El nitrato de amonio se obtiene neutralizando el ácido nítrico con amoníaco gaseoso según la reacción:
NH 3 (g) + НNO 3 (l) NH 4 NO 3 +144,9 kJ
Esta reacción casi irreversible se produce a gran velocidad y con la liberación de una cantidad significativa de calor. Por lo general, se lleva a cabo a una presión cercana a la atmosférica; en algunos países, las plantas de neutralización operan a una presión de 0,34 MPa. En la producción de nitrato de amonio, se usa ácido nítrico diluido al 47-60%.
El calor de la reacción de neutralización se usa para evaporar el agua y concentrar la solución.
La producción industrial incluye las siguientes etapas: neutralización del ácido nítrico con amoníaco gaseoso en el aparato ITN (uso de calor de neutralización); evaporación de solución de salitre, granulación de fusión de salitre, enfriamiento de gránulos, procesamiento de gránulos de surfactante, envasado, almacenamiento y carga de salitre, emisiones de gases y tratamiento de aguas residuales. Los aditivos se introducen durante la neutralización del ácido nítrico.
La Figura 1 muestra un esquema de una unidad AS-72 moderna de gran tonelaje con una capacidad de 1360 t/día.
Arroz. 1.
1 - calentador de ácido; 2 - calentador de amoníaco; 3 - dispositivos ITN; 4 - neutralizador; 5 - evaporador; 6 - tanque de presión; 7, 8 - granuladores; 9, 23 ventiladores; 10 - depurador de lavado; 11 - tambor; 12.14 - transportadores; 13 - ascensor; 15 aparatos de lecho fluidizado; 16 - torre de granulación; 17 - colección; 18, 20 - bombas; 19 - tanque para nadar; 21 filtros para nadar; 22 - calentador de aire
El ácido nítrico al 58-60% entrante se calienta en el calentador 1 a 70-80 o C con vapor de jugo del aparato ITN 3 y se alimenta hasta la neutralización. Antes del aparato 3, se añaden ácidos fosfórico y sulfúrico térmicos al ácido nítrico en una cantidad de 0,3-0,5% P 2 O 5 y 0,05-0,2% de sulfato de amonio, contando con el producto terminado.
Los ácidos sulfúrico y fosfórico se suministran mediante bombas de émbolo, cuyo rendimiento se regula con facilidad y precisión. La unidad está equipada con dos dispositivos de neutralización que funcionan en paralelo. Aquí también se suministra amoníaco gaseoso, calentado en el calentador 2 por condensado de vapor a 120-130 ° C. La cantidad de ácido nítrico y amoníaco suministrado se regula para que la solución tenga un ligero exceso de ácido nítrico a la salida del aparato ITN. , asegurando la completa absorción del amoníaco.
En la parte inferior del aparato está la neutralización de ácidos a una temperatura de 155-170°C para obtener una solución que contiene 91-92% NH 4 NO 3 . En la parte superior del aparato, el vapor de agua (el llamado vapor de jugo) se lava de las salpicaduras de nitrato de amonio y vapor de HN0 3. Parte del calor del vapor del jugo se usa para calentar el ácido nítrico. A continuación, el vapor de jugo se envía para su limpieza en depuradores de lavado y luego se libera a la atmósfera.
Una solución ácida de nitrato de amonio se envía al neutralizador 4, donde se suministra amoníaco en la cantidad necesaria para neutralizar la solución. Luego, la solución se alimenta al evaporador 5 en el doupar, que es conducido por vapor de agua a una presión de 1,4 MPa y aire calentado a aproximadamente 180°C. El fundido resultante, que contiene 99.8-99.7% de salitre, pasa a través del filtro 21 a 175 ° C y es alimentado por una bomba sumergible centrífuga 20 al tanque de presión 5, y luego a una torre de granulación de metal rectangular 16 con una longitud de 11 m , una anchura de 8 my una altura de punta al cono de 52,8 m.
En la parte superior de la torre se encuentran los granuladores 7 y 8; se suministra aire a la parte inferior de la torre, enfriando las gotas de salitre, que se convierten en gránulos. La altura de caída de las partículas de salitre es de 50 a 55 m. El diseño de los granuladores asegura la producción de gránulos de composición granulométrica uniforme con un contenido mínimo de gránulos pequeños, lo que reduce el polvo arrastrado por el aire de la torre. La temperatura de los gránulos a la salida de la torre es de 90--110°C, por lo que se envían para su enfriamiento al aparato de lecho fluidizado 15. El aparato de lecho fluidizado es un aparato rectangular que tiene tres secciones y está equipado con una rejilla con orificios. . El aire se suministra por debajo de la rejilla mediante ventiladores, creando así una capa fluidizada de gránulos de salitre de 100-150 mm de altura, que llegan a través del transportador desde la torre de granulación. Hay un enfriamiento intensivo de los gránulos a una temperatura de 40°C (pero no superior a 50°C), correspondiente a las condiciones para la existencia de la modificación IV. Si la temperatura del aire de enfriamiento es inferior a 15 °C, entonces, antes de ingresar al aparato de lecho fluidizado, el aire se calienta en el intercambiador de calor a 20 °C. En el período de tiempo frío, 1-2 secciones pueden estar en funcionamiento.
El aire procedente del aparato 15 entra en la torre de granulación para la formación de gránulos y su enfriamiento.
Los gránulos de nitrato de amonio del aparato de lecho fluidizado son alimentados por el transportador 14 para su tratamiento con un tensioactivo en un tambor giratorio 11. Aquí, los gránulos son rociados con una solución acuosa al 40% del dispersante NF. Luego, el salitre pasa por un separador electromagnético para separar los objetos metálicos atrapados accidentalmente y se envía al búnker, para luego pesarlo y envasarlo en bolsas de papel o plástico. Los sacos se transportan mediante una cinta transportadora para su carga en vagones o en un almacén.
El aire que sale de la parte superior de la torre de granulación está contaminado con partículas de nitrato de amonio, y el vapor de jugo del neutralizador y la mezcla de vapor y aire del evaporador contienen amoníaco y ácido nítrico sin reaccionar y partículas de nitrato de amonio arrastrado. Para la limpieza en la parte superior de la torre de granulación, se instalan seis depuradores 10 tipo placa de lavado que funcionan en paralelo, regados con una solución de nitrato de amonio al 20-30%, que es suministrada por una bomba 18 desde el tanque. Parte de esta solución es desviada al neutralizador ITN para el lavado del vapor del jugo, luego mezclada con la solución de nitrato de amonio y, por lo tanto, va a la elaboración de productos.
Parte de la solución (20-30%) se retira continuamente del ciclo, por lo que el ciclo se agota y se repone con la adición de agua. A la salida de cada lavador se instala un ventilador 9 con una capacidad de 100.000 m 3 /h, que aspira el aire de la torre de granulación y lo libera a la atmósfera.
Los estudiantes, estudiantes de posgrado, jóvenes científicos que utilizan la base de conocimientos en sus estudios y trabajos le estarán muy agradecidos.
Publicado en http://www.allbest.ru/
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1. Parte tecnológica
1.4.1 Obtención de una solución acuosa de nitrato de amonio con una concentración
Introducción
En la naturaleza y en la vida humana, el nitrógeno es sumamente importante, forma parte de los compuestos proteicos que son la base del mundo vegetal y animal. Una persona consume diariamente 80-100 g de proteína, lo que corresponde a 12-17 g de nitrógeno.
Muchos elementos químicos son necesarios para el normal desarrollo de las plantas. Los principales son: carbono, oxígeno, nitrógeno, fósforo, magnesio, calcio, hierro. Los dos primeros elementos de la planta se obtienen del aire y el agua, el resto se extrae del suelo.
El nitrógeno juega un papel particularmente importante en la nutrición mineral de las plantas, aunque su contenido promedio en la masa vegetal no supera el 1,5%. Ninguna planta puede vivir y desarrollarse normalmente sin nitrógeno.
El nitrógeno es una parte integral no solo de las proteínas vegetales, sino también de la clorofila, con la ayuda de la cual las plantas absorben el carbono del CO2 en la atmósfera bajo la influencia de la energía solar.
Los compuestos de nitrógeno natural se forman como resultado de procesos químicos de descomposición de residuos orgánicos durante las descargas de rayos, así como bioquímicamente como resultado de la actividad de bacterias especiales en el suelo, Azotobacter, que asimilan directamente el nitrógeno del aire. Las bacterias del nódulo que viven en las raíces de las plantas leguminosas (guisantes, alfalfa, frijoles, etc.) tienen la misma capacidad.
Una cantidad significativa de nitrógeno contenido en el suelo se elimina anualmente con la cosecha de cultivos de plantas, y una parte se pierde como resultado del lavado de sustancias que contienen nitrógeno por el agua subterránea y el agua de lluvia. Por lo tanto, para aumentar el rendimiento de los cultivos, es necesario reponer sistemáticamente las reservas de nitrógeno en el suelo mediante la aplicación de fertilizantes nitrogenados. Bajo diferentes cultivos, dependiendo de la naturaleza del suelo, el clima y otras condiciones, se requieren diferentes cantidades de nitrógeno.
El nitrato de amonio ocupa un lugar importante en la gama de fertilizantes nitrogenados. Su producción se ha incrementado en más de un 30% en las últimas décadas.
Ya a principios del siglo XX, un destacado científico, un agroquímico D.N. Pryanishnikov. llamó al nitrato de amonio el fertilizante del futuro. En Ucrania, por primera vez en el mundo, comenzaron a utilizar nitrato de amonio en grandes cantidades como fertilizante para todos los cultivos industriales (algodón, remolacha azucarera y forrajera, lino, maíz), y en los últimos años para cultivos de hortalizas. .
El nitrato de amonio tiene una serie de ventajas sobre otros fertilizantes nitrogenados. Contiene del 34 al 34,5 % de nitrógeno y, en este sentido, sólo es superada por la urea [(NH2)2CO], que contiene un 46 % de nitrógeno. El nitrato de amonio NH4NO3 es un fertilizante nitrogenado universal, ya que contiene simultáneamente el grupo amonio NH4 y el grupo nitrato NO3 en forma de nitrógeno.
Es muy importante que las plantas utilicen las formas nitrogenadas del nitrato de amonio en diferentes momentos. El nitrógeno amónico NH2, que interviene directamente en la síntesis de proteínas, es rápidamente absorbido por las plantas durante el período de crecimiento; el nitrógeno nitrato NO3 se absorbe con relativa lentitud, por lo que actúa durante más tiempo.
El nitrato de amonio también se usa en la industria. Forma parte de un gran grupo de explosivos de nitrato de amonio que son estables bajo diferentes condiciones como agente oxidante, descomponiéndose bajo ciertas condiciones solo en productos gaseosos. Tal explosivo es una mezcla de nitrato de amonio con trinitrotolueno y otras sustancias. El nitrato de amonio tratado con una película de bicarbonato del tipo Fe(RCOO)3 RCOOH se utiliza en grandes cantidades para voladuras en la industria minera, en la construcción de carreteras, ingeniería hidráulica y otras grandes estructuras.
Se usa una pequeña cantidad de nitrato de amonio para producir óxido nitroso, que se usa en la práctica médica.
Junto con un aumento en la producción de nitrato de amonio a través de la construcción de nuevas empresas y la modernización de las existentes, la tarea era mejorar su calidad, es decir, obtener un producto terminado con 100% de friabilidad. Esto se puede lograr mediante una mayor investigación sobre diversos aditivos que afectan los procesos de transformación de polímeros, así como mediante el uso de tensioactivos disponibles y baratos que brindan hidrofobización de la superficie de los gránulos y la protegen de la humedad atmosférica, la creación de lento- nitrato de amonio activo.
gránulo de producción de salitre
1. Parte tecnológica
1.1 Estudio de factibilidad, selección del sitio y sitio de construcción
Guiados por los principios de la gestión económica racional, al elegir un sitio de construcción, tenemos en cuenta la proximidad de la base de materias primas, los recursos de combustible y energía, la proximidad de los consumidores de productos manufacturados, la disponibilidad de recursos laborales, transporte y la distribución uniforme de las empresas en todo el país. Sobre la base de los principios anteriores de ubicación de empresas, la construcción de la tienda proyectada para nitrato de amonio granulado se lleva a cabo en la ciudad de Rivne. Dado que de las materias primas necesarias para la producción de nitrato de amonio, solo se suministra a la ciudad de Rivne gas natural utilizado para la producción de amoníaco sintético.
La cuenca del río Goryn sirve como fuente de suministro de agua. La energía consumida por la producción es generada por Rivne CHPP. Además, Rivne es una gran ciudad con una población de 270 mil personas, capaz de proporcionar recursos laborales al taller proyectado. También se prevé la contratación de mano de obra en los distritos adscritos a la ciudad. El taller es proporcionado por personal de ingeniería por graduados del Instituto Politécnico de Lviv, Instituto Politécnico de Dnepropetrovsk, Instituto Politécnico de Kiev, el taller será proporcionado por escuelas vocacionales locales.
El transporte de productos terminados a los consumidores se realizará por ferrocarril y carretera.
La conveniencia de construir el taller planificado en la ciudad de Rivne también se evidencia por el hecho de que en los territorios de las regiones de Rivne, Volyn, Lviv con una agricultura bien desarrollada, el principal consumidor de los productos del taller diseñado es el nitrato de amonio granulado, como fertilizante mineral.
En consecuencia, la proximidad de la base de materias primas, los recursos energéticos, el mercado de ventas, así como la disponibilidad de mano de obra, indican la viabilidad de construir el taller previsto en la ciudad de Rivne.
La proximidad de una gran estación ferroviaria con una gran ramificación de las vías del tren permite un transporte económico
1.2 Selección y justificación del método de producción
En la industria, solo se usa ampliamente el método de obtención de nitrato de amonio a partir de amoníaco sintético y ácido nítrico diluido.
En muchas producciones de nitrato de amonio, en lugar de los dispositivos que funcionaban mal y que se usaban anteriormente, se introdujeron arandelas especiales. Como resultado, el contenido de amoníaco o nitrato de amonio en los vapores de jugo se redujo casi tres veces. Se reconstruyeron neutralizadores de diseños obsoletos con baja productividad (300 - 350 ton/día), mayores pérdidas y aprovechamiento insuficiente del calor de reacción. Se reemplazó una gran cantidad de evaporadores horizontales de baja potencia por verticales de película descendente o deslizante, y por dispositivos con mayor superficie de intercambio de calor, lo que permitió casi duplicar la productividad de las etapas evaporadoras, reducir el consumo de secundario y vapor de calefacción fresco en un promedio del 20%.
En Ucrania y en el extranjero, está firmemente establecido que solo la construcción de unidades de alta capacidad, utilizando los logros modernos en ciencia y tecnología, puede proporcionar ventajas económicas en comparación con la producción de nitrato de amonio existente.
Una cantidad significativa de nitrato de amonio en plantas individuales se produce a partir de gases residuales que contienen amoníaco de sistemas de urea con reciclados líquidos parciales, donde se consume de 1 a 1,4 toneladas de amoníaco por tonelada de urea producida. A partir de la misma cantidad de amoníaco, está de moda producir de 4,5 a 6,4 toneladas de nitrato de amonio.
El método para obtener nitrato de amonio a partir de gases que contienen amoníaco difiere del método para obtenerlo a partir de amoníaco gaseoso solo en la etapa de neutralización.
En pequeñas cantidades, el nitrato de amonio se obtiene por intercambio de descomposición de sales (métodos de conversión) según las reacciones:
Ca(NO3)2 + (NH4)2CO3 = 2NH4NO3 + vCaCO3 (1,1)
Mg (NO3) 2 + (NH4) 2CO3 \u003d 2NH4NO3 + vMgCO3 (1.2)
Ba(NO3)2 + (NH4)2SO4 = 2NH4NO3 + vBaSO4 (1,3)
Estos métodos de obtención de nitrato de amonio se basan en la precipitación de una de las sales resultantes. Todos los métodos de obtención de nitrato de amonio por intercambio de descomposición de sales son complejos, asociados con un alto consumo de vapor y pérdida de nitrógeno ligado. Suelen utilizarse en la industria sólo si es necesario utilizar compuestos nitrogenados obtenidos como subproductos.
A pesar de la relativa simplicidad del proceso tecnológico para obtener nitrato de amonio, los esquemas para su producción en el extranjero tienen diferencias significativas, que difieren entre sí tanto en el tipo de aditivos y el método de preparación, como en el método de granulación por fusión.
Método "Nuklo" (EE. UU.).
