Регенерация азотной и серной кислоты - Химия - Скачать бесплатно

ВВЕДЕНИЕ    3


1. Аналитическая часть 4

  1.1. Технико-экономическое обоснование выбранного метода производства   4
  1.2 Патентная часть  8
  1.3 Выбор и обоснование района строительства     13
    Географические и климатические данные региона. 14

2. Расчетно-технологическая часть 15

  2.1. Описание технологической схемы   15
  2.2 Принцип работы колонны концентрирования H2SO4      18
  2.3. Стандартизация. Технологическая характеристика сырья,
  полуфабрикатов, готового продукта. ГОСТ и технические требования. 20
    Свойства готовых продуктов, сырья и полуфабрикатов.  22
  2.4. Химизм основных и побочных реакций [4]      23
  2.5 Инженерные решения     27
  2.6. Расчет материального баланса отделения концентрирования HNO3 [1]
  27
  2.7. Расчет теплового баланса [7]     33

3. Технико-технологическая часть  44

  3.1. Выбор и расчет производительности основного и вспомогательного
  оборудования технологической схемы    44
  3.2 Расчет количества аппаратов 45

4. Конструктивно-механические расчеты   46

  4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]    46
  1.2. Гидродинамический расчет   50
    1.2.1.  Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]
    50
    4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по
    ходу газа ступеней вихревой колонны [5]  53
  4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6],
  [7] 57

5. Выбор и обоснование схемы автоматизации производственного процесса
62

  Общие сведения о типовой микропроцессорной системе.    63
  Технологический процесс регенерации отработанных кислот     64
  Описание контуров    66
    Регулирование уровня в напорном баке     66
    2 Регулирование температуры охлажденной кислоты по изменению подачи
    хладагента.  66
    Регулирование соотношения расходов при автоматизации топки      67
    4. Контур контроля давления   67
    5. Регулирование концентрации кислот     68
  9. Экономическое обоснование проекта  89
    Расчет нормируемых оборотных средств:    91
    Расчет численности и фонда заработной платы:   92
    Расчет фонда заработной платы основных производственных рабочих 93
    Расчет фонда З.П. вспомогательных рабочих (дежурный персонал)   95
    Расчет годового расхода электроэнергии (по проекту)  97
    Смета цеховых расходов   100
    Сравнительные технико-экономические показатели производства     102

6. Безопасность и экологичность проекта.     72

  Анализ производства. 72
  Индивидуальные средства защиты  72
  Шум и вибрация 74
  Вентиляция     75
    Расчет вентиляции  76
  Метеорологические условия  76
  Пожарная профилактика      77
  Освещение 79
    Расчет естественного освещения      79
    Расчет искусственного освещения.    80
    Электробезопасность      81
    Защитные меры в электрооборудовании 82
    Статическое электричество и молниезащита.      83
    Молниезащита 83
    Расчет молниезащиты      83
  Безопасность технологического процесса.    85
  Экологичность проекта      85
  2.8 Расчет материального баланса концентрирования H2SO4     39
  2.9. Расчет теплового баланса вихревой колонны   40

7. Строительно-монтажная схема здания цеха и компоновка оборудования
86


8. Генеральный план. Пояснения к схеме генерального плана.    88


Заключение  103


Список использованных источников  104


Приложение, спецификация     106



Перечень условных сокращений,  обозначений, применяемых в проекте.


      АК - азотная кислота
      СК - серная кислота
      НКЛ – нитрокаллоксилин
      ОК - отработанная кислота
      ВКУ – вихревое контактное устройство
      АСУТП – автоматизированные системы  управления технологическим
процессом
      УВМ – управляющая вычислительная машина
ВВЕДЕНИЕ [1]
      В настоящее время развитие производств, применяющих  смесь  азотной  и
серных кислот в качестве нитрующего агента, привело  к  получению   огромных
количеств отработанных кислотных смесей. Эти  смеси  с  экономической  точки
зрения необходимо регенерировать и  в  необходимых  расчетных  концентрациях
возвращать обратно в производственный  цикл,  тем  самым  удешевляя  единицу
себестоимости готовой продукции.
      Состав тройных смесей HNO3 –H2SO4 – H2O, поступающих  на  регенерацию,
колеблется в довольно широких пределах. В  одних  случаях  они  представляют
сильно разбавленные кислотные смеси с содержанием азотной кислоты  5-10%,  в
других случаях отработанные кислоты содержат 1-2% азотной кислоты  и  65-70%
серной  кислоты,  в  которой  растворены  окислы  азота   N2O3,   образующие
нитрозилсерную кислоту HNSO5.
      Регенерация таких смесей представляет собой определенные  трудности  и
требует изыскания все новых  и  новых  способов,  обеспечивающие  нормальное
ведение процесса разгонки отработанных кислот, а также получение  азотной  и
серной кислот, которые по своим качествам и техническим  характеристикам  не
уступают свежим кислотам применяемым для нитрации.
      Начальной  ступенью  регенерации  отработанных  кислот   является   их
денитрация. Этот процесс заключается в выделении их кислотной смеси  азотной
кислоты и окислов азота,  содержащихся  в  смеси.  В  результате  проведения
процесса денитрации получается 68-70% серная кислота, которая  поступает  на
концентрирование, после чего,  в  случае  необходимости,  может  быть  снова
направлена непосредственно в цикл нитрации.

