29·108 кг/год

23. Конденсат сокового пара, подающийся в реактор, содержит в своем составе  5,17·107 кг воды.

Таким образом, общее количество воды, необходимое для приготовления магнезиальной добавки, составит:

В = 1,83·106 + 2,43·108 + 3,29·108 + 5,17·107 + 6,29·108 = 1,25·109 кг/год

24. Так как в конденсат сокового пара входит азотная кислота, общее количество азотной кислоты составит:

3,22·108 – 2,05·105 = 3,21·108 кг/год HNO3

Сводим материальный баланс процесса приготовления магнезиальной добавки.


Таблица 4.4.1.1

Приход

Расход

Статья

кг/год

кг/ч

% мас.

моль/ч

Статья

кг/год

кг/ч

% мас.

моль/ч

1)Магнезит, в т.ч.

MgO

CaO

SiO2

Fe2O3

Al2O3

SO4

C

H2O

Прочее

1,23·108

1,01·108

3,05·106

3,05·106

1,34·106

1,34·106

1,22·106

2,44·105

1,83·106

9,86·106

15530,3

12752,5

385,1

385,1

169,2

169,2

154,0

30,8

234,8

1244,9

100

83

2,5

2,5

1,1

1,1

1,0

0,2

1,5

8,09

316,4

6,87

6,42

1,06

1,66

1,6

2,56

13,04

1)Раствор

Mg(NO3)2, в т.ч.

Mg(NO3)2

Ca(NO3)2

SiO2

Fe2O3

Al2O3

SO4

C

H2O

Прочее

1,64·109

3,7·108

8,93·106

3,05·106

1,34·106

1,34·106

1,22·106

2,44·105

1,25·109

9,86·106

2,07·105

46717,2

1127,52

385,1

169,2

169,2

154,0

30,8

1,57·105

1244,9

100

22,5

0,5

0,2

0,08

0,08

0,07

0,01

76,2

0,6

315,6

6,87

6,42

1,06

1,66

1,6

2,56

8722,2

2)Азотная

кислота(36%), в.т.ч.

HNO3(100%)

H2O(100%)

HNO3(57%)

H2O(57%)

1,44·109

3,21·108

3,29·108

5,65·108

2,43·108

181818,2

40530,3

41540,4

71338,4

30681,2

100

22,3

22,85

39,24

15,61

5787,9

643,3

2307,8

1132,3

1704,5

3) КСП, в т.ч.

H2O

NH4NO3

HNO3

5,22·107

5,17·107

2,05·105

2,05·105

6590,9

6527,7

26,0

26,0

100

99,0

0,5

0,5

363,33

362,6

0,32

0,41

Всего

1,64·109

2,07·105

100

1,64·109

2,07·105

100


4.4.1.2.Материальный баланс приготовления магнезиальной добавки с использованием брусита

Исходные данные:

Состав брусита:

MgO - 61%

CaO – 3,5%

SiO2 – 3,5%

Fe2O3 – 0,3%

H2O – 31%

Прочее – 0,7%

Производительность предприятия – 450 000 т/год

1. В процесс вводиться 3% брусита, то есть:

4,5·108 кг/год – 100%

х т/год            -   3%

х = 1,35·104 кг/год

2. Определим количество MgO в 1,35·104 кг Mg(NO3)2 :

х кг/год                  1,35·104 кг/год

MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3 кг/моль                 148 кг/год

х = 3,67·103 кг/год

3. Определим количество MgOтех. :

1,35·104 кг Mg(NO3)2 - 3,67·103 кг/год

4,5·108 кг/год             - х кг/год MgOтех.

х = 1,22·108 кг/год

4. Определим количество MgO с учетом, что его содержание составляет 61% от 100% сырья:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  61%

х = 7,44·107 кг/год чистого MgO

5. Определим количество  CaO в сырье :

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  3,5%

х = 4,27·106 кг/год чистого CaO

6. Определим количество SiO2 в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  3,5%

х = 4,27·106 кг/год чистого SiO2

7. Определим количество Fe2O3 в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  0,3%

х = 3,66·105 кг/год чистого Fe2O3

8. Определим количество  H2O в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  31%

х = 3,78·107 кг/год чистого H2O

9. Определим количество прочих примесей в сырье:

1,22·108 кг/год MgOтех. – 100%

х кг/год                          -  0,7%

х = 8,54·105 кг/год примесей

10. Определим количество азотной кислоты, которое взаимодействует с MgO по реакции:

7,44·107 кг/год      A1

MgO    +    2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3кг/моль   2·63кг/моль

А1 = 2,32·108 кг/год

11. Определим количество серной кислоты, которое взаимодействует с CaO по реакции:

4,27·106 кг/год      A2

CaO    +   2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O

56кг/моль     2·63кг/моль

А2 = 9,6·106  кг/год

12. Определим общее количество серной кислоты, которое участвует в процессе:

А = А12

А = 2,32·108 + 9,6·106 = 2,42·108 кг/год

13. Определим количество 57%-ой азотной кислоты, участвующей в реакции, по формуле (4.4.2):

14. Определим количество 36%-ой азотной кислоты, участвующей в реакции:

57% HNO3 – х кг/год

36% HNO3 – 4,24·108 кг/год

х = 6,72·108 кг/год

15. Определим количество воды, необходимое для разбавления 57%-ой азотной кислоты, до ее концентрации 36%:

6,72·108 – 4,24·108 = 2,47·108 кг/год

16. Определим количество воды, необходимое для разбавления 100%-ой азотной кислоты, до ее концентрации 57%:

4,24·108 – 2,42·108 = 1,82·108 кг/год

Получаем, что в реакции участвует следующее количество азотной кислоты:

HNO3 (57%) = 4,24·108  кг/год

HNO3 (36%) = 6,72·108  кг/год

HNO3 (100%) = 2,42·108  кг/год

17. Определим количество Mg(NO3)2, образующееся  в результате взаимодействия MgO c HNO3:

7,44·107 кг/год                      x кг/год

MgO    +    2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

40,3кг/моль                          148кг/моль

А1 = 2,73·108 кг/год

18. Определим количество Са(NO3)2, образующееся  в результате взаимодействия СаO c HNO3:

4,27·106 кг/год                   х кг/год

CaO    +   2HNO3 = Ca(NO3)2 + H2O

56кг/моль                          164кг/моль

А2 = 1,25·107  кг/год

19. Так как массовая доля Mg(NO3)2 составляет 37%, определим количество воды, необходимое для приготовления магнезиальной добавки:

(2,73·108 + х)·0,37 = 2,73·108

1,01·108 + 0,37х = 1,73·108

0,37х = 1,72·108

х = 4,64·108 кг/год

20. Конденсат сокового пара, подающийся в реактор, содержит в своем составе  5,17·107 кг воды.

Таким образом, общее количество воды, необходимое для приготовления магнезиальной добавки, составит:

В = 3,78·107  + 2,47·108 + 1,82·108 + 5,17·107 + 4,64·108 = 9,82·108 кг/год

21. Так как в конденсат сокового пара входит азотная кислота, общее количество азотной кислоты составит:

2,42·108  – 2,05·105 = 2,41·108 кг/год HNO3

Сводим материальный баланс процесса приготовления магнезиальной добавки


Таблица 4.4.1.2

Приход

Расход

Статья

кг/год

кг/ч

% мас.

моль/ч

Статья

кг/год

кг/ч

% мас.

моль/ч

1)Брусит, в т.ч.

MgO

CaO

SiO2

Fe2O3

H2O

Прочее

1,22·108

7,44·107

4,27·106

4,27·106

3,66·105

3,78·107

8,54·105

15151,5

9393,9

539,2

539,2

46,2

4772,7

107,8

100

61,0

3,5

3,5

0,3

31,0

0,7

233,0

9,62

8,98

0,29

265,15

1)Раствор

Mg(NO3)2, в т.ч.