Una característica de este método para la producción de nitrato de amonio granulado es la adición a una masa fundida altamente concentrada (99,8 % de nitrato de amonio antes de su granulación en la torre, alrededor del 2 % de un aditivo especial llamado "Nuklo". Es un aditivo finamente dividido polvo seco de arcilla hormigonada con un tamaño de partícula no superior a 0,04 mm.
Método "Nitro - actual".
Este proceso fue desarrollado por la firma británica Fayzone. La principal diferencia de este método con respecto a otros es que las gotas de nitrato de amonio fundido se enfrían, granulan y pulverizan simultáneamente, primero en una nube de polvo del aditivo en polvo y luego en un lecho fluidizado del mismo aditivo.
El método de la empresa "Ai - Si - Ai" (Inglaterra).
Este método de obtención de nitrato de amonio se diferencia en que se utiliza solución de nitrato de magnesio como aditivo que mejora las propiedades físicas y químicas del producto terminado, lo que permite obtener un producto de alta calidad a partir de nitrato de amonio fundido con un contenido de hasta 0,7%. agua.
El método sin vacío para la producción de nitrato de amonio fue tomado en 1951 en los EE. UU. por la "patente de Stengel" y luego implementado en la industria. La esencia del método radica en el hecho de que el ácido nítrico al 59% calentado se neutraliza con amoníaco gaseoso calentado en un pequeño volumen bajo una presión de 0,34 MPa.
Además de los esquemas descritos anteriormente, existen muchos otros esquemas para la producción de nitrato de amonio en el extranjero, pero difieren poco entre sí.
Cabe señalar que, a diferencia de los talleres en funcionamiento y en construcción en Ucrania y los países vecinos, en todas las instalaciones extranjeras, el producto después de la torre de granulación pasa por la etapa de cribado y espolvoreado, lo que mejora la calidad del producto comercial, pero significativamente complica el esquema tecnológico. En las plantas domésticas, la ausencia de la operación de tamizado del producto se compensa con un diseño más avanzado de granuladores que dan un producto con un contenido mínimo de fracción inferior a 1 mm. Los voluminosos tambores giratorios para enfriar gránulos, ampliamente utilizados en el extranjero, no se utilizan en Ucrania y han sido reemplazados por dispositivos de enfriamiento de lecho fluidizado.
La producción de nitrato de amonio granulado en taller se caracteriza por: obtención de un producto de alta calidad, alto aprovechamiento del calor de neutralización, uso de evaporación en una sola etapa con “película deslizante”, máximo aprovechamiento de los residuos devolviéndolos al proceso , un alto nivel de mecanización, almacenamiento y carga de productos. Este es un nivel de producción bastante alto.
1.3 Características de las materias primas y producto terminado
Para la producción de nitrato de amonio, se utiliza amoníaco al 100% y ácido nítrico diluido HNO3 con una concentración de 55 - 56%.
El amoníaco NH3 es un gas incoloro con un olor acre y específico.
Sustancia reactiva que participa en reacciones de adición, sustitución y oxidación.
Disolveremos bien en el agua.
Densidad en el aire a una temperatura de 0 ° C y una presión de 0,1 MPa - 0,597.
La concentración máxima admisible en el aire de la zona de trabajo de locales industriales es de 20 mg/m3, en el aire de zonas pobladas de 0,2 mg/m3.
Cuando se mezcla con aire, el amoníaco forma mezclas explosivas. El límite explosivo inferior de la mezcla de aire y amoníaco es del 15 % (fracción volumétrica), el límite superior es del 28 % (fracción volumétrica).
El amoníaco irrita el tracto respiratorio superior, las membranas mucosas de la nariz y los ojos, al entrar en contacto con la piel de una persona provoca quemaduras.
Clase de peligro IV.
Producido de acuerdo con GOST 6621 - 70.
El ácido nítrico HNO3 es un líquido con un olor acre.
Densidad en el aire a una temperatura de 0°C y una presión de 0,1MPa-1,45g/dm3.
Punto de ebullición 75°C.
Miscible con agua en todos los aspectos con liberación de calor.
El ácido nítrico que entra en contacto con la piel o las membranas mucosas provoca quemaduras. Los tejidos animales y vegetales se destruyen bajo la influencia del ácido nítrico. Los vapores de ácido nítrico, al igual que los óxidos de nitrógeno, causan irritación de las vías respiratorias internas, dificultad para respirar y edema pulmonar.
La concentración máxima permisible de vapores de ácido nítrico en el aire de locales industriales en términos de NO2 es de 2 mg/m3.
La concentración de masa de vapores de ácido nítrico en el aire de las zonas pobladas no es superior a 0,4 mg/m3.
Clase de peligro II.
Producido de acuerdo con OST 113 - 03 - 270 - 76.
El nitrato de amonio NH4NO3 es una sustancia cristalina blanca producida en forma granular con un contenido de nitrógeno de hasta el 35%
Producido de acuerdo con GOST 2 - 85 y cumple con los siguientes requisitos (ver tabla 1.1)
Tabla 1.1 - Características del nitrato de amonio producido de acuerdo con GOST 2 - 85
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Nombre del indicador |
Norma para la marca |
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La fracción de masa total de nitrato y nitrógeno amónico en términos de: |
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para NH4NO3 en materia seca, %, no menos de |
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para nitrógeno en materia seca, %, no menos de |
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Fracción de masa de agua, %, no más |
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Solución acuosa de pH 10%, no menos de |
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Fracción de masa de sustancias insolubles en solución de ácido nítrico al 10 %, %, máx. |
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calificación |
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Fracción de masa del tamaño de los gránulos: |
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de 1 a 3 mm, %, no menos |
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de 1 a 4 mm, %, no menos |
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Incluido: |
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gránulos de 2 a 4 mm, %, no menos de |
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gránulos de menos de 1 mm de tamaño, %, no más |
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gránulos de más de 5 mm, % |
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Fuerza estática de los gránulos |
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N/gránulo (kg/gránulo), no menos de |
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Friabilidad, %, no menos |
El nitrato de amonio es una sustancia explosiva e inflamable. Los gránulos de nitrato de amonio son resistentes a la fricción, los golpes y los golpes, cuando se exponen a detonadores o en un espacio confinado, el nitrato de amonio explota. La explosividad del nitrato de amonio aumenta en presencia de ácidos orgánicos, aceites, aserrín, carbón vegetal. Las impurezas metálicas más peligrosas del nitrato de amonio son el cadmio y el cobre.
Las explosiones de nitrato de amonio pueden ser causadas por:
a) exposición a detonadores de potencia suficiente;
b) la influencia de impurezas inorgánicas y orgánicas, en particular cobre, cadmio, zinc, carbón vegetal en polvo, aceite finamente dispersos;
c) descomposición térmica en un espacio cerrado.
El polvo de nitrato de amonio con una mezcla de sustancias orgánicas aumenta la explosividad de la sal. Un paño empapado en salitre y calentado a 100°C puede provocar un incendio. Apagar el salitre al tomar el sol con agua. Debido al hecho de que se forman óxidos de nitrógeno cuando se enciende el nitrato de amonio, es necesario usar máscaras antigás al extinguir.
NH4NO3 = N2O = 2H2O = 3600 kJ (1,4)
NH4NO3 \u003d 0.5N2 + NO \u003d 2H2O \u003d 28.7 kJ (1.5)
La presencia de acidez libre en la solución aumenta la capacidad de descomposición química y térmica.
Una propiedad negativa del nitrato de amonio es su capacidad de aglutinarse, de perder su fluidez durante el almacenamiento.
Factores que contribuyen al apelmazamiento:
b) heterogeneidad y baja resistencia mecánica de los gránulos. Cuando se almacena en pilas de 2,5 metros de altura, bajo la presión de las bolsas superiores, los gránulos menos duraderos se destruyen con la formación de partículas de polvo;
c) cambio en las modificaciones cristalinas;
d) la higroscopicidad favorece el apelmazamiento. La forma más eficaz de evitar el apelmazamiento es envasarlo en recipientes herméticos (bolsas de polietileno).
La concentración máxima permisible de nitrato de amonio en forma de polvo en locales industriales no es superior a 10 mg/m3.
Medios de protección de los órganos respiratorios - solución.
El nitrato de amonio se utiliza en la agricultura como fertilizante nitrogenado, así como en la industria para diversos fines técnicos.
El nitrato de amonio granulado se utiliza como materia prima en grandes cantidades en empresas de la industria militar que producen explosivos y sus productos semiacabados.
1.4 Bases físicas y químicas del proceso tecnológico
El proceso de obtención de nitrato de amonio granulado comprende las siguientes etapas:
obtener una solución acuosa de nitrato de amonio con una concentración de al menos el 80% mediante la neutralización del ácido nítrico con amoníaco gaseoso;
evaporación de una solución al 80% de nitrato de amonio hasta un estado de fusión;
evaporación de soluciones débiles de nitrato de amonio de unidades de disolución y sistemas de captura;
granulación de sal a partir de masa fundida;
enfriamiento de gránulos en un "lecho fluidizado" con aire;
tratamiento de gránulos con ácidos grasos;
transporte, embalaje y almacenamiento.
1.4.1 Obtención de una solución acuosa de nitrato de amonio con una concentración de al menos el 80% por neutralización del ácido nítrico con amoníaco gaseoso
Una solución de nitrato amónico se obtiene en neutralizadores que permiten aprovechar el calor de reacción para evaporar parcialmente la solución. Recibió el nombre del aparato ITN (uso de calor de neutralización).
La reacción de neutralización avanza a un ritmo más rápido y va acompañada de la liberación de una gran cantidad de calor.
NH3 \u003d HNO3 \u003d NH4NO3 \u003d 107,7 kJ / mol (1,6)
El efecto térmico de la reacción depende de la concentración y temperatura del ácido nítrico y del amoníaco gaseoso.
Figura 1.1 - Calor de neutralización del ácido nítrico con amoniaco gaseoso (a 0,1 MPa y 20°)
El proceso de neutralización en el aparato ITN se realiza a una presión de 0,02 MPa, la temperatura se mantiene a no más de 140 °C. Estas condiciones aseguran que se obtiene una solución suficientemente concentrada con un mínimo arrastre de amoníaco, ácido nítrico y amonio. nitrato con vapor de jugo, que se forma como resultado de la evaporación del agua de la solución. La neutralización se realiza en un ambiente ligeramente ácido, ya que la pérdida de amoníaco, ácido nítrico y salitre con el vapor del jugo es menor que en un ambiente ligeramente alcalino.
Debido a la diferencia en la gravedad específica de las soluciones en las partes de evaporación y neutralización del aparato ITN, existe una circulación constante de la solución. Una solución más densa de la apertura de la cámara de neutralización ingresa continuamente a la parte de neutralización. La presencia de circulación de la solución promueve una mejor mezcla de los reactivos en la parte de neutralización, aumenta la productividad del aparato y elimina el sobrecalentamiento de la solución en la zona de neutralización. Cuando la temperatura en la parte de reacción sube a 145°C, se desencadena un bloqueo deteniéndose el suministro de amoníaco y ácido nítrico y el suministro de condensado ácido.
1.4.2 Evaporación de una solución de nitrato de amonio al 80 % hasta un estado de fusión
La evaporación de la solución de nitrato de amonio al 80 - 86% se lleva a cabo en evaporadores debido al calor de condensación del vapor saturado a una presión de 1,2 MPa y una temperatura de 190°C. el vapor se suministra a la parte superior del espacio anular del evaporador. El evaporador opera bajo un vacío de 5.0 h 6.4 104 Pa según el principio de la película de solución “deslizándose” a lo largo de las paredes de las tuberías verticales.
Un separador está ubicado en la parte superior del aparato, que sirve para separar el nitrato de amonio fundido del vapor de jugo.
Para obtener nitrato de amonio de alta calidad, la masa fundida de nitrato de amonio debe tener una concentración de al menos 99,4 % y una temperatura de 175 - 785 °C.
1.4.3 Evaporación de soluciones débiles de nitrato de amonio desde unidades de disolución y sistemas de captura
La evaporación de soluciones débiles y soluciones obtenidas como resultado de iniciar y detener el taller se lleva a cabo en un sistema separado.
Las soluciones débiles obtenidas en las unidades de disolución y captura se alimentan a través de una válvula de control a la parte inferior del aparato que evapora solo las soluciones débiles. La evaporación de soluciones débiles de nitrato de amonio se lleva a cabo en un evaporador de "tipo película", que funciona según el principio de "deslizamiento" de la película dentro de tuberías verticales. La emulsión vapor-líquido, que se forma en el tubo del evaporador, ingresa al separador-lavador, donde se separan el vapor de jugo y la solución de nitrato de amonio. El vapor de jugo pasa a través de las placas de tamiz del lavador del evaporador, donde se capturan las salpicaduras de nitrato de amonio y luego se envían al condensador de superficie.
El portador de calor es vapor flash proveniente del expansor de vapor con una presión de (0,02 - 0,03) MPa y una temperatura de 109 - 112°C, suministrado al lado superior de la carcasa del evaporador. El vacío en el evaporador se mantiene entre 200 y 300 mm Hg. Arte. Desde la placa inferior, una solución débil con una concentración de aproximadamente 60% y una temperatura de 105 - 112 ° C se descarga en una colección, un neutralizador adicional.
1.4.4 Granulación de sal a partir de masa fundida
Para obtener nitrato de amonio en forma granular, su cristalización a partir de masa fundida con una concentración de al menos 99,4% se realiza en torres, que son una estructura de hormigón armado, de forma cilíndrica con un diámetro de 10,5 metros. La masa fundida con una temperatura de 175 - 180 ° C y una concentración de al menos 99,4 % de nitrato de amonio ingresa a un granulador dinámico que gira a una velocidad de 200 - 220 rpm, que tiene orificios con un diámetro de 1,2 - 1,3 mm. La masa fundida rociada a través de los agujeros, durante la caída desde una altura de 40 metros, se forma en partículas esféricas.
El aire para enfriar los gránulos se mueve a contracorriente desde abajo hacia arriba. Para crear tiro de aire, se instalan cuatro ventiladores axiales con una capacidad de 100.000 Nm3/h cada uno. En la torre de granulación, los gránulos se secan ligeramente. Su humedad es 0,15 - 0,2% menor que el contenido de humedad de la masa fundida entrante.
Esto se debe a que incluso con una humedad relativa del 100 % del aire que ingresa a la torre, la presión del vapor de agua sobre los gránulos calientes es mayor que la presión parcial de la humedad en el aire.
1.4.5 Enfriamiento de pellets en lecho fluidizado con aire
Los gránulos de nitrato de amonio de los conos de la torre de granulación se alimentan al aparato con un "lecho fluidizado" para su enfriamiento. El enfriamiento de los gránulos desde una temperatura de 100-110°C hasta una temperatura de 50°C tiene lugar en el aparato, que está situado directamente debajo de la torre de granulación. Sobre la rejilla perforada se instala un rebosadero para regular la altura del "lecho fluidizado" y la descarga uniforme del salitre. Bajo la rejilla perforada se suministra aire hasta 150.000 Nm3/h, que enfría el nitrato de amonio y lo seca parcialmente. El contenido de humedad de los gránulos de nitrato de amonio se reduce entre un 0,05 y un 0,1 % en comparación con los gránulos provenientes de los conos.
1.4.6 Tratamiento de gránulos con ácidos grasos
El procesamiento de gránulos con ácidos grasos se lleva a cabo para evitar que el nitrato de amonio se apelmace durante el almacenamiento a largo plazo o el transporte a granel.
El proceso de procesamiento consiste en el hecho de que los ácidos grasos finamente rociados con boquillas se aplican a la superficie de los gránulos en una proporción de 0,01 - 0,03%. El diseño de las boquillas garantiza la creación de una sección elíptica del chorro de pulverización. El diseño de montaje de las boquillas brinda la posibilidad de moverlas y fijarlas en diferentes posiciones. El procesamiento de gránulos con ácidos grasos se lleva a cabo en lugares donde los gránulos se transfieren de cintas transportadoras a cintas transportadoras.
1.4.7 Transporte, embalaje y almacenamiento
El nitrato de amonio granulado del lecho fluidizado es alimentado por bandas transportadoras al granel N° 1, procesado con ácidos grasos y transportado por bandas transportadoras del segundo y tercer elevador a tolvas montadas, desde donde ingresa a básculas automáticas que pesan porciones de 50 kg y luego a la unidad de embalaje. Con la ayuda de una máquina envasadora, el nitrato de amonio se envasa en bolsas con válvula de polietileno y se vierte en cintas transportadoras que envían los productos envasados a las máquinas de carga para cargarlos en vagones y vehículos. Se prevé el almacenamiento de productos terminados en almacenes en ausencia de vagones o vehículos.