1. Аналитическая часть


1.1. Технико-экономическое обоснование выбранного метода производства [2],
[3]


      В  современной  технологии   для   концентрирования   серной   кислоты
применяются два вида установок:
      - с внешним обогревом;
      - с непосредственным соприкосновением греющих газов с кислотой.
      К  установкам  внешнего  обогрева  относятся  котлы,  так   называемые
реторты, установки типа Бюшинга, Паулинга, Фришера, а также Майснера. В  них
происходит  обогрев  кислоты  через  стенку  в  аппаратах  колонного   типа,
установки вакуум-аппаратов и установки Дюпон пленочного типа.
      К установкам  с  непосредственным  соприкосновением  горячих  газов  с
кислотой относятся  установки  Кесслера;  широкое  распространение  получили
аппараты типа Хемико, работающие в режиме барботирования  газов  через  слой
серной кислоты и аппараты Вентури трубного типа.
      Суть процесса концентрирования в аппаратах этого  типа  заключается  в
дроблении кислоты на капли благодаря потоку горячего газа.
      Оба вида технологий получения концентрированной серной  кислоты  имеют
как  положительные,  так  и  отрицательные   стороны,   которые   необходимо
учитывать при выборе характера производства в  каждом  отдельном  проекте  с
учетом экономических показателей и наличия трудовых и сырьевых ресурсов.
      Большим  преимуществом  установок   с   внешним   обогревом   является
отсутствие или минимальное количество тумана серной кислоты, образующейся  в
результате работы концентраторов второго  типа,  а  также  получения  серной
кислоты с крепостью  до  98%.  Благодаря  исключению  необходимости  очистки
выхлопных газов  от  кислотного  тумана,  появляется  возможность  удешевить
технологический  процесс  в  результате  выхода  из  технологической   схемы
дорогостоящих  электрофильтров.  Но  при  концентрировании  серной  кислоты,
например,  в  ретортах  до  96%  крепости  и  выше,  происходит  их  быстрое
изнашивание  из-за  высокой  температуры  кипения  серной  кислоты,  которая
достигает  t=300оC.  Кроме  того,  при  высоких  температурах  увеличивается
испарение и разложение серной кислоты,  что  ведет  к  потере  количества  и
качества серной кислоты. Эти недостатки  учтены  и  устранены  в  установках
типа Майснера,  где  концентрирование  происходит  под  вакуумом.  Установки
Майснера весьма компактны по сравнению с  ретортными  установками  Паулинга.
При  проектировании  производств  одной  и  той  же  мощности,  установки  с
колоннами Майснера занимают менее 40%  площади,  требующейся  для  установки
реторт  Паулинга.  Однако  установки   Майснера   имеют   весьма   серьезный
недостаток  ввиду  малой   производительности   (выход   готового   продукта
составляет до 13-15 т/сут.). К другому недостатку  относится  растрескивание
ферросилидовых  царг,   проявляющееся   в   процессе   эксплуатации   данной
установки, а также нарушение уплотнения между царгами. К недостаткам  колонн
Майснера  относится  также   необходимость   строительства   котельных   для
выработки водяного пара , применяемого в колоннах. Следовательно,  этот  тип
установок   может   быть   применен   только   в    случаях    необходимости
концентрирования небольших количеств серной  кислоты  и  для  получения  при
этом серной кислоты высокой концентрации (до 98%).
      Проблема растрескивания ферросилидовых материалов и проблема появления
неплотностей   были   решены   с   появлением   установок   с    применением
нагревательных труб и метода стекающей пленки в  установках  типа  Дюпон.  В
этих  установках  применено  новое  техническое  решение  в   виде   монтажа
оборудования с учетом механических и термических напряжений ферросилида,  то
есть либо на катках, либо на пружинных подвесках. К преимуществам  относится
простота  устройства,  исполнения   и   обслуживания.   Эти   установки   по
производительности относятся к числу средних,  достигая  до  25  т/сутки.  К
недостаткам  этого   вида   установок   относится   загрязнение   внутренних
поверхностей  труб  с  течением  времени,  что  приводит   к   снижению   их