Mg(NO3)2

Ca(NO3)2

SiO2

Fe2O3

H2O

Прочее

1,26·109

2,73·108

1,25·106

4,27·106

3,66·105

9,82·108

8,54·105

1,59·105

34469,7

157,8

539,2

46,2

1,12·105

107,8

100

21,6

0,09

0,33

0,03

70,4

0,06

232,9

0,96

8,98

0,28

6222,2

2)Азотная

кислота(36%), в.т.ч.

HNO3(100%)

H2O(100%)

HNO3(57%)

H2O(57%)

1,09·109

2,42·108

2,47·108

4,24·108

1,82·108

1,37·105

30555,5

31186,8

53535,3

22979,8

100

22,3

22,7

39,0

16,7

4343,9

485,0

1732,6

849,7

1276,6

3) КСП, в т.ч.

H2O

NH4NO3

HNO3

5,22·107

5,17·107

2,05·105

2,05·105

6590,9

6527,7

26,0

26,0

100

99,0

0,5

0,5

363,33

362,6

0,32

0,41

Всего

1,26·109

1,59·105

100

1,26·109

1,59·105

100


4.4.1.3.Материальный баланс процесса нейтрализации

Исходные данные:

Производительность предприятия – 450 000 т/год = 56,8 т/ч

Концентрация HNO3 : 57%

Концентрация NH3 : 99,6%

Потери NH3 на 1 т NH4NO3 : 2 кг/т

Потери HNO3 1 т NH4NO3 : 7 кг/т

1. Теоретический расход аммиака на 1 т NH4NO3 определяется, исходя из уравнения реакции нейтрализации:

х кг/ч                                        1000 кг/ч

NH3    +   HNO3     =      NH4NO3

17 кг/моль                                80 кг/моль

х = 212,5 кг/ч

2. Теоретический расход азотной кислоты на 1 т NH4NO3 определяется, исходя из уравнения реакции нейтрализации:

                  х кг/ч                       1000 кг/ч

NH3   +   HNO3     =        NH4NO3

               63 кг/моль                  80 кг/моль

х = 787,5 кг/ч

3. Практический расход аммиака с учетом потерь:

212,5 + 2 = 214,2 кг/ч NH3

4. Практический расход азотной кислоты с учетом потерь:

787,5 + 7 = 794,5 кг/ч HNO3

5. Для получения 56,8 т/ч аммиачной селитры (100%) требуется аммиака:

56,8 · 214,5 = 12183,6 кг/ч NH3

6. Определим количество аммиака с учетом, что его концентрация составляет 99,6% :

7. Для получения 56,8 т/ч аммиачной селитры (100%) требуется азотной кислоты:

56,8 · 794,5 = 45127,6 кг/ч HNO3

8. Определим количество азотной кислоты с учетом, что ее концентрация составляет 58% :

9. При указанной часовой производительности потери составят:

12183,6 – 212,5 · 56,8 = 113,6 кг/ч NH3

45127,6 – 787,5 · 56,8 = 397,6 кг/ч HNO3

10. Используя данные технологического регламента [8], примем, что в аппарат ИТН на вторую тарелку промывной части поступает раствор аммиачной селитры с массовой долей NH4NO3 25% следующего состава:

NH4NO3 = 1586,9 кг/ч

H2O = 4760,7 кг/ч

NO3 = 118,6 кг/ч

Так же, согласно технологическому регламенту, на четвертую тарелку промывной части аппарата ИТН поступает конденсат сокового пара состава:

NH4NO3 = 26,0 кг/ч

H2O = 6538,0 кг/ч

HNO3 = 26,0 кг/ч

11. Определим количество 90%-го раствора аммиачной селитры, выходящего из аппарата:

12. Определим количество воды, содержащейся в 90%-м растворе аммиачной селитры:

В = 63111,1 – 56800 = 6311,1 кг/ч

13. Определим количество сокового пара с учетом, что воды в нем содержится 34508,52 кг (99,2%):

Сводим материальный баланс процесса нейтрализации.


Таблица 4.4.1.3

Приход

Расход

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

1)Газообразный аммиак

(99,6%), в т.ч.

NH3

H2O

12232,5

12183,6

48,9

719,41

716,7

2,71

100

99,6

0,4

1)Раствор аммиачной

селитры (90%), в т.ч.

NH4NO3

H2O

63111,1

56800,0

6311,1

1060,6

710,0

350,6

100

90,0

10,0

2)Азотная кислота

(58%), в т.ч.

HNO3

H2O

79558,8

45127,0

34431,8

2629,1

716,3

1912,8

100

58,0

42,0

2)Соковый пар, в т.ч.

NH4NO3

H2O

HNO3

34786,82

135,6

34508,52

135,6

1920,9

1,7

1917,1

2,1

100

0,4

99,2

0,4

3)Раствор аммиачной селитры (25%) на 2-ю тарелку ИТН, в т.ч.

NH4NO3

H2O

NO3

6466,2

1586,9

4760,7

118,6

286,2

19,8

264,5

1,91

100

25,0

73,6

1,4

3)Слабый раствор аммиачной селитры, в т.ч.

NH4NO3

H2O

HNO3

9323,2

720,5

8586,7

26,0

486,4

9,0

477,0

0,4

100

7,7

92,1

0,2

4)Конденсат сокового пара на 4-ю тарелку ИТН, в т.ч.

H2O

NH4NO3

HNO3

6590,0

6538,0

26,0

26,0

363,9

363,2

0,3

0,4

100

99,2

0,4

0,4

4)Безвозвратные

потери, в т.ч.

HNO3

NH3

511,2

397,6

113,6

13,0

6,3

6,7

100

77,7

22,3

Всего

1,04·105

3998,61

100

Всего

1,07·105

3480,9

100


4.4.1.4.Материальный баланс процесса донейтрализации

Исходные данные:

Азотная кислота: 88кг/ч [8]

Аммиачная селитра: 63111,1 кг/ч

Раствор Mg(NO3)2, в т.ч.

Mg(NO3)2 = 34469,7 кг/ч

Ca(NO3)2 = 157,8 кг/ч

SiO2 = 539,2 кг/ч

Fe2O3 = 46,2 кг/ч

H2O = 1,12·105 кг/ч

Прочее = 107,8  кг/ч

1. Определим количество газообразного аммиака, образующегося в результате протекания реакции:

х кг/ч                       88 кг/ч

NH3          +      HNO3    =    NH4NO3

17 кг/моль            63 кг/моль                  

х = 23,82 кг/ч

2. Определим количество газообразного аммиака с учетом, что его концентрация составляет 99,6%:

3. Определим количество воды, содержащееся в аммиаке:

23,92 – 23,82 = 0,1 кг/ч

4. Определим количество аммиачной селитры, выходящей из донейтрализатора с учетом, что ее концентрация составляет 90%:

5. Определим количество воды, содержащееся в растворе аммиачной селитры:

70123,4 – 63111,1 = 7012,3 кг/ч

6. Таким образом, общее количество воды составит:

7012,3 + 1,12·105 = 1,19·105 кг/ч

7. На газообразную очистку, согласно данным технологического регламента [8], поступает 3% аммиака от общего количества, поступающего на стадию донейтрализации:

23,92·0,03 = 0,71 кг/ч

Сводим материальный баланс процесса донейтрализации.


Таблица 4.4.1.4

Приход

Расход

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

1)Раствор аммиачной

селитры (90%), в т.ч.

NH4NO3

H2O

63111,1

56800,0

6311,1

1060,6

710,0

350,6

100

90,0

10,0

1)Раствор аммиачной

селитры (90%), в т.ч.

NH4NO3

Mg(NO3)2

Ca(NO3)2

SiO2

Fe2O3

Прочее

H2O

NH3

1,24·105

70123,4

34469,7

157,8

539,2

46,2

107,8

1,19·105

7,6

876,5

232,9

0,96

8,98

0,28

6611,1

0,44

100

56,55

27,7

0,12

0,43

0,03

0,086

95,9

0,006

2) Раствор

Mg(NO3)2, в т.ч.