El nitrato de amonio almacenado en pilas debe protegerse de la humedad y de diversas temperaturas extremas. La altura de las pilas no debe exceder los 2,5 metros, ya que bajo la presión de las bolsas superiores, los gránulos más débiles de las bolsas inferiores pueden destruirse con la formación de partículas de polvo. La tasa de absorción de la humedad del aire por el nitrato de amonio aumenta bruscamente con el aumento de la temperatura. Entonces, a 40 °C, la tasa de absorción de humedad es 2,6 veces mayor que a 23 °C.
En los almacenes está prohibido almacenar junto con el nitrato de amonio: aceite, aserrín, carbón vegetal, impurezas metálicas de polvos de cadmio y cobre, zinc, compuestos de cromo, aluminio, plomo, níquel, antimonio, bismuto.
El almacenamiento de contenedores de sacos vacíos se ubica por separado del nitrato de amonio almacenado en contenedores de acuerdo con los requisitos de seguridad y protección contra incendios.
1.5 Protección de cuencas de agua y aire. Residuos de producción y su eliminación.
En el contexto del rápido desarrollo de la producción de fertilizantes minerales, la quimicalización generalizada de la economía nacional, los problemas de protección del medio ambiente contra la contaminación y la protección de la salud de los trabajadores son cada vez más importantes.
La planta química de Rivne, siguiendo el ejemplo de otras grandes industrias químicas, se ha asegurado de que los efluentes químicamente sucios no se descarguen en el río, como antes, sino que se limpien en instalaciones especiales de la planta de tratamiento bioquímico y se devuelvan al sistema de suministro de agua circulante para uso posterior.
Se han puesto en funcionamiento varias instalaciones específicas y locales para el tratamiento de aguas residuales, la incineración de residuos de fondo y la eliminación de desechos sólidos. El monto total de la inversión de capital para estos fines supera los 25 mil millones de UAH.
El taller de biolimpieza figura en el libro de gloria del Comité Estatal del Consejo de Ministros de Ucrania para la Protección de la Naturaleza por su éxito. Las instalaciones de tratamiento de la empresa están ubicadas en un área de 40 hectáreas. En estanques llenos de agua purificada, carpas, carpas plateadas, delicados peces de acuario retozan. Son un indicador de la calidad del tratamiento y la mejor prueba de la seguridad de las aguas residuales.
Los análisis de laboratorio muestran que el agua de los estanques de amortiguamiento no es peor que la que se toma del río. Con la ayuda de bombas, se vuelve a suministrar a las necesidades de producción. El taller de limpieza bioquímica se ha llevado a una capacidad de limpieza química de hasta 90.000 metros cúbicos por día.
La planta mejora constantemente el servicio de control del contenido de sustancias nocivas en las aguas residuales, el suelo, el aire de los locales industriales, en el territorio de la empresa y en las cercanías de los asentamientos y la ciudad. Desde hace más de 10 años, el control sanitario funciona activamente, realizando el trabajo de un laboratorio sanitario industrial. Día y noche, supervisan de cerca el estado sanitario e higiénico del entorno externo y de producción, y las condiciones de trabajo.
Los residuos de la producción de nitrato de amonio granulado son: condensado de vapor en la cantidad de 0,5 m3 por tonelada de producto, que se vierte a la red general de la planta; condensado de vapor de jugo en la cantidad de 0,7 m3 por tonelada de producto. El condensado de vapor de jugo contiene:
amoníaco NH3 - no más de 0,29 g/dm3;
ácido nítrico НNO3 - no más de 1,1 g/dm3;
nitrato de amonio NH4NO3 - no más de 2,17 g/dm3.
El condensado de vapor de jugo se envía al taller de ácido nítrico para el riego de las columnas en el departamento de purificación.
Emisiones de la pila de ventiladores axiales a la atmósfera:
concentración de masa de nitrato de amonio NH4NO3 - no más de 110 m2/m3
volumen total de gases de escape - no más de 800 m3/hora.
Emisiones de la tubería de taller general:
concentración de masa de amoníaco NH3 - no más de 150 m2/m3
concentración de masa de nitrato de amonio NH4NO3 - no más de 120 m2/m3
Medidas para asegurar la confiabilidad de la protección de los recursos hídricos y de la cuenca atmosférica. En caso de emergencia y paradas por reparaciones, para excluir la contaminación del ciclo del agua con amoníaco, ácido nítrico y nitrato de amonio, así como para evitar la entrada de sustancias nocivas en el suelo, la solución se drena de la absorción. y la sección de evaporación en tres tanques de drenaje con un volumen de V = 3 m3 cada uno, además, las fugas de los sellos de las bombas de circulación de las secciones de absorción y evaporación se recogen en los mismos contenedores. Desde estos contenedores, la solución se bombea a una colección de soluciones débiles pos. 13 desde donde luego ingresa al departamento para la evaporación de soluciones débiles.
Para evitar la entrada de sustancias nocivas en el suelo cuando aparecen espacios en el equipo y las comunicaciones, se equipa una paleta hecha de material resistente a los ácidos.
En la torre de granulación, la limpieza se lleva a cabo lavando el aire contaminado con una solución débil de nitrato de amonio y filtrando aún más el flujo de vapor-aire. En el departamento de envasado de nitrato de amonio hay una unidad de purificación de aire del polvo de nitrato de amonio después de las máquinas semiautomáticas y cintas transportadoras de envasado. La limpieza se realiza en un ciclón tipo TsN - 15.
1.6 Descripción del esquema tecnológico de producción con elementos de nuevos equipos, tecnología e instrumentación
El ácido nítrico y el amoníaco se introducen en la cámara de neutralización del aparato ITN a contracorriente. El ácido nítrico con una concentración de al menos el 55% del taller de ácido nítrico se suministra a través de dos tuberías con un diámetro de 150 y 200 mm a un tanque de presión (pos. 1) con un rebosadero a través del cual se devuelve el exceso de ácido del tanque de presión al almacenamiento de ácido nítrico. Desde el tanque (pos. 1), el ácido nítrico se envía a través del colector al aparato ITN (pos. 5). El aparato ITN es un aparato cilíndrico vertical de 2612 mm de diámetro y 6785 mm de altura en el que se coloca un vaso de 1100 mm de diámetro y 5400 mm de altura (cámara de neutralización). En la parte inferior de la cámara de neutralización hay ocho aberturas rectangulares (ventanas) de 360x170 mm de tamaño, que conectan la cámara de neutralización con la parte de evaporación del aparato ITN (el espacio anular entre las paredes del aparato y la pared de la cámara de neutralización ). La cantidad de ácido nítrico que ingresa al aparato ITN (pos. 5) se ajusta automáticamente mediante el sistema de medidor de pH dependiendo de la cantidad de amoníaco gaseoso que ingresa al aparato ITN (pos. 5) con corrección por acidez.
El amoníaco gaseoso NH3 con una presión de no más de 0,5 MPa desde la red de fábrica a través de la válvula de control después de la estrangulación a 0,15 - 0,25 MPa ingresa al separador de gotas de amoníaco líquido pos. 2, donde también se separa del aceite para evitar que entren en el aparato ITN (pos. 5). Luego, el amoníaco gaseoso se calienta a una temperatura no inferior a 70°C en el calentador de amoníaco (pos. 4), donde el condensado de vapor del expansor de vapor (pos. 33) se usa como portador de calor. El amoníaco gaseoso calentado de (pos. 3) a través de la válvula de control a través de las tuberías ingresa al aparato ITN (pos. 5). El amoníaco gaseoso NH3 se introduce en el aparato ITN (pos. 5) a través de tres tuberías, dos tuberías ingresan a la cámara de neutralización del aparato ITN en flujos paralelos después de la válvula de control, donde se combinan en una y terminan con un barbater. A través de la tercera tubería se suministra amoníaco a través del barbater por el sello hidráulico en una cantidad de hasta 100 Nm3/h para mantener un ambiente neutro a la salida del aparato ITN. Como resultado de la reacción de neutralización, se forma una solución de nitrato de amonio y vapor de jugo.
NH3 + HNO3 = NH4NO3 + 107,7 kJ/mol (1,6)
La solución se vierte a través de la parte superior de la cámara de neutralización en la parte de evaporación del aparato, donde se evapora a una concentración de 80 - 86%, debido al calor de la reacción de neutralización y el vapor, mezclándose con el jugo. el vapor obtenido en la parte de evaporación, se retira del aparato a una temperatura de 140 ° C a la lavadora (pos. . 12), destinada a lavar vapor de jugo de salpicaduras de nitrato de amonio y solución de amoníaco. La lavadora (pos. 12) es un aparato cilíndrico vertical, dentro del cual hay tres placas de tamiz sobre las cuales se instalan protectores contra salpicaduras. Los serpentines están instalados en dos placas verticales a través de las cuales pasa el agua de lavado enfriada. El vapor del jugo pasa a través de las bandejas filtrantes burbujeando a través de la capa de solución que se forma en las bandejas como resultado del enfriamiento. Una solución débil de nitrato de amonio fluye desde las placas hacia la parte inferior, desde donde se descarga en el tanque de soluciones débiles (pos. 13).
El vapor de jugo lavado no condensado ingresa al condensador de superficie (pos. 15) en el espacio anular. El agua industrial se suministra al espacio de la tubería del condensador (pos. 15), que elimina el calor de la condensación.
El condensado (pos. 15) drena por gravedad en el colector de condensado ácido (pos. 16) y los gases inertes se descargan a la atmósfera a través de la vela.
La solución de nitrato de amonio de la parte del evaporador a través del sello de agua ingresa al separador - expansor (pos. 6) para extraer el vapor del jugo y se descarga en el colector - neutralizador (pos. 7) para neutralizar el exceso de acidez (4 g / l). La colección - neutralizador posterior (pos. 7) proporciona el suministro de amoníaco gaseoso. De colecciones - neutralizadores (pos. 7) y pos. 8) una solución de nitrato de amonio con una concentración de 80 - 88% (medio alcalino no más de 0,2 g / l) y una temperatura de no más de 140 ° C con bombas pos. 9 se introduce en el compartimento de granulación en el tanque de presión (pos. 11).
Como tanque de compensación, se instalan dos colectores adicionales: un neutralizador posterior (pos. 8) para garantizar el funcionamiento rítmico del taller y las bombas (pos. 9), y también se instala una bomba (pos. 10). La bomba (pos. 10) está conectada de tal manera que puede suministrar la solución desde el colector - posneutralizador (pos. 7) al colector - posneutralizador (pos. 8) y viceversa.
El condensado de vapor de jugo de los colectores de condensado ácido (pos. 16) se bombea al colector (pos. 18) desde donde es bombeado por bombas (pos. 19) al taller de ácido nítrico para irrigación.
El vapor ingresa al taller a una presión de 2 MPa y una temperatura de 300 °C, pasa a través de un diafragma y una válvula de control, se reduce a 1,2 MPa y un humidificador de vapor (pos. 32) ingresa por la parte inferior del aparato, dentro del cual hay dos placas de tamiz, y en la parte superior, se instala un guardabarros: una boquilla ondulada. Aquí, el vapor se humidifica y con una temperatura de 190°C y una presión de 1,2 MPa ingresa al evaporador (pos. 20). El condensado de vapor de (pos. 32) en forma de emulsión vapor-líquido con una presión de 1,2 MPa y una temperatura de 190 ° C a través de una válvula de control ingresa al expansor de vapor (pos. 3), donde, debido a una disminución en presión a 0.12 - 0.13 MPa se forma vapor flash secundario con una temperatura de 109 - 113 ° C, que se usa para calentar el evaporador para soluciones débiles de nitrato (pos. 22). El condensado de vapor de la parte inferior del expansor de vapor (elemento 33) fluye por gravedad hacia el calentamiento del calentador de amoníaco (elemento 4) hacia el espacio anular, desde donde, después de que se libera calor a una temperatura de 50 ° C, ingresa el colector de condensado de vapor (ítem 34), desde donde se bombea (pos. 35) se descarga a través de la válvula de control a la red de fábrica.
El tanque de presión (pos. 11) tiene un tubo de rebose (pos. 7). Las tuberías de presión y de rebose se colocan con trazadores de vapor y se aíslan. Desde el tanque de presión (pos. 11), la solución de nitrato de amonio ingresa a la parte inferior del tubo del evaporador (pos. 20), donde la solución se evapora debido al calor de condensación del vapor saturado a una presión de 1.2 MPa y una temperatura de 190°C, suministrada a la parte superior del espacio anular. El evaporador (pos. 20) funciona bajo un vacío de 450 - 500 mm Hg. Arte. según el principio de "Deslizamiento" de la película de solución a lo largo de las paredes de las tuberías verticales. Un separador está ubicado en la parte superior del evaporador, que sirve para separar el nitrato de amonio fundido del vapor de jugo. El fundido de (pos. 20) se descarga en un sello de agua, un neutralizador adicional (pos. 24), donde se suministra amoníaco gaseoso para neutralizar el exceso de acidez. En caso de finalización de la selección, el desbordamiento se envía a (pos. 7). El vapor de jugo del evaporador (pos. 20) ingresa a la lavadora con el condensado de vapor de jugo resultante de las salpicaduras de nitrato de amonio. Dentro de la lavadora hay placas de tamiz. En las dos placas superiores, se colocan bobinas con agua de enfriamiento, sobre las cuales se condensa el vapor. Como resultado del lavado, se forma una solución débil de nitrato de amonio, que se envía a través de un sello de agua (pos. 27) a un tanque de presión (pos. 28) del compartimiento de neutralización. El jugo de vapor después de la arandela (pos. 26) se envía para la condensación al condensador de superficie (pos. 29) en el espacio anular, y el agua de refrigeración al espacio de la tubería. El condensado resultante se dirige por gravedad al colector de solución ácida (pos. 30). Los gases inertes son aspirados por bombas de vacío (pos. 37).
Se bombea la fusión de nitrato de amonio del sello de agua - neutralizador (pos. 24) con una concentración de 99,5% NH4NO3 y una temperatura de 170 - 180 ° C con un exceso de amoníaco de no más de 0,2 g / l (pos. 25) a un tanque de presión (pos. 38) desde donde fluye por gravedad a granuladores dinámicos (pos. 39) a través de los cuales, rociando sobre la torre de granulación (pos. 40), durante la caída se formula en partículas redondas. La torre de granulación (pos. 40) es una estructura cilíndrica de hormigón armado con un diámetro de 10,5 m y una altura de parte hueca de 40,5 m. Desde la parte inferior de la torre de granulación, el aire es suministrado por ventiladores (pos. 45), aspirado por ventiladores axiales (pos. 44). La mayor parte del aire se aspira a través de las ventanas y los huecos de los conos de la torre de concesión. Al caer por el pozo, los gránulos de nitrato de amonio se enfrían a 100 - 110°C y desde los conos de la torre de granulación van para enfriarse al aparato con un "lecho fluidizado" (pos. 41) que se encuentra directamente debajo de la torre de granulación. . En los lugares donde el estro se descarga a la rejilla perforada, se instalan particiones móviles que le permiten ajustar la altura del "lecho fluidizado" en el serk.
Al limpiar la torre y el aparato "KS" de nitrato de amonio y depósitos de polvo, la masa recolectada se vierte en el solvente (pos. 46), donde se suministra vapor a una presión de 1.2 MPa y una temperatura de 190 ° C para la disolución. La solución resultante de nitrato de amonio se fusiona con (pos. 46) en la colección (pos. 47) y las bombas (pos. 48) se bombean a la colección de soluciones débiles (pos. 13). Una solución débil de nitrato de amonio después de la lavadora (pos. 12) también ingresa a la misma colección.
Las soluciones débiles de NH4NO3 recogidas en (pos. 13) por bombas (pos. 14) son enviadas al tanque de presión (pos. 28) desde donde son alimentadas por gravedad a través de la válvula de control a la parte inferior del evaporador de soluciones débiles (pos. 22).
El evaporador funciona según el principio de película "deslizante" dentro de tuberías verticales. El vapor del jugo pasa a través de las placas tamizadoras del lavador del evaporador, donde las salpicaduras de nitrato de amonio se evaporan y se envían al condensador de superficie (pos. 23), donde se condensa y entra por gravedad en (pos. 30). Y los gases inertes, habiendo pasado la trampa (pos. 36), son aspirados por una bomba de vacío (pos. 37) El vacío se mantiene a 200 - 300 mm. rt. pilar. Desde la placa inferior del evaporador (pos. 22), una solución de nitrato de amonio con una concentración de aproximadamente 60% y una temperatura de 105 - 112 ° C se descarga en un colector (pos. 8). El portador de calor es vapor de evaporación secundaria procedente del expansor (pos. 33) con una temperatura de 109 - 113°C y una presión de 0,12 - 0,13 MPa. El vapor se suministra al lado de la carcasa superior del evaporador, el condensado se descarga en el colector de condensado de vapor (pos. 42).