теплопропускной способности и необходимости  их  периодической  прочистки  и
промывки с применением большого количества воды. В нашей стране в  начальный
период  развития  производства  получения   высококонцентрированной   серной
кислоты установки этого  типа  пользовались  большой  популярностью,  но,  в
связи  с  бурным  ростом  промышленности,   потребляющей   СК   в   огромных
количествах, установки первого типа были в  основном  вытеснены  установками
второго  типа  –  с  непосредственным  соприкосновением  греющих   газов   с
кислотой, а установки с внешним обогревом функционируют и в настоящее  время
в единичных экземплярах.
      Один из представителей установок второго типа  установки  Кесслера,  в
которых значительно облегчена передача тепла  от  топочных  газов  к  серной
кислоте. Концентрируемая кислота не доводится до точки кипения,  а  большая,
открытая поверхность контакта газа  и  кислоты  максимизирует  интенсивность
процесса массопередачи и теплопередачи. Кроме того, преимуществом  установок
Кесслера является их возможность работать на  любом  местном  виде  топлива:
газообразном,  жидком,  твердом,  что   значительно   увеличивает   сырьевые
возможности  безостановочного  перехода  с  одного  вида  топлива  в  случае
необходимости  на  другой.  К  недостаткам  в   первую   очередь   относится
необходимость периодической  чистки  рекуператора  с  выгрузкой  насадки,  а
также большая потеря СК с отходными газами, что составляет  порядка  2-2,5%.
Данные  аппараты  имеют  небольшую  производительность  –  20   т/сутки.   В
последнее время  установки  Кесслера  в  своем  большинстве  были  вытеснены
концентраторами барабанного типа. В аппаратах  этого  типа  концентрирование
производится путем барботажа горячих газов через упариваемую кислоту, как  в
слое кислоты, так и в зоне  брызг,  где  на  поверхности  капель  происходит
хорошая  теплопередача.  До  настоящего  времени  они   считались   наиболее
удобными, экономичными и практичными для  концентрирования  серной  кислоты.
Основной вид топлива для этих установок – мазут. Однако в последнее время  в
связи  с  ростом  производства  природного  газа,  последний   стал   широко
применяться в концентраторах барабанного типа.
      К преимуществам этих  концентраторов  относятся  лучшее  использование
тепла и переработка большого количества кислоты. Данные концентраторы  имеют
и  ряд  существенных  недостатков,  которые  не  могут  быть  устранены  без
коренных изменений конструкции. Первый недостаток заключается в  поддержании
строгого температурного режима топочных газов, так как увеличение  его  даже
на  10  ОС  довольно  быстро  разрушает  барботажные  трубы  первой   камеры
концентратора  и  ,  следовательно,  увеличиваются  потери   СК   из-за   ее
термического разложения, которые составляют 10-15% от общего количества  СК,
идущей на концентрирование.
      Вторым, весьма существенным недостатком, является образование паров  и
туманов СК, улов  которых  требует  применение  громоздких  и  дорогостоящих
сооружений  –  электрофильтров,  причем  сами  электрофильтры   тоже   имеют
недостатки – они  осуществляют  неполный  улов  сернистых  газов  и  окислов
азота, которые выбрасываются в атмосферу; стоимость же их  весьма  велика  и
составляет  до  30%  затрат  на  всю  установку.  Учитывая  все   изложенные
преимущества и  недостатки,  появились  новые  скоростные  концентраторы,  в
которых  потоком  горячего  газа  жидкость  преимущественно  разбивается  на
мельчайшие  капли.  Для  создания  такого  процесса  концентрирования  СК  в
капельном состоянии используют аппараты Вентури.
      Таблица №1 - Расходные коэффициенты на получение 92,5% серной кислоты

|Показатели                        |Барботажный        |Трубы Вентури      |
|                                  |концентратор       |                   |
|Топливо, кг                       |70                 |44,5               |
|Вода (t=25 ОС)                    |7                  |6,5                |
|Эл. энергия, кВт/ч                |18                 |16,6               |