Mg(NO3)2

Ca(NO3)2

SiO2

Fe2O3

H2O

Прочее

1,59·105

34469,7

157,8

539,2

46,2

1,12·105

107,8

232,9

0,96

8,98

0,28

6222,2

100

21,6

0,09

0,33

0,03

70,4

0,06

2)Газообразный аммиак на очистку

0,71

0,04

100

3)Газообразный

аммиак (99,6%), в т.ч.

NH3

H2O

23,92

23,82

0,1

1,405

1,4

0,005

100

99,6

0,4

Всего

2,22·105

100

2,24·105

100


4.4.1.5.Материальный баланс процесса упаривания

Исходные данные:

Количество поступающего раствора: 1,29·106 кг/ч, в т.ч.

NH4NO3: 70123,4 кг/ч

H2O: 1,19·105 кг/ч

Mg(NO3)2: 34469,7 кг/ч

Концентрация поступающего раствора: 90%

Конечная концентрация раствора: 99,7%

Количество воздуха: 29400 кг/ч

1. Примем, что атмосферный воздух имеет температуру 0С и относительную влажность 100 %. 

При этих условиях влагосодержание составляет:

d = 0,00385 кг/кг сухого воздуха

0,00385(29400 – d) = d

113,19 = 1,00385 d

d = 112,75 кг/ч воды.

Таким образом, состав воздуха следующий:

G(сух. воздух) = 29400 – 112,75 = 29287,25 кг/ч

G2О) = 112,75 кг/ч

2. Из донейтрализатора на выпарку поступает 90%-ный раствор аммиачной селитры в количестве:

1,29·106/0,9 = 1,43·106 кг/ч

В этом растворе аммиачной селитры содержится воды:

Н2О = 1,43·106 - 1,29·106 = 1,4·105 кг/ч

3. С учетом разбавления 65%-ным раствором, в трубчатую часть аппарата поступает раствор концентрации 99,3 % NH4NO3 в количестве:

1,29·106/0,993 = 1,299·106 кг/ч,

в т.ч. вода 9093,6 кг/ч

4.Из трубчатой части выходит раствор аммиачной селитры концентрацией 99,5% NH4NO3 в количестве:

1,29·106/0,995 = 1,296·106 кг/ч,

в т.ч. вода 6000 кг/ч.

5. Количество воды, выпаренной в трубчатой части:

9093,6 – 6000 = 3093,6 кг/ч

6. Из тарельчатой нижней части выпарного аппарата уходит раствор аммиачной селитры концентрации 99,7% NH4NO3 в количестве:

1,29·106/0,997 = 1,293·106 кг/ч.

в т.ч. вода 3000 кг/ч.

7. Количество воды, выпаренной на тарелках:

6000 – 3000 = 3000 кг/ч.

8. Учитывая количество аммиачной селитры, уносимое воздухом, выходящим из выпарного аппарата, количество выходящего раствора 99,7% NH4NO3 составит:

1,293·106– (75 + 60) = 1,292·106 кг/ч

Промывная часть выпарного аппарата.

1. Количество паровоздушной смеси, поступающей на промывку:

Сухой воздух = 29287,25 кг/ч

Вода = 3000 + 3093,6 + 112,75 = 6206,35 кг/ч

NH4NO3 = 307,5 кг/ч

NH3 = 57,7  кг/ч

2. Температура паровоздушной смеси, поступающей на промывку 180С.

Влагосодержание составит:

кг/кг сухого воздуха.

Определим энтальпию:

I = (сВп·х)·t + ro·х = (1,01 + 1,97·0,211)·180 + 2493·0,211 = 781,62 кДж/кг.

3. Паровоздушная смесь выходит из выпарного аппарата при постоянном теплосодержании 781,62 кДж/ч и = 100 %.

По диаграмме определяем температуру t = 69,3 С и влагосодержание d = 0,3 кг/кг сухого воздуха.

4. Количество конденсата сокового пара, необходимого для насыщения паровоздушной смеси до 100 %:

29287,25(0,3 – 0,211) = 2606,56 кг/ч.

Сводим материальный баланс процесса упаривания.


Таблица 4.4.1.5

Приход

Расход

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

1)Раствор аммиачной

селитры (90%), в т.ч.

NH4NO3

Mg(NO3)2

H2O

1,29·106

70123,4

34469,7

1,19·105

7720,5

876,5

232,9

6611,1

100

5,4

2,7

10,0

1)Плав аммиачной

селитры(99,7%), в т.ч.

NH4NO3

Mg(NO3)2

H2O

1,3·106

1,293·106

34469,7

3000

16562,0

16162,5

232,9

166,6

100

99,4

0,4

0,2

2)Воздух, в т.ч.

Сухой воздух

Н2О

29400

29287,25

112,75

1016,1

1009,9

6,2

100

99,6

0,4

2)Паро-воздушная

смесь, в т.ч.

Воздух

H2O

35493,6

29287,25

6206,35

1353,7

1009,0

344,7

100

82,517,5

3)Конденсат сокового пара

2606,56

100

3)Потери:

NH4NO3

NH3

132,7

75,0

57,7

4,3

0,9

3,4

100

56,5

43,5

Всего

1,32·106

100

Всего

1,33·106

17915,7

100


4.4.1.6.Материальный баланс процесса кристаллизации

Исходные данные:

Количество поступающего раствора: 1,29·106 кг/ч

Количество воздуха: 213380 кг

1.Примем, что атмосферный воздух имеет температуру 0ºС и относительную влажность 100 %.

При этих условиях влагосодержание составит:

 d = 0,00385 кг/кг

(213380 – d)·0,00385 = d

d = 818,36 кг/ч воды

2.Количество сухого воздуха:

213380 – 818,36 = 212561,6 кг/ч

3.Количество аммиачной селитры, уносимой воздухом в виде пыли из башни по практическим данным:

2·75 = 150 кг/ч

4.В результате подсушки гранул в башне количество влаги в плаве уменьшится на 0,5·75 = 37,5 кг/ч

5.Количество аммиачной селитры, выходящей из башни:

1,29·106 – 150 – 37,5 = 1,28·106 кг/ч

Сводим материальный баланс процесса кристаллизации.


Таблица 4.4.1.6

Приход

Расход

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

Статья

кг/ч

n, кг/моль

% мас.

1)Плав аммиачной

селитры, в т.ч.

NH4NO3

Mg(NO3)2

H2O

1,3·106

1,293·106

34469,7

1,19·105

16562,0

16162,5

232,9

166,6

100

99,4

0,4

0,2

1)Кристаллический

продукт, в т.ч.

NH4NO3

Mg(NO3)2

H2O

1,28·106

1,24·106

34469,7

3840

15946,2

15500

232,9

213,3

100

96,8

2,7

0,5

2)Воздух, в т.ч.

Сухой воздух

Н2О

213380

212561,6

818,36

7375,2

7329,7

45,5

100

99,6

0,4

2)Воздух, в т.ч.

Сухой воздух

H2O

213417,4

212561,6

855,86

7377,2

7329,7

47,5

100

99,6

0,4

Всего

1,32·106

23937,2

100

Всего

1,33·106

23323,4

100


4.4.2 Расчеты тепловых балансов

4.4.2.1.Тепловой баланс приготовления магнезиальной добавки с использованием магнезита

Приход

1. Тепло, приходящее с магнезитом:

Qвхмаг = (сMgO·nMgO + cCaO·nCaO + cH2O·nH2Otвх,

где где сi – теплоемкость i – го компонента, Дж/моль·К

ni – количество i – го компонента, моль

tвх – температура ведения процесса, tвх = 80ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры магнезита, используя температурные ряды [9]

сMgO = 42,59 + 0,00728·(80+273) – (6,19·105/(80+273)2) = 43,19 Дж/моль·К

cCaO = 49,62 + 0,00452·(80+273) – (6,95·105/(80+273)2) = 55,64 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(80+273) + (11,96·105/(80+273)2) = 75,66 Дж/моль·К

Qвхмаг = (43,19·316,4 + 55,64·6,87 + 75,66·13,04)·353 = 5,3·106 Дж

2. Тепло, приходящее с азотной кислотой:

QАК = (сHNO3(100%)·nHNO3(100%) + cH2O(100%)·nH2O(100%) + cHNO3(57%)·nHNO3(57%) + cH2O(57%)·nH2O(57%)tвх

cHNO3 = 109,87 Дж/моль·К

QАК = (109,87·643,3 + 75,66·2307,8 + 109,87·1132,3 + 75,66·1704,5) ·353 = 1,76·108 Дж

3. Тепло, приходящее с конденсатом сокового пара:

QКСП = (сH2O·nH2O + cNH4NO3·nNH4NO3 + cHNO3·nHNO3)· tвх 

QКСП = (75,66·362,6 + 139,3·0,32 + 109,87·0,41)·353 = 9,71·106 Дж

4. Теплота химической реакции:

MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

Qхр = ΔНхр·n

ΔHхр = ΔfHº(298)Mg(NO3)2 + ΔfHº(298)H2O - ΔfHº(298)MgO - 2ΔfHº(298)HNO3 ,

где ΔfHº(298)I – энтальпия образования i-го компонента,

n – количество молей образовавшегося вещества

Таблица 4.4.2.1

Стандартные энтальпии образования для соответствующих компонентов

Компонент

ΔfHº(298), кДж/моль

n, моль

Mg(NO3)2

-792,8

315,6

H2O

-285,84

315,6

MgO

-601,24

315,6

HNO3

-173,0

315,6

ΔHхр = - 792,8 + (-285,84) – (-601,24) – 2·(-173,0) = -131,5 кДж/моль

Qхр = -131,315,6 = 4,15·107 Дж

Расход

1. Тепло, уходящее с магнезитовой добавкой:

Qвыхмаг = (сMg(NO3)2·nMg(NO3)2 + cCa(NO3)2·nCa(NO3)2 + cH2O·nH2O)·tвых,

tвых = 110ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры магнезитовой добавки, используя температурные ряды [9]

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cCa(NO3)2 = 122,9 + 0,154·(110+273) – (17,2·105/(110+273)2) = 193,58 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(110+273) + (11,96·105/(110+273)2) = 76,52 Дж/моль·К

Qвыхмаг = (141,9·315,6 + 193,58·6,87 + 75,91·8722,2)·383 = 2,73·108 Дж

2. Теплопотери:

Общее уравнение теплового баланса:

Qвхмаг + QАК + QКСП + Qхр = Qвыхмаг + Qт.пот.

Т.к. теплопотери составляют 3% от общего количества тепла, приходящего в систему, тогда:

Qт.пот. = (Qвхмаг + QАК + QКСП + Qхр ) = 0,03·(5,3·106 +1,76·108 + 9,71·106 +   4,15·107) = 6,9·106 Дж

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.2

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с магнезитом

5,3·106

Тепло с магнезитовой добавкой

2,73·108

Тепло с азотной кислотой

1,76·108

Теплопотери

6,9·106

Тепло с конденсатом сокового пара

9,71·106

Тепло химической реакции

4,15·107

Всего

2,77·108

Всего

2,79·108

4.4.2.2.Тепловой баланс приготовления магнезиальной добавки с использованием брусита

Приход

1. Тепло, приходящее с бруситом:

Qвхмаг = (сMgO·nMgO + cCaO·nCaO + cH2O·nH2Otвх,

tвх = 80ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры брусита, используя температурные ряды [9]

сMgO = 42,59 + 0,00728·(80+273) – (6,19·105/(80+273)2) = 43,19 Дж/моль·К

cCaO = 49,62 + 0,00452·(80+273) – (6,95·105/(80+273)2) = 55,64 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(80+273) + (11,96·105/(80+273)2) = 75,66 Дж/моль·К

Qвхмаг = (43,19·233 + 55,64·9,62 + 75,66·13,04)·353 = 1,08·107 Дж

2. Тепло, приходящее с азотной кислотой:

QАК = (сHNO3(100%)·nHNO3(100%) + cH2O(100%)·nH2O(100%) + cHNO3(57%)·nHNO3(57%) + cH2O(57%)·nH2O(57%)tвх

cHNO3 = 109,87 Дж/моль·К

QАК = (109,87·485 + 75,66·1732,6 + 109,87·849,7 + 75,66·1276,6) ·353 = 1,32·108 Дж

3. Тепло, приходящее с конденсатом сокового пара:

QКСП = (сH2O·nH2O + cNH4NO3·nNH4NO3 + cHNO3·nHNO3)· tвх 

QКСП = (75,66·362,6 + 139,3·0,32 + 109,87·0,41)·353 = 9,71·106 Дж

4. Теплота химической реакции:

MgO + 2HNO3 = Mg(NO3)2 + H2O

Qхр = ΔНхр·n,

ΔHхр = ΔfHº(298)Mg(NO3)2 + ΔfHº(298)H2OΔfHº(298)MgO – 2ΔfHº(298)HNO3 ,

где ΔfHº(298)I – энтальпия образования i-го компонента,

n – количество молей образовавшегося вещества

Таблица 4.4.2.3

Стандартные энтальпии образования для соответствующих компонентов

Компонент

ΔfHº(298), кДж/моль

n, моль

Mg(NO3)2

-792,8

232,9

H2O

-285,84

232,9

MgO

-601,24

232,9

HNO3

-173,0

232,9

ΔHхр = -792,8 + (-285,84) – (-601,24) – 2·(-173,0) = -131,5 кДж/моль

Qхр = 131,232,9 = 3,06·107 Дж

Расход

1. Тепло, уходящее с магнезитовой добавкой:

Qвыхмаг = (сMg(NO3)2·nMg(NO3)2 + cCa(NO3)2·nCa(NO3)2 + cH2O·nH2O)·tвых,

tвых = 110ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры магнезитовой добавки, используя температурные ряды [9]

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cCa(NO3)2 = 122,9 + 0,154·(110+273) – (17,2·105/(110+273)2) = 193,58 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(110+273) + (11,96·105/(110+273)2) = 76,52 Дж/моль·К

Qвыхмаг = (141,9·232,9 + 193,58·0,96 + 75,91·6222,2)·383 = 1,95·108 Дж

2. Теплопотери:

Общее уравнение теплового баланса:

Qвхмаг + QАК + QКСП + Qхр = Qвыхмаг + Qт.пот.

Т.к. теплопотери составляют 3% от общего количества тепла, приходящего в систему, тогда:

Qт.пот. = 0,03·(Qвхмаг + QАК + QКСП + Qхр ) = 0,03·(1,08·107 + 1,32·108 + 9,7·106 + 3,06·107 ) = 5,49·106 Дж

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.4

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с бруситом

1,08·107

Тепло с магнезитовой добавкой

1,95·108

Тепло с азотной кислотой

1,32·108

Теплопотери

5,49·106

Тепло с конденсатом сокового пара

9,7·106

Тепло химической реакции

3,06·107

Всего

1,99·108

Всего

2,00·108

4.4.2.3.Тепловой баланс процесса нейтрализации

Приход

1. Тепло, приходящее с газообразным аммиаком:

QАм = (сNH3·nNH3 + cH2O·nH2Otвх,

tвх = 150ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры процесса нейтрализации, используя температурные ряды [9]

сNH3 = 29,8 + 0,02548·(150+273) - (1,65·105/(150+273)2) = 39,64 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(150+273) + (11,96·105/(150+273)2) = 78,11 Дж/моль·К

QАм = (40,1·716,4 + 78,81·2,71) ·428 = 1,21·107 Дж

2. Тепло, приходящее с азотной кислотой:

QАК = (сHNO3·nHNO3 + cH2O·nH2O)·tвх

cHNO3 = 109,87 Дж/моль·К

QАК = (109,87·716,3 + 78,81·1912,8)·423 = 6,7·107 Дж

3. Тепло, приходящее с раствором аммиачной селитры (25%):

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + cH2O·nH2O + cNO3·nNO3)· tвх