El nitrato de amonio granulado de la torre de granulación (pos. 40) se alimenta mediante cintas transportadoras (pos. 49) a la unidad de transferencia, donde los gránulos se tratan con ácidos grasos. Los ácidos grasos se bombean desde los tanques del ferrocarril mediante bombas (pos. 58) a un tanque de recolección (pos. 59). El cual está equipado con un serpentín con una superficie de calentamiento de 6,4 m2. La mezcla se lleva a cabo mediante bombas (pos. 60) y las mismas bombas suministran ácidos grasos a las boquillas de la unidad de dosificación, a través de las cuales se rocían con aire comprimido a una presión de hasta 0,5 MPa y una temperatura de al menos 200° C. El diseño de las boquillas garantiza la creación de una sección elíptica del chorro de pulverización. El nitrato de amonio granulado procesado se vierte en los transportadores (pos. 50) del segundo ascensor desde el cual se descarga el nitrato de amonio en los búnkeres (pos. 54) en los casos de carga a granel. Desde los transportadores (pos. 50), el nitrato de amonio ingresa a los transportadores (pos. 51), desde donde se vierte en los búnkeres montados (pos. 52). Después de las tolvas montadas, el amnitrato ingresa a las balanzas automáticas (pos. 53) pesando porciones de 50 kilogramos y luego a la unidad de empaque. Con la ayuda de una máquina envasadora, el nitrato de amonio se envasa en bolsas de plástico con válvula y se descarga mediante transportadores reversibles (pos. 55), desde donde pasa a los transportadores del almacén (pos. 56) y de ellos a las máquinas de carga (pos. 57). ). Desde las máquinas de carga (pos. 57), el nitrato de amonio se carga en vagones o vehículos. El almacenamiento de productos terminados en almacenes se proporciona en ausencia de transporte ferroviario y vehículos.
El producto terminado, el nitrato de amonio granulado, debe cumplir con los requisitos de la norma estatal GOST 2 - 85.
El proyecto prevé la recogida de los vertidos de nitrato amónico tras las máquinas envasadoras. Se instalan un transportador adicional (pos. 62) y un elevador (pos. 63). El nitrato de amonio derramado durante el llenado de las bolsas a través del lodo se vierte corriente abajo en el transportador (pos. 62), desde donde ingresa al elevador (pos. 63). Desde el elevador, el nitrato de amonio ingresa a los contenedores montados (pos. 52) donde se mezcla con el flujo principal de nitrato de amonio gastado.
1.7 Cálculos materiales de producción
Esperamos cálculos materiales de producción para 1 tonelada de productos terminados: nitrato de amonio granulado.
El material crece neutralizando
Datos iniciales:
La pérdida de amoníaco y ácido nítrico por tonelada de nitrato de amonio se determina con base en la ecuación de la reacción de neutralización.
El proceso se lleva a cabo en un aparato ITN con circulación natural de solución de nitrato de amonio.
Para obtener una tonelada de sal por la reacción
NH3 + HNO3 = NH4NO3 + 107,7 kJ/mol
Consumido 100% HNO3
Consumido 100% NH3
donde: 17, 63, 80 pesos moleculares de amoníaco, ácido nítrico y nitrato de amonio.
El consumo práctico de NH3 y HNO3 será ligeramente superior al teórico, ya que en el proceso de neutralización es inevitable la pérdida de reactivos con vapor de jugo, por comunicaciones con fugas, debido a la mayor descomposición de los componentes reaccionantes. El consumo práctico de reactivos, teniendo en cuenta las pérdidas en la producción, será:
787,5 1,01 = 795,4 kg
El 55% de HNO3 consumido será:
La pérdida de ácido será:
795,4 - 787,5 = 7,9 kg
Consumo 100% NH3
212,4 1,01 = 214,6 kg
La pérdida de amoníaco será:
214,6 - 212,5 = 2,1 kg
1446,2 kg de 55% HNO3 contiene agua:
1446,2 - 795,4 = 650,8 kg
La cantidad total de reactivos amoniacales y ácidos que ingresan al neutralizador será:
1446,2 + 214,6 \u003d 1660,8 × 1661 kg
En el aparato ITN, el agua se evapora por el calor de neutralización, y la concentración de la solución de nitrato de amonio resultante alcanza el 80%, por lo que del neutralizador saldrá una solución de nitrato de amonio:
Esta solución contiene agua:
1250 - 1000 = 250 kg
Esto evapora el agua durante el proceso de neutralización.
650,8 - 250 = 400,8? 401 kg
Tabla 1.2 - Balance de materia de neutralización
Cálculo material del departamento de evaporación.
Datos iniciales:
Presión de vapor - 1,2 MPa
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El proceso tecnológico para la producción de nitrato de amonio incluye, además de la etapa de neutralización del ácido nítrico con amoníaco, también las etapas de evaporación de la solución de nitrato, granulación de la masa fundida, enfriamiento de los gránulos, tratamiento de gránulos con tensioactivos, envasado, almacenamiento y carga de nitratos, depuración de emisiones de gases y aguas residuales.
El ácido nítrico inicial al 58--60% se calienta en el calentador / hasta 70--80 Con vapor de jugo del aparato ITN 3 y enviado para su neutralización. Frente a las maquinas 3 Los ácidos fosfórico y sulfúrico se agregan al ácido nítrico en cantidades tales que el producto terminado contiene 0,3 a 0,5 % de P2O5 y 0,05 a 0,2 % de sulfato de amonio.
La unidad está equipada con dos dispositivos ITN que funcionan en paralelo. Además de ácido nítrico, se les suministra amoníaco gaseoso, precalentado en un calentador. 2 condensado de vapor hasta 120-130 °С. La cantidad de ácido nítrico y amoníaco suministrado se regula de tal forma que a la salida del aparato ITN la solución tenga un ligero exceso de ácido (2-5 g/l), lo que asegura la completa absorción del amoníaco.
El ácido nítrico (58--60%) se calienta en el aparato 2 hasta 80--90 °С con jugo de vapor del aparato ITN 8. Amoníaco gaseoso en el calentador. 1 calentado por vapor condensado a 120--160°C. El ácido nítrico y el amoníaco gaseoso en una proporción controlada automáticamente ingresan a las partes de reacción de dos aparatos ITN 5 que funcionan en paralelo. La solución de NH4NO3 al 89--92% que sale del aparato ITN a 155--170 °C tiene un exceso de ácido nítrico en el rango de 2-5 g/l, lo que asegura la completa absorción del amoníaco.
En la parte superior del aparato, el vapor de jugo de la parte de reacción se lava de salpicaduras de nitrato de amonio; Vapores de HNO3 y NH3 con una solución de nitrato de amonio al 20% de un lavador de lavado 18 y condensado de vapor de jugo del calentador de ácido nítrico 2, que se sirven en las tapas de la parte superior del aparato. Parte del vapor de jugo se usa para calentar ácido nítrico en el calentador 2, y la mayor parte se envía al depurador de lavado. 18, donde se mezcla con el aire de la torre de granulación, con la mezcla vapor-aire del evaporador 6 y lavado en las placas de lavado de la fregadora. La mezcla de aire y vapor lavado se libera a la atmósfera mediante un ventilador 19.
Solución desde dispositivos ITN 8 pasa secuencialmente después del neutralizador 4 y convertidor de control 5. al neutralizador 4 dosifique los ácidos sulfúrico y fosfórico en una cantidad que asegure el contenido en el producto terminado de 0,05-0,2% de sulfato de amonio y 0,3-0,5% de P20s. La dosificación de ácidos por bombas de émbolo se regula en función de la carga de la unidad.
Después de la neutralización del exceso de NMO3 en la solución de nitrato de amonio del aparato ITN y los ácidos sulfúrico y fosfórico introducidos en el neutralizador posterior 4, la solución pasa el neutralizador posterior de control. 5 (donde el amoníaco se suministra automáticamente solo en el caso de una penetración de ácido en el neutralizador posterior) 4) y entra al evaporador 6. A diferencia de la unidad AC-67, la parte superior del evaporador 6 equipado con dos placas de lavado de tamices, que se alimentan con condensado de vapor, lavando la mezcla de vapor y aire del evaporador de nitrato de amonio
Salitre melt del evaporador 6, después de pasar el sello de agua 9 y filtro 10, entra en el tanque 11, de donde su bomba sumergible 12 a través de una tubería con una boquilla antidetonante se alimenta a un tanque de presión 15, y luego a los granuladores 16 o 17. La seguridad de la unidad de bombeo de masa fundida está garantizada por el sistema de mantenimiento automático de la temperatura de la masa fundida durante su evaporación en el evaporador (no superior a 190 °C), control y regulación del entorno de la masa fundida después del post-neutralizador 9 (dentro de 0,1-0,5 g/l NНз), control de temperatura de la masa fundida en el tanque 11, carcasa de la bomba 12 y tubería de presión. Si los parámetros regulatorios del proceso se desvían, el bombeo de la masa fundida se detiene automáticamente y la masa fundida en los tanques 11 y evaporador 6 cuando la temperatura suba, diluir con condensado.
La granulación es proporcionada por dos tipos de granuladores: vibroacústicos 16 y monodisperso 17. Los granuladores vibroacústicos, que funcionan en unidades de gran capacidad, resultaron ser más confiables y convenientes en la operación.
La masa fundida se granula en una torre rectangular de metal 20 con unas dimensiones en planta de 8x11 m La altura de vuelo de los gránulos de 55 m asegura la cristalización y el enfriamiento de gránulos de 2--3 mm de diámetro a 90--120 °C con un contraflujo de aire en verano hasta 500 mil m?h y en invierno (a bajas temperaturas) hasta 300--400 mil m?h. En la parte inferior de la torre hay conos de recepción, desde los cuales los gránulos son transportados por una cinta transportadora. 21 enviado al aparato de enfriamiento CS 22.
aparato de refrigeración 22 dividido en tres secciones con suministro de aire autónomo debajo de cada sección de la rejilla de lecho fluidizado. En su parte de la cabeza hay una pantalla incorporada, en la que se filtran los grumos de salitre formados como resultado de una violación de la operación del granulador. Los grumos se envían para su disolución. Aire suministrado a las secciones más frías por ventiladores 23, calentado en el aparato 24 debido al calor del vapor de jugo del aparato ITN. El calentamiento se realiza con una humedad del aire superior al 60% y en invierno para evitar el enfriamiento repentino de los gránulos. Los gránulos de nitrato de amonio pasan secuencialmente por una, dos o tres secciones del aparato de enfriamiento, dependiendo de la carga de la unidad y la temperatura del aire atmosférico. La temperatura de enfriamiento recomendada del producto granular en invierno es inferior a 27 °C, en verano es de hasta 40-50 °C. Cuando las unidades operan en las regiones del sur, donde una cantidad significativa de días la temperatura del aire supera los 30 ° C, la tercera sección del aparato de enfriamiento opera con aire preenfriado (en un intercambiador de calor de amoníaco evaporativo). La cantidad de aire suministrado a cada sección es de 75 a 80 mil m s / h. La presión de los ventiladores es de 3,6 kPa. El aire de escape de las secciones del aparato a una temperatura de 45--60 ° C, que contiene hasta 0,52 g / m 3 de polvo de nitrato de amonio, se envía a la torre de granulación, donde se mezcla con el aire atmosférico y entra en el lavado. depurador para lavar 18.
El producto enfriado se envía al almacén o al procesamiento de surfactantes (dispersante NF), y luego para el envío a granel o para el envasado en bolsas. El procesamiento con dispersante NF se lleva a cabo en un aparato hueco. 27 con una boquilla ubicada en el centro que rocía un flujo vertical anular de gránulos, o en un tambor giratorio. La calidad del procesamiento del producto granular en todos los dispositivos usados cumple con los requisitos de GOST 2---85.
El nitrato de amonio granulado se almacena en una bodega en pilas de hasta 11 m de altura, antes de ser enviado al consumidor, el nitrato de la bodega se sirve para el tamizado. El producto no estándar se disuelve, la solución se devuelve al parque. El producto estándar se trata con dispersante NF y se envía a los consumidores.
Los tanques de ácido sulfúrico y fosfórico y los equipos de bombeo para su dosificación están dispuestos en una unidad independiente. El punto de control central, la subestación eléctrica, el laboratorio, los locales de servicio y de esparcimiento están ubicados en un edificio separado.
INTRODUCCIÓN
La industria del nitrógeno es una de las industrias de más rápido crecimiento.
El ácido nítrico es uno de los productos de partida para la producción de la mayoría de las sustancias que contienen nitrógeno y es uno de los ácidos más importantes.
En términos de escala de producción, el ácido nítrico ocupa el segundo lugar entre varios ácidos después del ácido sulfúrico. La gran escala de producción se explica por el hecho de que el ácido nítrico y sus sales se han vuelto muy importantes en la economía nacional.
El consumo de ácido nítrico no se limita a la producción de fertilizantes. Encuentra una amplia aplicación en la producción de todo tipo de explosivos, una serie de sales técnicas, en la industria de la síntesis orgánica, en la producción de ácido sulfúrico, en la tecnología de cohetes y en muchas otras ramas de la economía nacional.
La producción industrial de ácido nítrico se basa en la oxidación catalítica del amoníaco con oxígeno atmosférico, seguida de la absorción de los óxidos de nitrógeno resultantes por el agua.
El propósito de este proyecto de curso es considerar la primera etapa de la producción de ácido nítrico: la oxidación por contacto de amoníaco, así como el cálculo de los balances de materia y calor del reactor.
En esquemas tecnológicos para la producción de ácido nítrico, el proceso de oxidación catalítica de amoníaco es importante, ya que determina tres indicadores principales: consumo de amoníaco, inversiones y pérdidas de metales de platino, así como las capacidades energéticas del esquema. En este sentido, la mejora del proceso de oxidación catalítica del amoníaco es de gran importancia para la producción de ácido nítrico y fertilizantes minerales en general.
1. CARACTERÍSTICAS DEL ÁCIDO NÍTRICO
1.1 Variedades de ácido nítrico
En la industria, se utilizan 2 grados de ácido nítrico: diluido (débil) con un contenido de 30-60% HNO3 y concentrado, que contiene 97-99% HNO3, así como una cantidad relativamente pequeña de ácido nítrico reactivo y altamente puro. La calidad del ácido nítrico producido debe cumplir con los estándares establecidos.
De acuerdo con los parámetros fisicoquímicos, el ácido nítrico concentrado debe cumplir con los estándares especificados en la tabla 1.
Tabla 1 - Requisitos para la calidad del ácido nítrico concentrado (GOST 701-89)
La calidad del ácido nítrico producido debe cumplir con los estándares establecidos indicados en las tablas 2 y 3.
Tabla 2 - Requisitos de calidad para ácido nítrico no concentrado (OST 6-03-270-76)
Tabla 3 - Requisitos para la calidad del ácido nítrico (GOST 4461-67)
Contenido en %, no más 005Sulfatos (SO42)-0.00020.00050.002Fosfatos (PO43-)0.000020.00020.002Cloruros (Cl-)0.000050.00010.0005Hierro (Fe)0.000020.00010.0003Calcio (Ca) 0.0005 0 .0010.002Arsénico (As)0.0000020 .0000030.00001Metales pesados (Pb)0.000020.00050.0005
1.2 Uso de ácido nítrico
El ácido nítrico se utiliza en varios campos de actividad:
1)a la galvanización y el cromado de los detalles;
)para la producción de fertilizantes minerales;
)para obtener explosivos (industria militar);
)en la producción de medicamentos (productos farmacéuticos);
)obtención de nitrato de plata para fotografía;
)para grabado y grabado de formas metálicas;
)como materia prima para la obtención de ácido nítrico concentrado;
)en hidrometalurgia;
)en joyería: la forma principal de determinar el oro en una aleación de oro;
)para obtener compuestos nitro aromáticos - precursores de colorantes, preparaciones farmacológicas y otros compuestos utilizados en síntesis orgánica fina;
)para obtener nitrocelulosa.