      Применение этих труб имеет ряд преимуществ: при небольших размерах они
имеют большую производительность, что позволяет снизить капитальные  затраты
на  1  тонну  концентрированной   кислоты   по   сравнению   с   барботажным
концентратором. Преимуществом этого метода является  то,  что  более  низкая
температура  кипения   кислоты   уменьшает   степень   разложения   при   ее
концентрировании  и  уменьшает  туманообразование,  что  в  конечном   итоге
приводит к уменьшению требуемого объема газоочистки.
      Вихревая ферросилидовая колонна коренным образом  отличается  от  ныне
действующих   в   промышленности   систем   концентрирования   СК.   Процесс
осуществляется в режиме без образования туманов серной кислоты и  сернистого
ангидрида, что резко  снижает  газовые  выбросы.  Конструктивное  исполнение
концентратора  позволяет  за  счет   дополнительных   брызгоуловительных   и
абсорбционных ступеней осуществлять снижение газового выброса до  санитарных
норм без электрофильтров и скрубберов.

1.2 Патентная часть

      Для проведения патентных исследований определяется предмет  поиска  по
теме дипломного проекта, подлежащей исследованию.
      Предмет поиска: "Регенерация отработанных кислот."
      Поиск проводится по отечественному патентному фонду, исходя из наличия
фонда в библиотеке КГТУ. Глубина поиска – 5 лет,  начиная  с  1994   года  и
вглубь без пробелов.
      Источник информации об  отечественных  изобретениях  по  Международной
классификации изобретения МПК:
      С01В17/88,  С01В17/90,  С01В21/24,  С01В21/22,  С01В21/38,  С01В21/40,
С01В21/44.
      Целью исследований является установление  уровня  развития  техники  в
данной области и анализ применимости  прогрессивности  решений  в  дипломном
проекте.
      Для составления полного списка изобретений, имеющих отношение  к  теме
поиска,  пользуются  годовыми  систематическими  указателями  к  официальным
бюллетеням.
      Номера охранных документов, имеющих отношение к теме поиска, заносятся
в таблицу.
      Таблица №2 – Список охранных документов
|Индекс МПК    |№№ охранных   |№№ БИ   |Страна  |Название         |
|              |документов    |или ИЗР |выдачи  |изобретения      |
|              |              |        |патента |                 |
|              |              |1994 год|        |                 |
|С01В17/88     |2016842       |14      |РФ      |Способ           |
|              |              |        |        |концентрирования |
|              |              |        |        |H2SO4            |
|С01В21/24     |2022917       |21      |РФ      |Способ получения |
|              |              |        |        |окиси азота      |
|С01В21/26     |1102183       |6       |РФ      |Способ окисления |
|              |              |        |        |аммиака          |
|С01В21/38     |2009996       |6       |РФ      |Способ получения |
|              |              |        |        |азотной кислоты  |
|              |              |1993 год|        |                 |
|С01В17/22     |1805095       |12      |        |Способ           |
|              |              |        |        |регенерации      |
|              |              |        |        |отработанной     |
|              |              |        |        |H2SO4            |
|С01В21/38     |1809774       |14      |        |Способ снижения  |
|              |              |        |        |содержания       |
|              |              |        |        |оксидов азота в  |
|              |              |        |        |хвостовых газах  |
|              |              |        |        |производства     |
|              |              |        |        |слабой азотной   |
|              |              |        |        |кислоты          |
|              |              |1992 год|        |                 |
|С01В21/22     |1675202       |33      |РФ      |Способ получения |
|              |              |        |        |закиси азота     |
|С01В21/26     |1636332       |11      |РФ      |Способ очистки   |
|              |              |        |        |газообразного    |
|              |              |        |        |монооксида азота |
|              |1698187       |46      |РФ      |Способ получения |
|              |              |        |        |могооксида азота |
|С01В21/24     |1650575       |19      |РФ      |Способ           |
|              |              |        |        |двухступенчатого |
|              |              |        |        |окисления аммиака|
|С01В21/38     |1664740       |27      |РФ      |Способ           |
|              |              |        |        |автоматического  |
|              |              |        |        |управления       |
|              |              |        |        |процессом очистки|
|              |              |        |        |хвостовых газов  |
|              |              |        |        |от оксида азота  |
|С01В21/40     |1668291       |29      |РФ      |Способ           |
|              |              |        |        |переработки      |
|              |              |        |        |окислов азота в  |
|              |