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

cNO3 = 37,18 Дж/моль·К

QАС = (139,3·19,8 + 37,18·1,91 + 76,52·264,5)·423 = 1,00·107 Дж

4. Тепло, приходящее с конденсатом сокового пара:

QКСП = (сH2O·nH2O + cNH4NO3·nNH4NO3 + cHNO3·nHNO3)·tвх

QКСП = (78,81·363,2 + 139,3·0,3 + 109,87·0,4)·423 = 1,05·107 Дж

5. Теплота химической реакции:

NH3 + HNO3 = NH4NO3

Qхр = ΔНхр·n,

ΔHхр = ΔfHº(298)NH4NO3ΔfHº(298)NH3ΔfHº(298)HNO3 ,

где ΔfHº(298)I – энтальпия образования i-го компонента,

n – количество молей образовавшегося вещества

Таблица 4.4.2.5

Стандартные энтальпии образования для соответствующих компонентов

Компонент

ΔfHº(298), кДж/моль

n, моль/ч

NH4NO3

-365,1

710,0

NH3

-46,19

710,0

HNO3

-173,0

710,0

ΔHхр = -365,1 – (-46,19) – (-173) = -145,91 кДж/моль

Qхр = 145,91·710,0 = 1,0·108 Дж

Расход

1. Тепло, уходящее с раствором аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + cH2O·nH2O)· tвых,

tвых = 170ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(170+273) + (11,96·105/(170+273)2) = 78,99 Дж/моль·К

QАС = (139,3·710 + 78,99·350,6)·443 = 6,0·107 Дж

2. Тепло, уходящее с соковым паром:

QСП = (сNH4NO3·nNH4NO3 + cH2O·nH2O + сHNO3·nHNO3)· tвых

QСП = (139,3·1,7 + 78,99·1917,1 + 109,87·2,1)·443 = 7,1·107 Дж

3. Тепло, уходящее со слабым раствором аммиачной селитры:

QСАР = (сNH4NO3·nNH4NO3 + cH2O·nH2O + сHNO3·nHNO3)· tвых

QСАР = (139,3·9,0 + 78,99·477,0 + 109,87·0,4)·443 = 3,02·107 Дж

4. Теплопотери:

QТП = (сHNO3·nHNO3 + сNH3·nNH3)· tвых

сNH3 = 29,8 + 0,02548·(170+273) - (1,65·105/(170+273)2) = 40,24 Дж/моль·К

QТП = (109,87·6,3 + 40,24·6,7)·443 = 4,26·105 Дж

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.6

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с газообразным аммиаком

1,21·107

Тепло с раствором аммиачной селитры

6,0·107

Тепло с азотной кислотой

6,7·107

Тепло с соковым паром

7,1·107

Тепло с раствором аммиачной селитры (25%)

1,00·107

Тепло со слабым раствором аммиачной селитры

3,02·107

Тепло с конденсатом сокового пара

1,05·107

Теплопотери

4,26·105

Тепло химической реакции

1,0·108

Всего

1,80·108

Всего

1,79·108

4.4.2.4.Тепловой баланс процесса донейтрализации

Приход

1. Тепло, приходящее с раствором аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + cH2O·nH2Otвх,

tвх = 170ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(170+273) + (11,96·105/(170+273)2) = 78,99 Дж/моль·К

QАС = (139,3·710 + 78,99·350,6)·443 = 5,6·107 Дж

2. Тепло, приходящее с раствором Mg(NO3)2:

Qмаг = (сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cCa(NO3)2·n Ca(NO3)2 + cSiO2·nSiO2 + cFe2O3·nFe2O3 + cH2O·nH2O)· ·tвх

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры Mg(NO3)2, используя температурные ряды [9]

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cCa(NO3)2 = 122,9 + 0,154·(170+273) - (17,28·105/(170+273)2) = 182,32 Дж/моль·К

cSiO2 = 46,94 + 0,03431·(170+273) - (11,3·105/(170+273)2) = 56,39 Дж/моль·К

cFe2O3 = 97,74 + 0,07213·(170+273) - (12,89·105/(170+273)2) = 123,13 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(170+273) + (11,96·105/(170+273)2) = 78,99 Дж/моль·К

Qмаг = (141,9·232,9 + 182,32·0,96 + 56,39·8,98 + 123,13·0,28 + 78,99·6222,2)·443 = 2,32·108 Дж

3. Тепло, приходящее с газообразным аммиаком:

QА = (сNH3·nNH3 + cH2O·nH2Otвх

сNH3 = 29,8 + 0,02548·(170+273) - (1,65·105/(170+273)2) = 40,24 Дж/моль·К

QА = (40,24·1,4 + 78,99·0,005)·443 = 2,51·104 Дж

4. Теплота химической реакции

NH3 + HNO3 = NH4NO3

Qхр = ΔНхр·n,

ΔHхр = ΔfHº(298)NH4NO3 – ΔfHº(298)NH3 – ΔfHº(298)HNO3 ,

где ΔfHº(298)I – энтальпия образования i-го компонента,

n – количество молей образовавшегося вещества

Таблица 4.4.2.7

Стандартные энтальпии образования для соответствующих компонентов

Компонент

ΔfHº(298), кДж/моль

n, моль

NH4NO3

-365,1

876, 5

NH3

-46,19

876, 5

HNO3

-173,0

876, 5

ΔHхр = -365,1 – (-46,19) – (-173) = -145,91 кДж/моль

Qхр = 145,91·876, 5 = 1,27·108 Дж

Расход

1. Тепло, уходящее с раствором аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cCa(NO3)2·n Ca(NO3)2 + cSiO2·nSiO2 + cFe2O3·nFe2O3 + cH2O·nH2O + сNH3·nNH3)·tвых,

tвых = 170ºС

QАС = (139,3·876,5 + 141,9·232,9 + 182,32·0,96 + 56,39·8,98 + 123,13·0,28 + 78,99·6611,1 + 40,24·0,44)·443 = 4,0·108 Дж

2. Тепло, уходящее с газообразным аммиаком:

QА = (сNH3·nNH3tвых

QА = (40,24·0,04)·443 = 713,05 Дж

3. Теплопотери:

Общее уравнение теплового баланса:

QАС + Qмаг + QА + Qхр = QАС + QА + Qт.пот.

Т.к. теплопотери составляют 3% от общего количества тепла, приходящего в систему, тогда:

Qт.пот. = 0,03·(QАС + Qмаг + QА + Qхр) = 0,03·( 5,6·107 + 2,32·108 + 2,51·104 + 1,27·108) = 1,24·107 Дж

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.8

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с раствором аммиачной селитры

5,6·107

Тепло с раствором аммиачной селитры

4,0·108

Тепло с раствором Mg(NO3)2

2,32·108

Тепло с газообразным аммиаком

713,05

Тепло с газообразным аммиаком

2,51·104

Теплопотери

1,24·107

Тепло химической реакции

1,27·108

Всего

4,1·108

Всего

4,1·108

4.4.2.5.Тепловой баланс процесса упаривания

1. Найдем из теплового баланса трубчатой части аппарата количество подаваемого пара:

Q1  + Q2  = Q3 + Q4

где  Q1 = G1c1t1 = 1,299·106·1,93·150 = 3,76·108 кДж/ч – тепло с 99,3%-ным раствором аммиачной селитры;

Q3 = G3c3t3 = 1,295·106·1,8·180 = 4,2·108 кДж/ч – тепло с 99,5%-ным раствором аммиачной селитры;

Q4 = G4r4 = 3093,62837,5 = 8,7·106 кДж/ч – тепло с выпаренной водой;

Q2= 4,2·108 + 8,7·106 - 3,76·108  = 5,27·107 кДж/ч – тепло греющего пара.