1.3 Propiedades del ácido nítrico
3.1 Propiedades físicas del ácido nítrico
El ácido nítrico es uno de los ácidos monobásicos fuertes con un olor acre y sofocante, es sensible a la luz y, en luz brillante, se descompone en uno de los óxidos de nitrógeno (también llamado gas marrón - NO2) y agua. Por lo tanto, es conveniente almacenarlo en recipientes oscuros. En estado concentrado no disuelve el aluminio y el hierro, por lo que puede almacenarse en recipientes metálicos adecuados. Ácido nítrico: es un electrolito fuerte (como muchos ácidos) y un agente oxidante muy fuerte. A menudo se utiliza en reacciones con sustancias orgánicas.
El nitrógeno en el ácido nítrico es tetravalente, estado de oxidación +5. El ácido nítrico es un líquido incoloro que echa humo en el aire, punto de fusión -41,59 , punto de ebullición +82,6 con expansión parcial. La solubilidad del ácido nítrico en agua no está limitada. Las soluciones acuosas de HNO3 con una fracción de masa de 0,95-0,98 se denominan "ácido nítrico fumante", con una fracción de masa de 0,6-0,7 - ácido nítrico concentrado. Forma una mezcla azeotrópica con agua (fracción de masa 68,4%, d20 = 1,41 g/cm, Tboil = 120,7)
Cuando cristaliza a partir de soluciones acuosas, el ácido nítrico forma hidratos cristalinos:
) HNO3 H2O monohidrato, Tm = -37,62;
2) HNO3 3H2O trihidrato, Tm = -18,47.
El ácido nítrico, como el ozono, se puede formar en la atmósfera durante los relámpagos. El nitrógeno, que constituye el 78 % del aire atmosférico, reacciona con el oxígeno atmosférico para formar óxido nítrico NO. Tras una mayor oxidación en el aire, este óxido se convierte en dióxido de nitrógeno (gas marrón NO2), que reacciona con la humedad atmosférica (nubes y niebla), formando ácido nítrico.
Pero una cantidad tan pequeña es completamente inofensiva para la ecología de la tierra y los organismos vivos. Un volumen de ácido nítrico y tres volúmenes de ácido clorhídrico forman un compuesto llamado agua regia. Es capaz de disolver metales (platino y oro) que son insolubles en ácidos ordinarios. Cuando se introduce papel, paja, algodón en esta mezcla, se producirá una oxidación vigorosa, incluso ignición.
1.3.2 Propiedades químicas del ácido nítrico
El ácido nítrico presenta diferentes propiedades químicas según la concentración y la sustancia con la que reacciona.
Si el ácido nítrico está concentrado:
1) con metales - hierro (Fe), cromo (Cr), aluminio (Al), oro (Au), platino (Pt), iridio (Ir), sodio (Na) - no interactúa debido a la formación de una capa protectora película en su superficie, que no permite una mayor oxidación del metal. Con todos los demás metales<#"justify">HNO3 concentrado + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O(1)
2) con no metales<#"justify">concentración de HNO3 + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O(2)
Si el ácido nítrico está diluido:
1) al interactuar con metales alcalinotérreos, así como con zinc (Zn), hierro (Fe), se oxida a amoníaco (NH3) o a nitrato de amonio (NH4NO3). Por ejemplo, al reaccionar con magnesio (Mg):
HNO3 diluido + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O(3)
HNO3 diluido + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O(4)
Reacciona con otros metales para formar óxido nítrico (NO), por ejemplo, disuelve la plata (Ag):
HNO3 diluido + Ag = AgNO3 + NO + H2O(5)
2) reacciona de manera similar con los no metales, como el azufre<#"justify">HNO3 diluido + S = H2SO4 + 2NO(6)
Oxidación de azufre a la formación de ácido sulfúrico y liberación de gas - óxido de nitrógeno;
3) reacción química con óxidos metálicos, por ejemplo, óxido de calcio:
HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O(7)
Se forman sal (nitrato de calcio) y agua;
) reacción química con hidróxidos (o bases), por ejemplo, con cal apagada:
HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O(8)
Se forman sal (nitrato de calcio) y agua, una reacción de neutralización;
) reacción química con sales, por ejemplo con tiza:
HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2(9)
Se forma una sal (nitrato de calcio) y otro ácido (en este caso, ácido carbónico, que se descompone en agua y dióxido de carbono).
6) dependiendo del metal disuelto, la descomposición de la sal a la temperatura ocurre de la siguiente manera:
a) cualquier metal (indicado como Me) hasta magnesio (Mg):
MeNO2 + O2(10)
b) cualquier metal desde magnesio (Mg) hasta cobre (Cu):
3 = MeO2 + NO2 + O2(11)
c) cualquier metal después del cobre (Cu):
3 = Yo + NO2 + O2(12)
2. MÉTODOS DE OBTENCIÓN DEL ÁCIDO NÍTRICO
ácido nítrico catalizador amoníaco
Los métodos industriales para producir ácido nítrico diluido incluyen los siguientes pasos:
) obtención de óxido nítrico (II);
2) su oxidación a óxido nítrico (IV);
3) absorción de NO2 por agua;
4) purificación de gases de escape (principalmente que contienen nitrógeno molecular) a partir de óxidos de nitrógeno.
El ácido nítrico concentrado se obtiene de dos formas:
1) el primer método consiste en la rectificación de mezclas ternarias que contienen ácido nítrico, agua y sustancias hidrofugantes (generalmente ácido sulfúrico o nitrato de magnesio). Como resultado se obtienen vapores de ácido nítrico al 100% (que se condensan) y soluciones acuosas del agente deshidratante, este último se evapora y se devuelve a producción;
2) el segundo método se basa en la reacción:
N2O4(t) + 2H2O(l) + O2(g) = 4HNO3(l) + 78,8 kJ(13)
A una presión de 5 MPa y utilizando O2 puro, se forma un 97-98% de ácido que contiene hasta un 30% en peso de óxidos de nitrógeno. El producto objetivo se obtiene por destilación de esta solución. El ácido nítrico de alta pureza se obtiene por destilación con ácido nítrico al 97-98,5% en equipos de silicato o vidrio de cuarzo. El contenido de impurezas en dicho ácido es inferior al 110-6% en peso.
3. MATERIA PRIMA BASE EN LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO NO CONCENTRADO
Las principales materias primas para la producción de ácido nítrico no concentrado son actualmente el amoníaco, el aire y el agua. Los recursos materiales y energéticos auxiliares son catalizadores para la oxidación del amoníaco y la purificación de gases de escape, gas natural, vapor y electricidad.
1. Amoníaco. En condiciones normales, es un gas incoloro con un olor acre, fácilmente soluble en agua y otros solventes, forma semi y monohidratos. Un punto de inflexión en el desarrollo de la producción de amoníaco sintético fue el uso del método actualmente dominante en la industria para producir hidrógeno mediante la conversión del metano contenido en el gas natural en gases de petróleo asociados y productos refinados. El contenido de impurezas en amoníaco líquido está regulado por GOST 6221-82. Las impurezas más típicas son: agua, aceites lubricantes, polvo de catalizador, cascarilla, carbonato de amonio, gases disueltos (hidrógeno, nitrógeno, metano). Si se viola GOST, las impurezas contenidas en el amoníaco pueden ingresar a la mezcla de amoníaco y aire y reducir la producción de óxido de nitrógeno (II), y el hidrógeno y el metano pueden cambiar los límites explosivos de la mezcla de amoníaco y aire.
Aire. Para cálculos técnicos, se supone que el aire seco contiene [%, (vol.)]: N2 = 78,1, O2 = 21,0, Ar2 = 0,9, H2O = 0,1-2,8. También puede haber trazas de SO2, NH3, CO2 en el aire. En el área de los sitios industriales, el aire está contaminado con polvo de varios orígenes, así como varios componentes de las emisiones de gases fugitivos (SO2, SO3, H2S, С2H2, Cl2, etc.). La cantidad de polvo en el aire es de 0,5 a 1,0 mg/m3.
3. Agua. Se utiliza en la producción de ácido nítrico para irrigación de la columna de absorción, para generar vapor durante la recuperación de calor en calderas de calor residual, para enfriar aparatos de reacción. Para la absorción de óxidos de nitrógeno, se utilizan con mayor frecuencia condensado de vapor y agua purificada químicamente. En algunos esquemas, se permite usar condensado de vapor de jugo de nitrato de amonio. En cualquier caso, el agua utilizada para irrigar las columnas no debe contener amoníaco libre ni suspensiones sólidas, el contenido de iones de cloruro no debe exceder los 2 mg/l, los aceites no deben exceder los 1 mg/l, el NH4NO3 no debe exceder los 0,5 g/l . El agua químicamente purificada para calderas de calor residual debe cumplir con los requisitos de GOST 20995-75. El agua de proceso destinada a la eliminación de calor en intercambiadores de calor y refrigeración de equipos (agua circulante) debe cumplir los siguientes requisitos: dureza de carbonato no superior a 3,6 meq/kg, contenido de sólidos en suspensión no superior a 50 mg/kg, valor de pH 6,5-8,5 .
4. Oxígeno. Se utiliza principalmente en la producción de ácido nítrico concentrado por síntesis directa. En algunos casos se utiliza para enriquecer la mezcla aire-amoníaco al obtener ácido nítrico no concentrado.
4. OXIDACIÓN POR CONTACTO DEL AMONIACO
4.1 Bases físicas y químicas del proceso
Los métodos modernos para la producción de ácido nítrico se basan en la oxidación por contacto del amoníaco. Durante la oxidación del amoníaco en varios catalizadores y dependiendo de las condiciones, ocurren las siguientes reacciones:
NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907,3 kJ(14)
4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O + 1104,9 kJ(15)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269,1 kJ(16)
Además de las reacciones (14-16), también son posibles otras que ocurren en las capas cercanas a la superficie del catalizador. Por ejemplo, la descomposición de NO, la interacción de N2O, NO2 y NH3:
NON2+O2 (17)
2NH3 + 3N2O = 4N2+3H2O(18)
NH3 + 6NO2 = 7N2 + 12H2O(19)
Naturalmente, la reacción (14) será "útil". Los cálculos termodinámicos muestran que las reacciones (14-16) prácticamente se completan.
Las constantes de equilibrio para reacciones inversas (14-16) a 900°C tienen los siguientes valores
(20)
(21)
(22)
K1 = , (23)
donde k1 - NO + H2O; k2 - NH3 + O2.
A las 900 la conversión catalítica del amoníaco en productos finales alcanza el 100%, es decir, el proceso es prácticamente irreversible.
Sin embargo, las ecuaciones (14-16) no reflejan el mecanismo real del proceso, ya que en este caso nueve moléculas tendrían que chocar simultáneamente en la reacción (14); en la reacción (16) - siete moléculas. Es casi increíble.
Se han propuesto varios mecanismos de oxidación de amoníaco sobre catalizadores. Las diferencias en las ideas sobre los mecanismos son las siguientes:
1) la formación de NO y N2 a través de un intermedio en el catalizador;
2) la formación de NO se produce sobre el catalizador, y la formación de N2 sobre el catalizador y en el volumen de gas.
Con base en lo anterior (sobre la constante de equilibrio y los mecanismos de oxidación), se puede afirmar que el catalizador elegido debe tener alta actividad (alta velocidad de reacción y corto tiempo de contacto: a medida que aumenta, aumenta la probabilidad de formación de N2) y selectividad con respecto a a la reacción (14).
Entre varios mecanismos propuestos por científicos nuestros y extranjeros, el mecanismo propuesto por L.K. Androsov, G. K. Boreskov, D. A. Epstein.
El mecanismo se puede presentar paso a paso de la siguiente manera:
Etapa 1 - oxidación de la superficie de platino. Se forma un complejo de catalizador de peróxido-oxígeno (Figura 1).
Figura 1 - Estructura del complejo peróxido catalizador-oxígeno
Etapa: difusión y adsorción de amoníaco en la superficie de platino cubierta con oxígeno. Se forma un complejo catalizador-oxígeno-amoníaco (Figura 2).
Figura 2 - Estructura del complejo catalizador-oxígeno-amoníaco
la etapa es la redistribución de los lazos electrónicos, la ruptura de los viejos lazos y el fortalecimiento de los nuevos lazos.
etapa: desorción de productos y difusión en el flujo de gas (los compuestos estables de NO y H2O se eliminan de la superficie).
Los centros liberados adsorben oxígeno nuevamente, ya que la velocidad de difusión del oxígeno es mayor que la del amoníaco, etc. Según los científicos, el oxígeno que ingresa a la red del catalizador (contacto sin platino) no participa en la reacción de oxidación del amoníaco (probado usando el método de átomos marcados).
La conversión de amoníaco en nitrógeno, según I.I. Berger y G. K. Boreskov, puede ocurrir en volumen como resultado de reacciones de amoníaco, tanto con oxígeno como con óxido nítrico.
Hay regiones cinéticas, de transición y de difusión del proceso. La región cinética es característica de las bajas temperaturas: está limitada por la temperatura de ignición del catalizador, a la cual se nota un rápido calentamiento espontáneo de su superficie, es decir, hasta la temperatura de ignición, la velocidad está limitada por la velocidad de la reacción química. en el contacto. En T > Tzazh ya la difusión controla el proceso - la reacción química es rápida. El proceso pasa a la región de difusión. Es esta zona (600-1000 ) es típico para un proceso autotérmico estacionario bajo condiciones industriales. Esto implica un indispensable aumento de la velocidad volumétrica del gas y una disminución del tiempo de contacto.
La reacción de oxidación del amoníaco sobre catalizadores activos comienza antes: sobre paladio (Pd) a 100 , en platino (Pt) en 145 , sobre hierro (Fe) a 230 , en los óxidos metálicos, la temperatura de inicio de la reacción varía ampliamente. Al mismo tiempo, alcanza una velocidad y un grado de transformación suficientes a T > 600.
4.2 Catalizadores de oxidación de amoníaco
Casi todas las plantas de ácido nítrico utilizan platino o sus aleaciones como catalizador para la oxidación del amoníaco.
El platino es un catalizador costoso, pero retiene una alta actividad durante mucho tiempo, tiene suficiente estabilidad y resistencia mecánica y se regenera fácilmente. Finalmente, con la forma de red moderna del catalizador, el uso de platino hace posible usar el tipo más simple de aparato de contacto. Se enciende fácilmente y su consumo por unidad de producción es insignificante.
En la producción de ácido nítrico no se utilizan soportes para platino y sus aleaciones, ya que en presencia de soportes, la actividad del catalizador disminuye con relativa rapidez y su regeneración se vuelve más difícil. En las plantas modernas, el platino para catalizadores se usa en forma de rejillas. La forma de malla crea una gran superficie de catalizador en el aparato de contacto con un consumo relativamente bajo de platino. Generalmente se utilizan rejillas en las que el diámetro del alambre es de 0,045-0,09 mm con dimensiones en el lado de la celda de 0,22 mm. El área de redes no ocupadas por alambre es aproximadamente el 50-60% de su área total. Cuando se usan hilos de un diámetro diferente, el número de tejidos se cambia para que el área libre no ocupada por el alambre permanezca dentro de los límites especificados.
En dispositivos de contacto que operan bajo presión atmosférica. instale de 2 a 4 rejillas, en su mayoría 3, y en dispositivos que funcionan bajo presión hasta 8 atm, de 13 a 16 rejillas. Cuando se instala una rejilla, algunas de las moléculas de amoníaco no entran en contacto con el catalizador, lo que reduce la producción de óxido nítrico. En las mejores condiciones, el grado de contacto puede alcanzar el 86-90 % en una malla, el 95-97 % en dos mallas y el 98 % en tres mallas. Cuando se trabaja a presión atmosférica, no se utilizan más de 4 rejillas, ya que con un gran número de rejillas, aunque aumenta el rendimiento del aparato de contacto, aumenta mucho la resistencia al flujo de gas. Las rejillas deben encajar perfectamente entre sí, porque, de lo contrario, en el espacio libre entre las rejillas se producen una serie de reacciones homogéneas que reducen la producción de óxido nítrico.
En el proceso de trabajo, las rejillas de platino se aflojan mucho. Sus hilos lisos y brillantes se vuelven esponjosos y mates, las redes elásticas se vuelven quebradizas. La formación de una superficie suelta y esponjosa aumenta el grosor de los hilos. Todo esto crea una superficie de red altamente desarrollada, que aumenta la actividad catalítica del platino. Solo el envenenamiento del catalizador con impurezas que vienen con gases puede causar una disminución posterior de su actividad.
El aflojamiento de la superficie de las gasas de platino con el tiempo conduce a una fuerte destrucción de las gasas, lo que provoca grandes pérdidas de platino.
El platino destinado a la fabricación de un catalizador no debe contener hierro, que ya al 0,2% reduce significativamente el rendimiento de óxido de nitrógeno.
El platino puro se destruye rápidamente a altas temperaturas y sus partículas más pequeñas son arrastradas por el flujo de gas. Otros metales del grupo del platino en su forma pura no se utilizan como catalizadores. El paladio se descompone rápidamente. El iridio y el rodio no son muy activos. El osmio se oxida fácilmente.
Se han estudiado y aplicado aleaciones de platino, que tienen mayor resistencia y no menos actividad que el platino puro. En la práctica se utilizan aleaciones de platino con iridio o con rodio ya veces con paladio. Las rejillas hechas de una aleación de platino con un 1% de iridio a altas temperaturas son más activas que las de platino. Una actividad significativamente mayor y, en particular, una resistencia mecánica son características de las aleaciones de platino y rodio.
El mejor rendimiento de óxido nítrico se obtiene cuando se trabaja con aleaciones de platino, que contienen un 10 % de rodio. Sin embargo, dado el mayor costo del rodio en comparación con el platino, su contenido en aleaciones se suele reducir al 7-5%.
Cuando el amoníaco se oxida bajo presión en rejillas de platino-rodio, se obtiene un rendimiento de óxido nítrico significativamente mayor que en rejillas de platino puro.
Los catalizadores de platino son sensibles a ciertas impurezas contenidas en el gas de alimentación. Así, la presencia de 0,00002 % de fosfina (РН3) en el gas reduce el grado de conversión al 80 %. Los venenos menos potentes son el sulfuro de hidrógeno, los vapores de acetileno, los aceites lubricantes, los óxidos de hierro y otras sustancias. Las rejillas se regeneran tratándolas con una solución de ácido clorhídrico al 10-15 % a 60-70 °C durante 2 horas, luego las rejillas se lavan a fondo con agua destilada, se secan y se calcinan en una llama de hidrógeno. En el curso de la operación, la estructura física de las rejillas cambia y la resistencia mecánica de la aleación disminuye, lo que aumenta la pérdida de metal y reduce la vida útil del catalizador.
4.3 Composición de la mezcla gaseosa. Contenido óptimo de amoníaco en la mezcla de amoníaco y aire
El aire se utiliza principalmente para oxidar el amoníaco. El consumo de oxígeno para la oxidación del amoníaco según la reacción (24) con formación de NO se puede calcular de la siguiente manera:
NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O(24)
Según la reacción (24), 1 mol de NH3 equivale a 1,25 moles de O2 = , entonces - el contenido de NH3 se puede expresar de la siguiente manera:
Dónde - cantidad de NH3 mezclado con aire; 100 - la cantidad total de la mezcla (%).
Sin embargo, esto es teórico. A efectos prácticos, se utiliza un cierto exceso de oxígeno, entonces la concentración de amoníaco será inferior al 14,4% (vol.).
La concentración óptima de amoníaco en la mezcla de amoníaco y aire es su contenido más alto, en el que aún es posible una alta producción de NO en una proporción de O2:NH3< 2.
Se observa una fuerte disminución en el grado de conversión con una disminución en la relación de O2:NH3< 1,7 и содержании NH3 в смеси равном 11,5 % (об.). Если увеличивать соотношение O2:NH3, например, >2, la tasa de conversión aumenta significativamente.
Entonces el punto importante es:
1) por un lado, un aumento del contenido de NH3 en la mezcla aire-amoníaco, es decir, una disminución de la relación O2:NH3, conduce a una disminución del grado de conversión de amoníaco;
2) en cambio, al aumentar el contenido de NH3 en la mezcla amoníaco-aire, aumenta la temperatura del sistema, ya que se libera más calor según las reacciones (14-16), y aumenta el grado de conversión, como se puede ver en la tabla 4.
Tabla 4 - Dependencia del grado de conversión del amoníaco de su contenido en la mezcla amoníaco-aire (P = 0,65 MPa)
De la Tabla 4 se deduce que un aumento de la temperatura de 740 a 830°C en una proporción de O2:NH3 en el intervalo de 1,6-2 afecta favorablemente al proceso. A una relación de O2:NH3< 1,35 лимитирующая стадия процесса - диффузия кислорода.
Es necesario un exceso de O2 para garantizar que la superficie del platino esté siempre cubierta de oxígeno para llevar a cabo el proceso de oxidación según el mecanismo considerado anteriormente y para excluir la formación de N2 y N2O (con falta de oxígeno). Debe ser superior al 30 %, es decir, una relación O2:NH3 > 1,62.
La composición del gas también dependerá del caudal de la segunda etapa de obtención de ácido nítrico (oxidación de NO)
2NO + 1.5O2 + H2O = 2HNO3(25)
También requiere un exceso de oxígeno:
1) para sistemas que funcionan bajo presión - 2,5%;
2) para sistemas que funcionan a presión atmosférica - 5%.
La reacción general que determina la demanda de oxígeno para la producción de ácido nítrico se escribe de la siguiente manera
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O(26)
Hay una circunstancia más, por lo que no es deseable aumentar la concentración de amoníaco por encima del 9,5% (vol.). En este caso, hay una disminución en la concentración de óxidos de nitrógeno en las torres de absorción debido a la introducción de oxígeno adicional (es decir, el NO se diluye). Así, 9,5% (vol.) es el contenido de amoníaco óptimo para todas las etapas de obtención de ácido nítrico diluido.
Puede usar oxígeno en lugar de aire para la oxidación. Entonces, de acuerdo con la reacción global (26), es necesario aumentar la concentración de amoníaco al 33,3% (vol.). Sin embargo, las precauciones de seguridad entran en juego aquí, ya que una mezcla con tal concentración de amoníaco se vuelve explosiva (tabla 5).
Tabla 5 - Límites explosivos inferior (LEL) y superior (URL) para mezclas de amoníaco-oxígeno-nitrógeno
Con un aumento en la humedad del gas, los límites explosivos se estrechan, es decir, es posible utilizar la conversión de amoníaco por vapor-oxígeno.
Las mezclas de amoníaco con oxígeno se encienden con una explosión (Tflax = 700-800 ). Dentro de estos límites de temperatura, la autoignición ocurre con cualquier contenido de amoníaco en la mezcla de amoníaco y oxígeno.
Las mezclas de amoníaco y aire utilizadas en la práctica (concentración de amoníaco 9,5-11,5% (vol.)) no son explosivas (tabla 5). Hay dependencias de los límites explosivos de la mezcla de amoníaco y aire en el contenido de amoníaco y oxígeno a varias presiones.
Sin embargo, cabe señalar que la velocidad de propagación de la explosión es baja y para la mezcla aire-amoníaco es de 0,3-0,5 m/s. Es decir, para eliminar la posibilidad de propagación de la explosión, es necesario crear una velocidad de gas superior a este valor (0,5 m/s). Esto es exactamente lo que se consigue utilizando catalizadores platinoides activos en el proceso, donde el tiempo de contacto es de 10-4 seg y, en consecuencia, la velocidad lineal es superior a 1,5 m/s.
4.4 Oxidación de amoníaco bajo presión
El propósito de la presurización es:
1) la necesidad de aumentar la velocidad del proceso;
2) instalaciones compactas.
Se ha demostrado termodinámicamente que, incluso a altas presiones, el rendimiento de NO es cercano al 100 %. El rendimiento del convertidor aumenta al aumentar la presión y aumentar el número de rejillas del catalizador platinoide. Con el aumento de la presión, la temperatura del proceso también aumenta por encima de 900 . Sin embargo, con el aumento de la presión, para lograr un alto grado de conversión de NH3, es necesario aumentar el tiempo de residencia del gas en el convertidor.
lo que a su vez conduce a un aumento en el número de cuadrículas.
La principal desventaja es la mayor pérdida de catalizador de platino (Pt) a altas temperaturas. Estas deficiencias (pérdida de platino, disminución del grado de conversión) pueden eliminarse recurriendo a un esquema de producción combinado, es decir, realizando el proceso de oxidación de NH3 a presión atmosférica o cercana a ella, y la oxidación y absorción de NO a presión elevada. . Este enfoque se implementa a menudo en los esquemas tecnológicos de muchos países. Al mismo tiempo, los costos de energía para el acondicionamiento de gas aumentan el costo del ácido nítrico.
4.5 Condiciones óptimas para la oxidación del amoníaco
Temperatura. La reacción del amoníaco sobre el platino comienza a 145 , pero procede con un bajo rendimiento de NO y la formación de nitrógeno predominantemente elemental. Un aumento en la temperatura conduce a un aumento en el rendimiento de óxido nítrico y un aumento en la velocidad de reacción. En el rango de 700-1000 El rendimiento de NO se puede aumentar al 95-98%. Tiempo de contacto con aumento de temperatura de 650 a 900 se reduce unas cinco veces (de 5 10-4 a 1.1 10-4 seg). El régimen de temperatura requerido del proceso puede ser mantenido por el calor de las reacciones de oxidación. Para una mezcla seca de amoníaco y aire que contenga 10 % de NH3, con una tasa de conversión del 96 %, el aumento teórico de la temperatura del gas es de aproximadamente 705 o unos 70 por cada porcentaje de amoníaco en la mezcla inicial. Utilizando una mezcla de amoníaco-aire que contenga un 9,5% de amoníaco, es posible, debido al efecto térmico de la reacción, alcanzar una temperatura de aproximadamente 600 , para aumentar aún más la temperatura de conversión, es necesario precalentar el aire o la mezcla de aire y amoníaco. Debe tenerse en cuenta que la mezcla de amoníaco y aire solo se puede calentar a una temperatura que no exceda los 150-200 a una temperatura del gas de calefacción de no más de 400 . De lo contrario, es posible la disociación del amoníaco o su oxidación homogénea con formación de nitrógeno elemental.
El límite superior del aumento de la temperatura de oxidación por contacto del amoníaco está determinado por la pérdida del catalizador de platino. Si hasta 920 Dado que la pérdida de platino se compensa hasta cierto punto por un aumento en la actividad del catalizador, entonces por encima de esta temperatura, el aumento en las pérdidas de catalizador supera significativamente el aumento en la velocidad de reacción.
Según datos de fábrica, la temperatura óptima de conversión del amoníaco a presión atmosférica es de unos 800 ; en instalaciones que funcionan bajo una presión de 9 atm, es 870-900.
Presión. El uso de una mayor presión en la producción de ácido nítrico diluido se asocia principalmente con el deseo de aumentar la velocidad de oxidación del óxido nítrico y el procesamiento del dióxido de nitrógeno resultante en ácido nítrico.
Los cálculos termodinámicos muestran que, incluso a presiones elevadas, el rendimiento de equilibrio de NO es cercano al 100 %. Sin embargo, un alto grado de contacto en este caso se logra solo con una gran cantidad de mallas de catalizador y una temperatura más alta.
Recientemente, bajo condiciones industriales en catalizadores multicapa con purificación completa de gas y una temperatura de 900 logró llevar el grado de conversión de amoníaco al 96%. Al elegir la presión óptima, debe tenerse en cuenta que un aumento de la presión conduce a un aumento de las pérdidas de platino. Esto se explica por un aumento en la temperatura de catálisis, el uso de redes multicapa y un aumento en su destrucción mecánica bajo la acción de una alta velocidad del gas.
3. El contenido de amoníaco en la mezcla. El aire generalmente se usa para oxidar el amoníaco, por lo que el contenido de amoníaco en la mezcla está determinado por el contenido de oxígeno en el aire. A una relación estequiométrica de O2:NH3 = 1,25 (el contenido de amoniaco en una mezcla con aire es del 14,4%), el rendimiento de óxido de nitrógeno no es significativo. Para aumentar el rendimiento de NO, se requiere un exceso de oxígeno, por lo que el contenido de amoníaco en la mezcla debe ser inferior al 14,4 %. En la práctica de fábrica, el contenido de amoníaco en la mezcla se mantiene dentro del rango de 9,5-11,5 %, lo que corresponde a la relación O2:NH3 = 21,7.
La reacción global (26), que determina la necesidad de oxígeno durante la transformación del amoníaco en ácido nítrico, da la relación O2:NH3 = 2, que corresponde al contenido de amoníaco en la mezcla inicial del 9,5 %. Esto sugiere que un aumento de la concentración de amoníaco en la mezcla por encima del 9,5 % no conducirá finalmente a un aumento de la concentración de NO, ya que en este caso habrá que introducir aire adicional en el sistema de adsorción. Si se usa una mezcla de amoníaco y oxígeno como reactivos iniciales, entonces, de acuerdo con la ecuación de la reacción general, sería posible aumentar la concentración de amoníaco en ella al 33,3%. Sin embargo, el uso de altas concentraciones de amoníaco es difícil porque tales mezclas son explosivas.
Influencia de las impurezas. Las aleaciones de platino son sensibles a las impurezas contenidas en la mezcla de aire y amoníaco. En presencia de 0,0002 % de fosfuro de hidrógeno en la mezcla de gases, el grado de conversión de amoníaco se reduce al 80 %. Los venenos de contacto menos fuertes son el sulfuro de hidrógeno, acetileno, cloro, vapores de aceite lubricante, polvo que contiene óxidos de hierro, óxido de calcio, arena, etc.
La purificación preliminar de gases aumenta la duración del catalizador. Sin embargo, con el tiempo, el catalizador se envenena gradualmente y el rendimiento de NO disminuye. Para eliminar venenos y contaminantes, las rejillas se regeneran periódicamente tratándolas con una solución de ácido clorhídrico al 10-15%.
5. Tiempo de contacto. El tiempo de contacto óptimo está determinado por la tasa de oxidación del amoníaco. Muy a menudo, la tasa de oxidación se define como la cantidad de amoníaco oxidado (kg) por unidad de área (m2) por día (intensidad del catalizador). La duración del contacto del gas con el catalizador, o tiempo de contacto, viene determinada por la ecuación:
donde t es el tiempo de residencia del gas en la zona del catalizador, seg; Vw es el volumen libre del catalizador, m3; W - velocidad volumétrica en condiciones de contacto m3 s-1.
El grado máximo de conversión de amoníaco en óxido nítrico se logra en un tiempo bien definido de contacto del gas con el catalizador. El tiempo de contacto óptimo debe considerarse no aquel en el que se logra el máximo rendimiento de NO, sino algo más corto, ya que es económicamente ventajoso trabajar con una mayor productividad incluso a expensas de una disminución en el rendimiento del producto. En condiciones prácticas, el tiempo de contacto del amoníaco con el catalizador oscila entre 1 10-4 a 2 10-4 seg.
Mezcla de amoníaco con aire. La completa homogeneidad de la mezcla aire-amoníaco que entra en la zona de contacto es una de las principales condiciones para obtener un alto rendimiento de óxido nítrico. Una buena mezcla de gases es de gran importancia no solo para garantizar un alto grado de contacto, sino también para proteger contra el riesgo de explosión. El diseño y el volumen del mezclador deben garantizar por completo una buena mezcla del gas y excluir el deslizamiento de amoníaco en chorros separados sobre el catalizador.
5. DISPOSITIVOS DE CONTACTO
Las mejoras significativas más complejas y experimentadas es el diseño del propio aparato de contacto.
Figura 3 - Aparato de contacto de Ostwald: 1 - colector de mezcla de amoníaco y aire; 2 - espiral de platino; 3 - ventana de visualización; 4 - colector de gas nitroso
El primer aparato industrial de contacto fue el aparato de Ostwald (Figura 3), formado por dos tubos concéntricos: uno exterior de hierro fundido de 100 mm de diámetro, esmaltado por dentro, y uno interior de níquel de 65 mm de diámetro. milímetro La mezcla de amoníaco-aire entraba al aparato desde abajo por el tubo exterior y caía sobre el catalizador situado en la parte superior del tubo interior. Los gases nitrosos se dirigían hacia el colector a través del tubo interior, emitiendo calor a la mezcla entrante.
El catalizador consistía en tiras de lámina de platino de 0,01 mm de espesor y 20 mm de ancho enrolladas en espiral. Una de las cintas es lisa, la segunda está corrugada con curvas de 1 mm. El grado de conversión de amoníaco alcanzó 90-95%, la mezcla con aire contenía NH3 8% (vol.), la productividad del aparato fue de 100 kg de ácido nítrico por día.
Esta forma del catalizador no permitía aumentar la productividad del aparato aumentando su tamaño. En el aparato de Ostwald no se garantizaba el suministro uniforme de la mezcla de gases, ya que antes de entrar en el catalizador, el flujo de gas cambiaba de dirección 180° y sólo entonces entraba en él. Además, el diseño del aparato no permitía la rápida eliminación de los óxidos de nitrógeno (II) de la zona de alta temperatura.
En diseños posteriores del aparato de contacto, se utilizó un catalizador en forma de rejilla de filamentos con un diámetro de 0,06 mm.