Расход греющего пара, подаваемого в трубчатую часть аппарата:

Gпара= Q2/ r = 5,27·107  /1977,7 = 2,66·104 кг/ч

С учетом потерь 3%: Gпара= 2,66·104 ·1,03 = 2,74·104  кг/ч

2. Найдем из теплового баланса тарельчатой части аппарата количество подаваемого пара в змеевики:

Q1  + Q2  = Q3 + Q4

где  Q1 = G1c1t1 = 1,296·106·1,8·180 = 4,2·108 кДж/ч – тепло с 99,5%-ным раствором аммиачной селитры;

Q3 = G3c3t3 = 1,293·106·1,8·180 = 4,2·108 кДж/ч – тепло с 99,7%-ным раствором аммиачной селитры;

Q4 = G4r4 = 30002837,5 = 8,51106 кДж/ч – тепло с выпаренной водой;

Q2= 4,2·108 + 8,51106 -  4,2·108 = 8,51106 кДж/ч – тепло греющего пара.

Расход греющего пара, подаваемого в трубчатую часть аппарата:

Gпара= Q2/ r = 8,51106 /1977,7 = 4,3·103 кг/ч

С учетом потерь 3%: Gпара= 4,3·103·1,03 = 4,43·103 кг/ч

Приход

1. Тепло, приходящее с 90%-м раствором аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cH2O·nH2O)· tвх,

tвх = 150ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(150+273) + (11,96·105/(150+273)2) = 78,1 Дж/моль·К

QАС = (876,5·139,3 + 232,9·141,9 + 6611,1·78,1)·423 = 2,83·105 кДж

2. Тепло, приходящее с греющим паром:

а) поступающим в трубчатую часть аппарата:

2,74·104 1977,7 = 3,41·107 кДж/ч

б) с поступающим в змеевики, расположенные на тарелках концентрационной части аппарата:

4,43103 1977,7 = 8,76106 кДж/ч

QГП = 3,41·107 + 8,76106 = 4,28·107 кДж/ч

3. Тепло, приходящее с паровоздушной смесью:

а) Сухой воздух:     29287,25·1·180 = 5,27·105 кДж/ч

б) Вода:                   112,75·2837,5 = 3,19·105 кДж/ч

где 2837,5 кДж/кг – теплосодержание перегретого пара при Р=1 ат и t =150ºС.

QПВС = 5,27·105 + 3,19·105 = 8,46·105 кДж/ч

4. Тепло, приходящее с конденсатом сокового пара:

QКСП = G·r = 2606,56419 = 1,09·106 кДж/ч,

где  G – количество поступающего конденсата сокового пара, кг/ч

 r – теплота парообразования, кДж/кг

Расход

1. Тепло, уходящее с 99,7%-м плавом  аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cH2O·nH2O)· tвых,

tвых = 178,4ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cH2O = 39,02+0,07664·(178,4+273) + (11,96·105/(178,4+273)2) = 79,46Дж/моль·К

QАС = (16162,5·139,3 + 232,9·141,9 + 166,6·79,46)·451,4 = 1,03·106 кДж

2. Тепло, уходящее с паровоздушной смесью:

а) Сухой воздух:     29287,25·1·65 = 1,9·106 кДж/ч

б) Вода:                   6206,35·2641,8= 3,63·107 кДж/ч

где 2641,8 кДж/кг – теплосодержание перегретого пара при Р=1ат и t = 65ºС

QПВС = 1,9·106 + 3,63·107 = 3,82·107 кДж

3. Теплопотери:

Общее уравнение теплового баланса:

QАС + QГП + QПВС + QКСП = QАС + QПВС + Qт.пот.

Т.к. теплопотери составляют 3% от общего количества тепла, приходящего в систему, тогда:

Qт.пот. = 0,03·(QАС + QГП + QПВС + QКСП) = 0,03·(2,28·105 + 4,28·107 + 8,46·105 + 1,09·106) = 1,35·106 кДж

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.9

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с раствором аммиачной селитры

2,28·105

Тепло с раствором аммиачной селитры

1,03·106

Тепло с греющим паром

4,28·107

Тепло с паро-воздушной смесью

3,82·107

Тепло с паро-воздушной смесью

8,46·105

Теплопотери

1,35·106

Тепло с конденсатом сокового пара

1,09·106

Всего

4,40·107

Всего

4,28·107

4.4.2.6.Тепловой баланс процесса кристаллизации

Приход

1. Тепло, приходящее с 99,7%-м плавом аммиачной селитры:

QАС = (сNH4NO3·nNH4NO3 + сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cH2O·nH2O)· tвх,

tвх = 170ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(170+273) + (11,96·105/(170+273)2) = 79,06 Дж/моль·К

QАС = (16162,5·139,3 + 232,9·141,9 + 166,6·78,1)·443 = 1,02·106 кДж

2. Тепло, приходящее с воздухом:

QВ = G·c·tвоз = 2133801,00535 = 7,5·106 кДж/ч,

где  G – количество поступающего воздуха, кг/ч

с – удельная теплоемкость воздуха, кДж/(кгС)

 tвоз. – температура воздуха, С

3. Тепло, выделяющееся при кристаллизации, т.е. превращение расплавленной соли в кристаллическую модификацию III, стабильную в пределах 32,3-84,2С

70,25 + 51,28 + 17,47 = 139 кДж/кг,

где 70,25; 51,28; 17,47 – теплоты превращения: Плав  I, I  II, II  III соответственно, кДж/кг

При заданной нагрузке количество тепла, выделяющееся при кристаллизации, составит:

QКр. = 1,3·106139 = 1,8·108 кДж/ч

Расход

1. Тепло, уходящее с кристаллическим продуктом:

QКП = (сNH4NO3·nNH4NO3 + сMg(NO3)2·n Mg(NO3)2 + cH2O·nH2O)· tвых,

tвых =60ºС

Теплоемкости компонентов рассчитываем для данной температуры аммиачной селитры, используя температурные ряды [9]

сNH4NO3 = 139,3 Дж/моль·К

сMg(NO3)2 = 141,9 Дж/моль·К

cH2O = 39,02 + 0,07664·(60+273) + (11,96·105/(60+273)2) = 75,32 Дж/моль·К

QКП = (15500·139,3 + 232,9·141,9 + 213,3·75,32)·443 = 7,32·105 кДж

2. Тепло, расходуемое на испарение воды:

Qисп. = G·r = 28,4·2262,6 = 64257 кДж/ч

где  G – количество влаги, испаряемой из плава при грануляции, кг/ч

r – теплота парообразования при абсолютном давлении 1 кгс/см2, кДж/кг

3. Тепло, уходящее с воздухом:

QВ = G·c·tвоз = 213417,41,00575 = 1,6·107 кДж/ч

Сводим тепловой баланс в таблицу:

Таблица 4.4.2.10

Приход

Расход

Статья прихода

Q, Дж

Статья расхода

Q, Дж

Тепло с плавом аммиачной селитры

1,02·106

Тепло с кристаллическим продуктом

7,32·105

Тепло с воздухом

7,5·106

Тепло,расходуемое на

испарение воды

64257

Тепло,выделяющееся при кристаллизации

1,8·108

Тепло с воздухом

1,6·107

Всего

1,8·108

Всего

1,7·108


4.5. Выбор и расчет основного и вспомогательного оборудования

Конструктивный расчет аппарата ИТН

Расчет реакционной части

1) Сечение реакционного стакана:

                          (4.5.1)

где Vп – объем водяного пара, образующегося в реакторе, м3/ч;

Vа – объем аммиака, м3/ч:

Т0 = 273 К, Р0 = 105 Па;

t = 160 ºС – температура в аппарате, ºС;

vп – скорость парожидкостной смеси, м/c.

Из материального баланса:

mп = 34508,5 кг/ч;

mам = 12183,6 кг/ч;

mр-ра = 63111,1 кг/ч

Vп = mп22,4 / Мп = 34508,5 22,4 / 18 = 42943,9 м3

Vам = mам22,4 / Мам = 12183,6 22,4 / 17 = 16053,7 м3

Vр-ра = mр-ра /р-ра = 63111,1 / 1700 = 37,3 м3

Принимаем, что vп = 9,0 м/с

м2

2) Диаметр реакционного стакана:

                                         м                                (4.5.2)                                                                                                              

Рабочая скорость wп = 8,96 м/с

Время пребывания смеси в реакционном стакане = 0,5 - 1 с

Принимаем = 0,51 с

3) Длина реакционного стакана:

                                L =  vп = 0,518,96 = 4,57 м                                   (4.5.3)                          

Принимаем длину реакционного стакана L = 4,6 м

4) Пересчитаем время: 

= L / Vп = 4,6 / 8,96 = 0,513 с

Расчет сепарационной части

1) Допустимая скорость для колпачковых тарелок:

,                                          (4.5.4)

где dк – диаметр колпачка, м; х, у – плотности жидкости и газа; hк – высота между тарелками.

Выбираем колпачковые тарелки типа ТСК–Р: диаметр колпачка 150мм, высота между тарелками 600 мм, доля свободного сечения тарелки 0,132; периметр слива Lc = 2,88 м.

2) Диаметр сепарационной части находим из уравнения расхода:

     м ,                  (4.5.5)

где Vо = 17087 кг/ч – объем пара при нормальных условиях, м3

t = 105 ºС – температура пара, ºС; P – давление в сепараторе, МПа;

Принимаем диаметр сепарационной части dc = 6,0 м

Действительная рабочая скорость в сепараторе:

м/с                                    (4.5.6)

3) Определение высоты сепарационной части

Плотность орошения:

м/с                (4.5.7)

4) Высота газожидкостного слоя:

,                                               (4.5.8)

где В = 8 – коэффициент; С – величина равная:

             (4.5.9)

м

5) Площадь свободного сечения:

м2                     (4.5.10)                           

где f = 0,132 - доля свободного сечения тарелки

6) Газосодержание барботажного слоя:

м33                 (4.5.11)                

7) Высота светлого слоя жидкости для колпачковых тарелок:

,                     (4.5.12)

где hпер – высота переливной перегородки;

     м3/м·с                     (4.5.13)

– линейная плотность орошения

м

8) Коэффициенты массоотдачи, отнесенные к единице рабочей поверхности тарелки для жидкой и газовой фаз, соответственно:

βx =                          (4.5.14)

   βy =                              (4.5.15)

где x и y – коэффициенты молекулярной диффузии распределения компонентов в жидкости и газе; u – плотность орошения, м33·с; - свободный объем, м33; h0 – высота светлого слоя жидкости, м.

βx = м/с

βy = м/с

Выразим βx, βy в выбранной для расчета размерности:

βx = 0,0008·1170 = 0,936 кг/(м2·с)

βy = 5,21·0,607 = 3,16 кг/(м2·с)

9) Коэффициент массопередачи:

кг/(м2·с)               (4.5.16)

где m – коэффициент распределения

10) Поверхность тарелок находится из уравнения массопередачи:

M = Kx  F xср = Ky  F yср                                 (4.5.17)

где Kxf  и Kyf  - коэффициенты массопередачи для жидкой и газовой фаз; М – масса передаваемого вещества, кг/с; F = 17,8 м2

Рабочая поверхность тарелок с перетоками находится по уравнению:

f =   0,785  d2 = 0,9 0,785 62 = 4,2 м2                     (4.5.18)

где - доля рабочей площади тарелки.

11) Требуемое число тарелок:

n = F / f = 17,8 / 4,2 = 4,23                               (4.5.19)

Принимаем количество тарелок n = 4

Расстояние между тарелками h = 0,6 м  

12) Высота сепарационной части аппарата:

Н = (n – 1)h = (4 – 1) 0,6 = 1,8 м                            (4.5.20)


4.6. Аналитический контроль [8]

Таблица 4.6.1

Объект анализа, место отбора проб

Контролируемый

параметр

Частота и способ контроля

Нормы и технические показатели

Методы испытания

Требуемая точность измерения параметра

Кто

контролирует

  1.  

Трубопровод плава амселитры после гидрозатвора

Массовая доля амселитры

1 раз в смену

не менее 99,7 %

По температуре кристаллизации.

  0,5 %

лаборант ЦОТК

аппаратчик

Массовая доля масла

1 раз в сутки

не более 7 мг/кг плава

Спектрофотометрический.

Шифр С-С-10-97-А-11

  8 %

лаборант ЦОТК

Массовая доля хлоридов (в пересчете на Cl)

1 раз в дневную смену

не более 48 мг/кг плава

Титриметрический

  12 %

лаборант ЦОТК

Трубопровод паровоздушной смеси на выходе из выпарного аппарата

Массовая концентрация:

а) амселитры

По требованию

не более 8 г/м3

Фотоколориметрический.

  15 %

лаборант ЦОТК

б) аммиака

По требованию

не более 2,0 г/м3

Титриметрический

  15 %

лаборант ЦОТК

Трубопровод воздуха на входе в подогреватель

Влажность абсолютная

По требованию

фактическая

Измерение точки росы.

  25 %

лаборант ЦОТК

Трубопровод воздуха после подогревателя

Влажность абсолютная

По требованию

фактическая

Измерение точки росы.

  25 %

лаборант ЦОТК

Трубопровод паровоздушной смеси после промывателя

Массовая концентрация:

а) амселитры

По требованию

не более 0,2 г/м3

Фотоколориметрический.

  15 %

лаборант ЦОТК

б) аммиака

По требованию

не более 0,3 г/м3

Титриметрический

  15 %

лаборант ЦОТК

Трубопровод раствора амселитры после промывателя

Массовая доля амселитры

По требованию

не более 35 %

Титриметрический

Шифр 0-АС-06-96-А-12

  6 %

лаборант ЦОТК

Массовая концентрация азотной кислоты

По требованию

не более 20 г/дм3

Титриметрический

  1 %

лаборант ЦОТК


5. Автоматизация и АСУП [8]

На стадии нейтрализации и донейтрализации необходимо установить

контроль за следующими параметрами технологического режима: температура процесса, давление в аппарате ИТН, температура азотной кислоты после подогревателя, давление аммиака перед подогревателем, давление пара, подогреваемого в подогревателе, температура аммиака после подогревателя, давление аммиака перед аппаратом ИТН, концентрация HNO3, температура сокового пара после ИТН.

Таблица 5.1

Номер пози-ции по схеме авто-мати-зации

Наименование и краткая характеристика прибора

Тип, марка прибора

Ко-ли-чество

Примечание

1

2

3

4

5

1, 3а, 6а, 9

Датчик температуры. Пределы измерений: - 50 ÷ 180°С. Измеряемая среда: газ, жидкость.

ТСМ Метран 204

4

2

Датчик для измерения избыточного давления. Верхний предел измерений: 0,025 кПа ÷ 10 МПа. Измеряемая среда: жидкость, пар, газ.

Метран-150 CGR

1

4,5,7

Датчик давления предназначен для измерения давления жидкости, пара, газа. Верхний предел измерений: 3,2 кПа ÷ 25 МПа.

Метран - 150 ТА

3

8

Анализатор жидкости кондуктометрический предназначен для измерения концентрации растворов кислот (H2SO4; HCl; HNO3), щелочей (NaOH, KOH) при температуре измеряемой среды до 95 °С. Выходной сигнал 4 ¸ 20 мА, либо дискретный.

АЖК-3101 К

1

3б, 6б

Клапан малогабаритный регулирующий

КМР 101нж 65 63 Р НЗ У

2


Таблица 5.2

Перечень контролируемых и регулируемых параметров

Наименование  параметра

Заданное значение параметра

Отображение информации

Регу-лир.

Наиме-нова-ние регули-рующе-го воздей-ствия

Характеристика среды

пока-зание I

регист-рация R

сумм-миро-вание, Q

сигна-лиза-ция, A

Датчиков

Регулир. органов

агрессив-ная

пожа-ро- и взры-во-опас-ная

агрессив-ная

пожа-ро- и взры-во-опас-ная

1

Температура процесса

148-165 0С

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

2

Избыточное давление в аппарате ИТН

менее 20 кПа

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

3

Температура азотной кислоты после подогревателя

75-90 0С

+

-

-

-

+

Расход пара сокового

+

-

+

-

4

Давление аммиака перед подогревателем

0,25-0,45 МПа

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

5

Давление пара, подаваемого в подогреватель

0,8 МПа

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

6

Температура аммиака после подогревателя

120-180 0С

+

-

-

-

+

Расход пара

+

-

+

-

7

Давление аммиака перед аппаратом ИТН

0,18-0,22 МПа

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

8

Концентрация HNO3

10-20 г/дм3

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

9

Температура сокового пара после аппарата ИТН

100-106 0С

+

-

-

+

-

-

+

-

-

-

Развернутая схема автоматизации представлена в приложении 5.1.