Figura 4 - Aparato de contacto de Andreev: 1 - rejillas de platino; 2 - ventana de visualización
La primera producción de ácido nítrico en Rusia estaba equipada con el aparato de contacto de Andreev, que producía 386 kg de ácido nítrico por día y se consideraba el más avanzado del mundo. El aparato cilíndrico con un diámetro de 300 mm y una altura de 450 mm estaba hecho de hierro fundido. La mezcla de gases venía de abajo (Figura 4). La rejilla del catalizador de platino estaba ubicada al otro lado del aparato, en el medio.
El uso de hierro fundido para la fabricación de este aparato tenía una serie de desventajas: la aparición de reacciones secundarias, la contaminación del platino con incrustaciones. El grado de conversión en él no superó el 87%.
Figura 5 - Aparato de contacto de Fisher: 1 - boquilla; 2 - rejilla de platino; 3 - aislamiento
El aparato de Fisher fue fabricado en aluminio, su diámetro era de 1000 mm, altura de 2000 mm (Figura 5). Desde abajo, el aparato se llenó con anillos Raschig de porcelana y la parte superior se revistió con ladrillos refractarios. El diseño del aparato no proporcionó un suministro uniforme de la mezcla de aire y amoníaco al catalizador, el rendimiento de óxidos fue del 89 al 92 % a una temperatura de contacto de 700 a 720 °C. La productividad del aparato sobre el amoniaco de 600-700 kg/sut. Las partículas de ladrillos refractarios, al caer sobre el catalizador, redujeron su actividad.
Figura 6 - Aparato Bamag: 1 - boquilla; 2 - rejilla de platino; 3 - ventana de visualización
El aparato propuesto por Bamag (Figura 6) constaba de dos conos truncados conectados por bases anchas, entre los cuales se colocaban rejillas de catalizador. El diámetro del aparato en la parte más ancha era de 1,1 mo 2,0 m.
La mezcla de amoniaco y aire se alimentó al aparato desde abajo. Inicialmente, el aparato estaba hecho de aluminio, luego su parte superior caliente se hizo de acero inoxidable. Para una mejor mezcla de la mezcla, se vertieron anillos Raschig en la parte inferior del aparato.
La principal desventaja de estos dispositivos era la dirección de la mezcla de gases sobre el catalizador desde abajo, lo que provocaba la vibración de las rejillas y un aumento de la pérdida de platino.
Los estudios del diseño del aparato de contacto han demostrado que la dirección de la mezcla de gases de arriba hacia abajo estabiliza el funcionamiento de las gasas de catalizador, reduce la pérdida de un catalizador de platino caro y escaso, aumenta el grado de conversión en un 1,0-1,5% y permite el uso de un catalizador de dos etapas, en el que la segunda etapa se utiliza como catalizador de óxido sin platino.
Cuando se alimenta una mezcla de gases al aparato desde arriba, en su parte inferior se puede colocar una capa de material aislante, así como serpentines de una caldera de vapor y un sobrecalentador sin riesgo de contaminación del catalizador con polvo refractario y hierro. escala. Esto reduce la pérdida de calor de reacción al medio ambiente.
Un estudio de la distribución de temperatura sobre la superficie del catalizador mostró que los bordes del catalizador adyacentes a las paredes tienen una temperatura más baja, por lo que el grado de contacto también disminuye, reduciendo el rendimiento total de óxido nítrico (II). A este respecto, la geometría de la parte de entrada del aparato de contacto es de gran importancia; debe ser un cono suavemente divergente con un ángulo en la parte superior de no más de 30°.
Figura 7 - Aparato de Parsons: 1 - malla cilíndrica de platino; 2 fondo de cuarzo; 3 - ventana de visualización; 4 - aislamiento
En Estados Unidos se creó un aparato de Parsons con una disposición vertical de una rejilla catalítica enrollada en forma de cilindro de cuatro capas de 33 cm de altura y 29 cm de diámetro (Figura 7). El cilindro de platino se colocó en una carcasa de metal revestida con ladrillos refractarios, lo que aseguró un buen intercambio de calor con el catalizador caliente. La productividad de dicho aparato fue de hasta 1 tonelada de amoníaco por día, el grado de conversión fue del 95-96%.
La ventaja de este dispositivo es una gran superficie de catalizador en comparación con el volumen del dispositivo. Su desventaja es el suministro desigual de la mezcla de aire y amoníaco al catalizador. Fluye más mezcla por la parte inferior del catalizador del tamiz que por la parte superior.
Se probaron varios dispositivos de varias formas: en forma de dos hemisferios, un cono y un hemisferio con la dirección del flujo de gas de abajo hacia arriba. Estos dispositivos no tenían ninguna ventaja especial incluso cuando el proceso se llevó a cabo hasta 0,51 MPa, el grado de conversión no superó el 90%.
Figura 8 - Aparato de Dupont: 1 - rejillas de platino; 2 - rejilla; 3 - chaqueta de agua
Al realizar el proceso a presión elevada, se generalizó el aparato de DuPont (Figura 8), compuesto por conos: el superior es de níquel y el inferior de acero resistente al calor. La carcasa inferior estaba provista de una camisa de agua para su refrigeración. El catalizador que se coloca sobre la parrilla tiene la forma de un paquete de rejillas rectangulares.
Ahora, en todo el mundo, están diseñando y construyendo unidades para la producción de ácido nítrico diluido con una gran capacidad unitaria: hasta 400-600 toneladas / año. Los dispositivos de contacto con capas planas de rejillas o una capa de material granular ubicada a través del flujo de gas para tales unidades deben tener un gran diámetro de hasta 5-7 m Sin embargo, con un aumento en el diámetro del dispositivo, la uniformidad del empeora la distribución de la mezcla de amoníaco-aire sobre la sección transversal del dispositivo, aumenta el consumo de metal por unidad de productividad, aumentan las dificultades para sellar juntas embridadas. Los aparatos de gran diámetro (más de 4 m) no pueden transportarse por ferrocarril, su fabricación en el lugar de la fábrica está asociada con serias dificultades.
En este sentido, el más prometedor es un convertidor con un flujo radial de la mezcla de gases a través del catalizador, hecho en forma de cilindro o cono. Con tal disposición del catalizador, es posible, sin cambiar el diámetro del aparato, aumentar su altura y, en consecuencia, su productividad.
Los diseños de aparatos con disposición cilíndrica del catalizador se conocen desde hace mucho tiempo (aparatos de Parsons), pero con el aumento de su productividad de 4,5 kg/h a 14,3 t/h de amoníaco surgieron problemas en la distribución del gas. flujos de mezcla, intercambio de calor, fijación del catalizador, etc.
Figura 9 - Aparato mejorado de Parsons: 1 - cuerpo; 2 - cubiertas; 3 - colector de refrigerante; 4 - dispositivo de soporte; 5 - accesorio para la salida de gases nitrosos; 6 - rejillas de catalizador; 7 - canales para refrigerante; 8 - canales para gases
Uno de los nuevos dispositivos es el aparato de Parsons mejorado (Figura 9). Consta de un cuerpo con tapas, racores para la entrada de la mezcla amoníaco-aire y la salida de los gases nitrosos. El catalizador son rejillas de platino dispuestas verticalmente a lo largo de la superficie cilíndrica y fijadas debajo de las tapas. Las rejillas se estiran sobre un dispositivo de soporte cerámico, que tiene canales horizontales para el suministro de la mezcla de amoníaco y aire a las rejillas de contacto y canales verticales para el suministro de refrigerante. La desventaja de un dispositivo de soporte de este tipo es la distribución del gas que ingresa al catalizador en forma de chorros separados, como resultado de lo cual el área del catalizador no funciona por completo.
Figura 10 - Aparato de contacto con flujo de gas radial: 1 - carcasa; 2 - cubierta; 3 - sistema de elementos de soporte; 4 - catalizador; 5 - celosía; 6 - fondo ciego
Se propone un dispositivo de flujo de gas radial (Figura 10), que consta de un cuerpo 1 y una tapa con un racor para introducir una mezcla de amoníaco-aire. En la parte inferior de la carcasa hay un racor para la introducción de gases nitrosos. Las gasas de catalizador en forma de cilindro y cono están dispuestas verticalmente. Sin embargo, este dispositivo tampoco proporciona un suministro uniforme de gases al catalizador.
Figura 11 - Dispositivo de contacto con catalizador granular: 1 cuerpo cilíndrico; 2 - tapa con orificio central; 3, 4 - rejillas de distribución perforadas cilíndricas coaxiales; 5 - fondo anular; 6 - racor de salida
Se propone un aparato con un flujo de gas radial y un catalizador granular. Como catalizadores, se utilizan metales de platino depositados sobre un soporte o tabletas de un catalizador sin platino (Figura 11).
El aparato de la figura 11 consiste en un cuerpo cilíndrico 1, en la parte superior del cual se introduce una mezcla de amoníaco-aire, y en la parte inferior se eliminan los gases nitrosos. En su interior se encuentran dos rejillas de distribución perforadas cilíndricas coaxiales 3 y 4, entre las cuales se coloca una capa de catalizador granular 7. Racor 6.
La mezcla de amoníaco-aire a la entrada del aparato se divide en dos corrientes. La parte principal pasa al espacio anular entre las paredes de la carcasa y el cilindro de distribución exterior y entra radialmente en el catalizador. La segunda parte, más pequeña, pasa por el orificio de la tapa y entra en el catalizador a lo largo del eje. No se garantiza una distribución uniforme de la mezcla de gases en el catalizador.
La desventaja de estos diseños es el sobrecalentamiento de la mezcla de amoníaco y aire a más de 200 cerca de un fondo ciego debido a una disminución en la velocidad del gas a cero. El sobrecalentamiento del gas provoca el sobrecalentamiento de las mallas del catalizador y su mayor desgaste.
Figura 12 - Aparato con un catalizador en forma de cono: 1 - una camisa para calentar gas; 2 - catalizador; 3 - dispositivo de tubería de soporte; 4 - chaqueta de agua
El aparato (Figura 12) contiene un catalizador en forma de varias capas de una malla de platino, soldadas a partir de piezas de forma triangular en un cono con un ángulo de vértice de aproximadamente 60°. El paquete de rejilla se basa en una estructura que consta de 6-12 tubos a lo largo de la generatriz del cono, a través del cual pasa el refrigerante. Esta forma de catalizador tiene una gran superficie específica (en relación con el volumen del aparato) en comparación con un catalizador plano ubicado a través del flujo de gas. Sin embargo, en comparación con un catalizador cilíndrico, su área de superficie específica es menor.
Figura 13 - Aparato de contacto para la oxidación de amoníaco a alta presión: 1 - carcasa; 2 - cono interior; 3 - aparamenta; 4 - encendedor; 5 - rejillas de catalizador; 6 - sobrecalentador; 7 - paquetes de calderas de vapor; 8 - economizador
La figura 13 muestra un aparato de contacto para la oxidación de amoníaco bajo una presión de 0,71 MPa. El aparato consta de dos conos insertados uno dentro del otro. La mezcla de amoníaco y aire entra desde abajo en el espacio entre los conos interior y exterior, sube y desde allí desciende por el cono interior. De camino al catalizador de platino, realizado en forma de rejillas, la mezcla se mezcla bien en el dispositivo de distribución de los anillos Raschig.
Para medir las temperaturas de la mezcla de gas entrante y el proceso de conversión, el aparato está equipado con termopares: cuatro antes del catalizador y cuatro después. Para el muestreo de gases, hay tubos de muestreo de vapor: cuatro antes del catalizador y cuatro después. El catalizador se enciende con una mezcla de hidrógeno y nítrico suministrada por medio de un quemador rotatorio (encendedor).
Figura 14 - Aparato de contacto Grand Paroiss: 1 - caja; 2 celosía; 3 - catalizador de platino; 4 - malla blindada; 5 - capa de anillos; 6 placa perforada; 7 - sobrecalentador; 8 - caldera de calor residual
Entre los aparatos que operan a una presión media de 0,40-0,50 MPa, destaca el aparato de la empresa Grande Paroiss, fabricado en acero inoxidable (Figura 14). Consta de un cuerpo, cerrado por arriba con una tapa elíptica, con un racor de entrada para introducir una mezcla gaseosa. Debajo de la cubierta hay un cono perforado, luego un deflector. Sobre las rejillas de platino se coloca una rejilla de distribución, sobre la cual se encuentra una capa de seis rejillas que actúan como amortiguadores de las pulsaciones de la velocidad del flujo. La desventaja del dispositivo es la presencia de zonas estancadas en la región de altas temperaturas del catalizador, donde el amoníaco entrante puede descomponerse.
6. SELECCIÓN Y DESCRIPCIÓN DEL ESQUEMA TECNOLÓGICO PARA LA PRODUCCIÓN DE ÁCIDO NÍTRICO NO CONCENTRADO
Dependiendo de las condiciones del proceso de producción, se distinguen los siguientes tipos de sistemas de ácido nítrico:
2) sistemas que funcionan a presión elevada (4-8 atm);
3) sistemas combinados en los que la oxidación del amoníaco se lleva a cabo a una presión más baja y la absorción de óxidos a una presión más alta.
Considere estos esquemas tecnológicos.
1) sistemas que funcionan a presión atmosférica;
Figura 15 - Esquema de la instalación para la producción de ácido nítrico diluido a presión atmosférica: 1 - depurador de agua; 2 - filtro de tela; 3 - ventilador de amoníaco-aire; 4 - filtro de cartón; 5 - convertidor; 6 - caldera de recuperación de vapor; 7 - refrigerador de alta velocidad; 8 - refrigerador-condensador; 9 - ventilador para gases nitrosos; 10 - torres de absorción; 11 - torre de oxidación; 12 - torre para absorción de óxidos de nitrógeno por álcalis; 13 - refrigerador ácido; 14, 15 - bombas
Estos sistemas (Figura 15) ya no están en funcionamiento debido a la voluminosidad de los equipos (gran número de torres de absorción ácida y alcalina), la baja productividad y la acumulación de cierta cantidad de cloro, que en los sistemas de absorción ácida y alcalina tiene un fuerte efecto corrosivo en los equipos, que deben ser reemplazados constantemente, y esto conduce a grandes costos económicos.
2) sistemas combinados;
Figura 16 - Obtención de ácido nítrico por método combinado: 1 - refrigerador de alta velocidad; 2 - refrigerador; 3 - motor turbocompresor; 4 - reductor; 5 - turbocompresor de gases nitrosos; 6 - turbina para riego de gases de escape; 7 - oxidante; 8 - intercambiador de calor; 9 - refrigerador-condensador; 10 - columna de absorción; 11 - válvula de ácido; 12 - colector de condensado; 13, 14 - colectores de ácido nítrico
Las principales ventajas de este esquema son:
1. Estos sistemas (Figura 16) funcionan sin consumo externo de energía, ya que el calor de oxidación del amoníaco y la oxidación del óxido de nitrógeno es suficiente para obtener energía para comprimir el aire y los gases nitrosos a las presiones requeridas;
2. Compacidad del equipo.
3. La productividad de dichas unidades es de 1360 toneladas/día.
Las desventajas del esquema:
La principal desventaja de este esquema es que cuando el amoníaco se oxida a una presión de 9 atm, el grado de conversión es de 2 a 3% menor que a presión atmosférica, y la pérdida del catalizador de platino es de 2 a 3 veces mayor. Por lo tanto, este proceso es más ventajoso para llevar a cabo bajo presión atmosférica. Pero para las tiendas modernas y poderosas que producen ácido nítrico, en este caso, se requerirá una gran cantidad de dispositivos de gran tamaño y, en consecuencia, un aumento en el costo del trabajo de construcción e instalación. Estas consideraciones hacen necesario recurrir a aumentar la presión en el proceso de conversión de amoníaco. En este sentido, una presión de alrededor de 2,5 atm es aceptable, ya que el volumen del aparato se reduce en un factor de 2,5 en comparación con el volumen en sistemas que funcionan a presión atmosférica, con pérdidas moderadas de amoníaco y catalizador.
3) sistemas que funcionan a alta presión.
Ventajas del circuito (Figura 17):
1. La unidad es compacta, todos los dispositivos son transportables. El ciclo de encendido de la unidad es autónomo y, cuando se apaga la producción química, permanece en funcionamiento hasta que se apaga desde el panel de control. Esto le permite poner en funcionamiento rápidamente la unidad en caso de interrupciones accidentales del proceso químico. El control de la unidad en el modo de funcionamiento está automatizado.
2. El costo real y la intensidad energética del ácido nítrico, producido en unidades de una sola presión de 0,716 MPa, sigue siendo el más bajo en comparación con la unidad AK-72 y la unidad que opera según el esquema combinado.