6. Охрана труда и окружающей среды

6.1. Анализ степени опасности технологического процесса

Работа над разделом начинается с детального анализа проектируемого технологического процесса, оборудования, операций с точки зрения опасности для человека и окружающей среды. Выявляются вредные и опасные производственные факторы, характерные для проектируемого отделения. Результат анализа представлен в таблице 6.1.1.

Таблица 6.1.1

Наименование

отделения

или стадии

технологичес-

кого процесса

Наименование

оборудования

Количес-тво

оборудо-вания

Технологи-

ческие параметры

Перечень

токсичных,

взрыво-

пожаро-

опасных

веществ

Количес-тво

людей,

обслужи-вающих обору-

дование

Вредные

и опасные

факторы

1

2

3

5

6

7

8

Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком

Подогреватель газообраз-ного аммиака

1

Р = 1,49 МПа

Т = не более 200С

Аммиак

газообразный

10-15

Наличие токсичных и взрыво-

опасных

веществ, производ-

ственный шум и вибрация,

опасность

поражения

электри-

ческим

током, повышен-

ная тем-

пература

Подогреватель азотной кислоты

2

Трубное пространство:

Р = 0,8 МПа

Т = не более 100С

Межтрубное пространство:

Р = 0,8 МПа

Т = 105С

Азотная  кислота HNO3

Аппарат ИТН

2

Р = 0,02 МПа

Т (в реакционной зоне) = 148-165С

Т (в сепарационной зоне) = 100-106 С

Аммиак

газообразный;

азотная  кислота HNO3;

раствор аммиачной селитры

Бак-гидрозатвор

1

Р = 5,0 кПа

Т = 180С

Раствор аммиачной селитры

Отделитель-испаритель жидкого аммиака

1

Р =0,3 МПа

Аммиак

газообразный, жидкий

Донейтрализа-ция избытка азотной кислоты газообразным аммиаком

Донейтрализатор

1

Р = 0,02 МПа

Т = 160С

Аммиак

газообразный;

азотная  кислота HNO3;

раствор аммиачной селитры

10-12

Контрольный донейтрали-затор

1

Р = 0,02 МПа

Т = 180С

Аммиак

газообразный;

азотная  кислота HNO3;

раствор аммиачной селитры

Скруббер-нейтрализатор

1

Р = 0,02 МПа

Т =100С

Аммиак

газообразный


6.2. Обеспечение санитарно – гигиенических и

экологических требований к качеству окружающей среды

6.2.1 Микроклиматические условия

Производство располагается на открытой территории

В данном случае работник в течение рабочей смены находится на различных рабочих местах: непосредственно на открытой площадке и в помещении ЦПУ. Оценку микроклиматических условий начинаем с определения категории тяжести работ, выполняемых на рабочих местах, по характеру работы и уровню энергозатрат.

В ЦПУ выполняются работы легкой категории тяжести работ 1б – это работы, производимые сидя, стоя или связанные с хотьбой и сопровождающиеся некоторым физическим напряжением (энергозатраты – 140-174 Вт).

Для выбранных категорий работ приводим нормативные значения микроклиматических параметров в таблице  6.2.1.1 и 6.2.1.2.

Таблица 6.2.1.1

Оптимальные величины показателей микроклимата на рабочих местах

помещений ЦПУ [4]

Период

года

Категория

тяжести

выполня-мых

работ

Температура

воздуха,

ºС

Относитель-ная

влажность

воздуха,

%

Скорость

движения

воздуха

не более,

м/с

Холодный

21-23

60-40

0,1

Теплый

22-24

60-40

0,1

Таблица 6.2.1.2

Допустимые величины показателей микроклимата на рабочих

местах помещений ЦПУ [4-5]

Период

года

Категория

тяжести

выполня-мых

работ

Темпера-тура

воздуха,

ºС

Относитель-ная

влажность

воздуха,

%

Скорость

движения

воздуха

не более,

м/с

Холодный

19,0-24,0

15-75

0,1

Теплый

20,0-28,0

15-75

0,1

Для предотвращения переохлаждения при работе на открытой территории в зимний период времени работающие обеспечиваются теплоизолированными комплектами СИЗ, предусматривается регламентация продолжительности работы в неблагоприятной среде. В качестве мероприятий, предусмотренных для поддержания заданных параметров микроклимата в помещении ЦПУ, можно предложить:

- установку системы механической общеобменной приточно-вытяжной системы;

- установку системы отопления для холодного периода года;

           - наличие тамбуров у входных дверей

6.2.2. Оценка уровня загрязнения воздушной среды вредными веществами

В таблице 6.2.2.1 приведены показатели, характеризующие степень токсичности веществ, образующиеся в производстве.

Таблица 6.2.2.1

Показатели, характеризующие степень опасности вредных

веществ и материалов[6-8]

Назва-ние вещест-ва,

поступа-

ющего

в воздух

рабочей

зоны

Агрегат-ное

состояние

и характер

токсичес-

кого дей-

ствия на

организм

человека

Класс

опас-

ности

Предельно допустимые

концентрации, мг/м3

ПДКРЗ

ПДКМР

ПДКСС

Аммиак

газооб-разный

Газ;

общеток-

сическое,

раздража-

ющее

IV

20

0,2

0,04

Азотная  кислота HNO3 

Жидкость;

общеток-

сическое,

раздража-

ющее

III

2

0,4

0,15

Растворы и плав аммиач-

ной селитры

Жидкость, плав;

общеток-

сическое,

раздража-

ющее,

аллерген-

ное

IV

25

-

0,30

Для обеспечения максимальной безопасности при работе с вредными веществами предусматривается комплекс мер по снижению степени воздействия этих веществ на человека и окружающую среду, а именно:

- средства коллективной защиты (герметизирующие средства, дистанционного управления);

- механизация и автоматизация технологического процесса;

- применение СИЗ

Предусмотренные в проекте мероприятия по обеспечению безопасности при работе с вредными веществами представлены в таблице 6.2.2.2.

Таблица 6.2.2.2

Мероприятия по обеспечению безопасности при работе

с вредными веществами[9-11]

Название веществ, поступающих в

воздух

рабочей зоны

Средства

коллектив-

ной защиты

Методы

контроля

Периодич-

ность

контроля

СИЗ

Аммиак

газообразный

Герметизирующие

средства, устройства дистанционного управления

Колориметрия, фотоколориметрия,

автоматические методы

1 раз в квартал

Прорезиненная спецодежда, обувь, перчатки, респираторы,

противогазы, очки, полумаска РПГ-67 ; фильтрующе-поглотительная коробка (КД), тип маски – ШМП, фильтрующий противогаз УЗС ВК

Азотная  кислота HNO3 

Колориметрия

1 раз в квартал

Перчатки, рукавицы, защитные очки, полумаска РПГ-67; фильтрующе-поглотительная коробка (КД), тип маски – ШМП, фильтрующий противогаз МЗС ВК

Аммиачная

селитра

(нитрат

аммония)

(пыль)

Газовая хроматография

1 раз в квартал

Перчатки, рукавицы, защитные очки, полумаска РПГ-67 ; фильтрующе-поглотительная коробка (КД), тип маски – ШМП, фильтрующий противогаз ППФ-95

6.2.3 Выбор и расчет системы вентиляции

В помещении ЦПУ предусматривается наличие механической общеобменной приточно – вытяжной вентиляции. Рассчитаем необходимый воздухообмен вытяжной системы общеобменной вентиляции:

LудОВ = Q/[C·pср·(t1