3. En lugar de una caldera de calor residual, se instala un intercambiador de calor de alta temperatura detrás del aparato de contacto para calentar los gases de escape frente a la turbina hasta 1120 K. Al mismo tiempo, debido al aumento de potencia del turbina de gas, la producción de electricidad aumentó en 274 en comparación con la unidad AK-72.
4. En el esquema, se instala una cámara de combustión constantemente encendida en paralelo con el aparato tecnológico, lo que permite que el funcionamiento de la unidad de la máquina sea independiente de la línea de producción, así como garantizar una transición sin problemas desde el funcionamiento. de la máquina en modo inactivo al funcionamiento de la máquina con el proceso tecnológico encendido.
Las desventajas del esquema:
1. El proceso continúa a temperaturas elevadas en la unidad, lo que impone cargas muy grandes sobre el catalizador de paladio y falla. Según datos de la literatura, las pérdidas irrecuperables específicas por 1 tonelada de ácido nítrico son 40-45 mg para el proceso a presión atmosférica, 100 mg a 0,3-1,6 MPa y 130-180 mg a 0,7-0,9 MPa. Es decir, la pérdida de platino en plantas que operan bajo presión aumenta debido a temperaturas de catálisis más altas en comparación con la temperatura en plantas que operan a presión atmosférica.
2. Se requiere un grado muy alto de purificación del aire antes de ingresar a la turbina de gas, ya que la capacidad de aire del compresor se puede reducir hasta en un 10% y la eficiencia hasta en un 6%.
En este proyecto de curso se considera en detalle un esquema para la producción de ácido nítrico bajo presión con un compresor accionado por una turbina de gas (Figura 17).
La capacidad de producción de ácido nítrico según el esquema que opera a una presión de 0,716 MPa está determinada por el número de unidades. La capacidad de una unidad es de 120 mil toneladas/año (100% HNO3). El número de unidades en el esquema está determinado por la necesidad de talleres de procesamiento de ácido nítrico.
En cada unidad se realiza: preparación de la mezcla amoníaco-aire (limpieza y compresión de aire, evaporación de amoníaco líquido, purificación de amoníaco gaseoso y mezcla amoníaco-aire); conversión de amoníaco; utilización del calor de formación de óxidos de nitrógeno; enfriamiento de gases nitrosos; obtención de ácido nítrico; calefacción de gases de escape; depuración a partir de óxidos de nitrógeno y recuperación de energía gaseosa en la turbina de gas y caldera de calor residual.
Además, el esquema incluye unidades para preparar agua de alimentación para alimentar calderas de calor residual, enfriar condensado o agua desmineralizada para irrigación de columnas de absorción, reducir el vapor a los parámetros requeridos, almacenar el ácido nítrico generado y distribuirlo a los consumidores.
Figura 17 - Diagrama de producción de ácido nítrico bajo presión con un compresor accionado por una turbina de gas: 1 - filtro de aire; 2 - turbocompresor de la primera etapa; 3 - refrigerador intermedio; 4 - turbocompresor de la segunda etapa; 5 - turbina de gas; 6 - caja de cambios; 7 - motor-generador; 8 - calentador de aire; 9 - mezclador de amoníaco con aire; 10 - calentador de aire; 11 - filtro poroso; 12 - convertidor; 13 - caldera de calor residual; 14 - un recipiente para la oxidación de gases nitrosos; 15 - refrigerador - condensador; 16 - columna de absorción; 17 - convertidor; 18 - caldera de calor residual
El aire atmosférico es aspirado a través del filtro 1 por el turbocompresor de la primera etapa 2 y comprimido a 0,2-0,35 MPa. Debido a la compresión, el aire se calienta a 175 . Después de enfriar a 30-45 en el refrigerador 3, el aire ingresa al turbocompresor de la segunda etapa 4, donde se comprime a una presión final de 0.73 MPa y se calienta a 125-135 . Calentamiento de aire adicional hasta 270 ocurre en el calentador 8 debido al calor de los gases nitrosos calientes que salen del convertidor. El aire caliente entra más en el mezclador 9.
El amoníaco bajo una presión de 1.0-1.2 MPa se calienta a 150 en el calentador 10 con vapor de agua y entra en el mezclador 9, donde se mezcla con el aire. La mezcla resultante de amoníaco y aire, que contiene 10-12% de NH3, se filtra en el filtro de porolito 11 y entra en el convertidor 12, donde en un catalizador de platino-rodio a una temperatura de 890-900 el amoníaco se oxida a óxido nítrico. El calor de los gases que salen del convertidor se utiliza en la caldera de calor residual 13 para producir vapor, mientras que los gases se enfrían a 260.
A continuación, los gases pasan por un filtro para atrapar platino, ubicado en la parte superior del recipiente vacío 14. En el recipiente 14, el NO se oxida a NO2 (grado de oxidación 80%), por lo que la mezcla de gases se calienta a 300-310 y entra al calentador de aire 8, donde se enfría a 175 . El uso posterior del calor de los gases nitrosos deja de ser rentable, por lo que se enfrían con agua en el refrigerador 16 a 50-55 . Simultáneamente con el enfriamiento del gas en el refrigerador 16 se produce la condensación del vapor de agua y la formación de ácido nítrico como resultado de la interacción del agua con el dióxido de nitrógeno. La concentración del ácido resultante no supera el 52% de HNO3, el rendimiento es de aproximadamente el 50% de la capacidad total de la planta.
Desde el enfriador 15, los gases nitrosos ingresan a la columna de absorción 16 con placas de tamiz, donde el agua absorbe el NO2 para formar ácido nítrico (concentración de hasta el 55%). En las placas de la columna de absorción se colocan 16 bobinas (elementos de refrigeración), a través de las cuales circula agua para eliminar el calor liberado durante la formación de ácido nítrico.
Para limpiar los gases de escape de los óxidos de nitrógeno, se calientan a 370-420 ° C, se les agrega una pequeña cantidad de gas natural y se envía al convertidor (reactor) 17. Aquí, en presencia de un catalizador de paladio, el ocurren las siguientes reacciones:
CH4 + O2 2CO + 4H2 + Q (27)
2NO2 + 4H2 = N2 + 4H2O + Q(28)
2NO + 2H2 = N2 + 2H2O + Q(29)
Dado que estas reacciones proceden con la liberación de calor, la temperatura de los gases se eleva a 700-730 . Estos gases entran en la turbina 5 a una presión de 0,5-0,6 MPa, que acciona los turbocompresores 2 y 4, que comprimen el aire. Después de eso, los gases a una temperatura de alrededor de 400 entrar en la caldera de calor residual 19, en la que se produce vapor a baja presión.
Los turbocompresores de la primera y segunda etapas 2 y 4, así como la turbina de gas 5 son una sola unidad. La turbina de la primera etapa 2 y la turbina de gas 5 están ubicadas en un eje común y están conectadas por una caja de engranajes 6 a la turbina de la segunda etapa 4 y un motor eléctrico 7. Esta unidad le permite usar la mayor parte de la energía gastado en compresión de aire, y por lo tanto reduce significativamente el consumo de energía.
7. CÁLCULO DE LOS BALANCES MATERIAL Y TÉRMICO DEL REACTOR
7.1 Cálculo del balance de materia del reactor
1) Calcular el volumen de aire requerido:
2) Volúmenes suministrados con aire, nm3:
a) vapor de agua
b) aire seco
3) Calcular los volúmenes de oxígeno, nitrógeno y argón que vienen con el aire, en base a su porcentaje en el aire.
) Encuentra los volúmenes formados por la reacción (14), nm³ /hora:
a) óxido nítrico
b) vapor de agua
5) Determinar los volúmenes formados por reacción (15), nm³ /hora:
b) vapor de agua
c) el oxígeno consumido durante esta reacción
6) Calculamos los volúmenes en el gas después de la oxidación del amoníaco, nm³ /hora:
a) oxígeno
c) argón
d) vapor de agua
7) El balance de materia real se puede calcular si los volúmenes de los flujos a la entrada del aparato de contacto ya la salida del mismo se recalculan en masas, mientras que se debe observar el balance de materia.
Completemos la tabla para el balance de materia (Tabla 6).
Tabla 6
Ingreso Flujo Componente Cantidad Componente Cantidad kg/hm ³ /hkg/hm ³ /hNH34477,6795900NO7348,6615487O215608,57110926O25367,8573757.5N250729,69140583,755N250987,81640790,255Ar929,116520,305Ar9285 2 0H2O1827.022273.625H2O8938.62711123.625Total73572.07760203.68Total73570.96161678.38
Discrepancia de saldo
7.2 Cálculo del balance térmico del reactor
Hallemos la temperatura tx a la que es necesario calentar la mezcla aire-amoníaco para asegurar el carácter autotérmico del proceso de oxidación del amoníaco.
1) Calcular el volumen total de la mezcla de amoníaco y aire
) Determinar la concentración de los componentes de la mezcla aire-amoníaco, % (vol.):
a) amoníaco
b) aire seco
c) vapor de agua
3) Calcule la capacidad calorífica promedio de la mezcla de amoníaco y aire.
Cav = 0,01 (35,8 Pam + 28,7 Psv + 32,6 PN2O) (59)
Av = 0,01 (35,8 9,8 + 28,7 86,4 + 32,6 3,8) = 29,544 kJ/(kmol·K),
donde 35,8; 28.7 y 32.6 - capacidades caloríficas de amoníaco, aire seco y vapor de agua, kJ/(kmol K).
) Determinar el calor introducido por la mezcla de amoníaco y aire.
) Calculamos los calores liberados durante la reacción (14) y (16)
o 17030 kW, donde 905800 y 126660 son los calores liberados durante la formación de óxido de nitrógeno y nitrógeno según las reacciones (14) y (16).
) Encuentre el volumen total de gas nitroso que ingresa a la caldera de calor residual
7) Determinar la concentración de los componentes del gas nitroso, % (vol.):
a) óxido nítrico
b) oxígeno
c) argón
e) vapor de agua
8) Calcule la capacidad calorífica promedio del gas nitroso:
Snav = 0.01(31.68 PNO + 32.3 P2 + 20.78 Vapor 30.8 PN2 + 37.4 Pvod 3(68)
ahorro=0,01(31,68 8,9+32,3 6,1+20,78 0,84+30,8 66,1+37,4 18,0) = 32,17 kJ/(kmol·K)
donde 31,68; 32,3; 20,78; 30.8 y 37.4 son las capacidades caloríficas de los componentes del gas nitroso a una temperatura de 900 kJ/(kmol K).
9) Para calentamiento a vapor a partir de 198 hasta 250 en el sobrecalentador es necesario quitar el calor:
1880 kW, donde 800 10 ³ y 1082 10 ³ J/kg - entalpías específicas del vapor sobrecalentado a temperaturas de 198 y 250 y presiones de 1,5 MPa y 3,98 MPa.
10) La temperatura de los gases nitrosos a la salida del aparato de contacto se determina a partir de la ecuación de balance de calor para esta sección:
6768 106 = 64631 1,66 10³(900 - t2)
11) Calculamos el calor que se llevan los gases nitrosos. Considere el caso cuando el aparato de contacto y la caldera de calor residual se montan como un solo aparato:
12) Determinar la pérdida de calor al medio ambiente
Igualando la entrada de calor a la tasa de flujo, componemos la ecuación de balance de calor y la resolvemos con respecto a tx:
Complete la tabla para el balance de calor (Tabla 7).
Tabla 7
Entrada, kWConsumo, kWCalor introducido por la mezcla amoníaco-aire 6369,2Calor para calentar el vapor de agua en el sobrecalentador1880Calor arrastrado por los gases nitrosos20584,3Calor liberado durante la reacción (14) y (16)17030,6Pérdidas al medio ambiente935,9Total23399,8Total23400,2
Discrepancia de saldo:
8. SEGURIDAD Y MEDIO AMBIENTE INDUSTRIAL
Para garantizar un modo de operación seguro en la producción de ácido nítrico no concentrado a alta presión, es necesario cumplir estrictamente con las normas tecnológicas, instrucciones de protección laboral para los lugares de trabajo, instrucciones de protección laboral y seguridad industrial del departamento, instrucciones para ciertos tipos de trabajo.
El personal de servicio puede trabajar con la ropa de trabajo y los zapatos de seguridad prescritos por las normas, está obligado a llevar consigo equipos de protección personal en buen estado. El equipo de protección (máscara de gas individual) debe revisarse cada turno antes de comenzar a trabajar.
Las personas que reparan los mecanismos deben conocer las reglas de Gosgortekhnadzor relacionadas con el equipo que se está reparando. Personas que sirven equipos de supervisión de calderas - reglas de supervisión de calderas.
Prevenir violaciones al régimen tecnológico normal en todas las etapas del proceso.
Realice trabajos solo en equipos reparables, equipados con todos los dispositivos de seguridad, instrumentación y dispositivos de control, alarmas e interbloqueos necesarios y que funcionen correctamente.
Al entregar equipos y comunicaciones para su reparación, en los que es posible la acumulación de amoníaco, purgue los equipos y las comunicaciones con nitrógeno hasta que no queden combustibles en el nitrógeno de purga.
Antes de llenar los aparatos y comunicaciones con amoníaco después de su reparación, purgue con nitrógeno hasta que el contenido de oxígeno en el nitrógeno de purga no supere el 3,0% (vol.).
No permita la reparación de comunicaciones, accesorios, equipos bajo presión. Las reparaciones deben realizarse después de despresurizar y cerrar con tapones el área reparada. Los equipos, comunicaciones a reparar deben ser soplados o lavados.
Para evitar choques hidráulicos, el vapor debe suministrarse lentamente a las tuberías de vapor frío, asegurando un calentamiento suficiente con descarga de condensado a lo largo de toda la tubería. La salida de vapor seco del drenaje indica un calentamiento suficiente de la tubería.
No encienda equipos eléctricos con conexión a tierra defectuosa.
No permita la reparación de equipos con accionamiento eléctrico, sin quitar el voltaje de los motores eléctricos.
La reparación y el ajuste de los instrumentos de control y medición y el equipo eléctrico deben ser realizados únicamente por los servicios del departamento del operador principal de instrumentos y electricistas.
Está prohibido usar fuego abierto en las instalaciones de producción y almacenamiento: se permite fumar en los lugares designados para estos fines.
Todas las partes giratorias del equipo (mitades de acoplamiento), impulsores de ventiladores giratorios, en los ejes de motores eléctricos deben estar bien sujetos y cercados, y pintados de rojo.
Las conexiones bridadas de las líneas de ácido deben protegerse con cubiertas protectoras.
No se permite apretar los pernos de las conexiones de brida de las tuberías, así como el trabajo en equipos bajo presión.
Los aparatos que operen a presión deberán cumplir con los requisitos establecidos en las especificaciones y normas técnicas para el diseño y operación segura de recipientes y comunicaciones que operen a presión.
Los trabajos en recipientes cerrados deben realizarse en presencia de un permiso de trabajo para realizar trabajos peligrosos con gas.
La ventilación debe estar en buenas condiciones y estar constantemente en funcionamiento.
El mantenimiento de los mecanismos de elevación, los recipientes a presión se lleva a cabo solo por personas especialmente capacitadas y con un certificado especial.
No se permite que los accesos a gabinetes de emergencia, detectores de incendios, teléfonos, equipos contra incendios estén llenos de objetos extraños, deben mantenerse limpios y en buenas condiciones.
Las aberturas abiertas en techos, plataformas, pasillos deben tener cercas de 1 m de altura En la parte inferior de la cerca debe haber un costado o una tira protectora de 15 cm de altura.
Toda la instrumentación y los sistemas de automatización y bloqueo deben estar en buen estado.
Para evitar la deposición de sales de nitrito-nitrato en las superficies internas de aparatos y tuberías, palas de rotor, paredes de compresores de gas nitroso y otras piezas y aparatos, evitar la ignición prolongada de los aparatos de contacto (más de 20 minutos), reduciendo la temperatura del catalizador. gasas, rompiéndolas, dando lugar a deslizamientos de amoníaco, terminación de la irrigación de las superficies, lo que conduce a la deposición de sales de nitrito-nitrato.
Realice oportunamente el barrido, limpieza de equipos de derrames de productos de proceso, rellenado de aceite en cárteres de bombas.
Los lugares de trabajo para reparación y otros trabajos y los pasajes a ellos a una altura de 1,3 m o más deben estar cercados.
Si es imposible o no es conveniente instalar cercas para trabajar a una altura de 1,3 m o más, así como cuando se trabaja desde una escalera a una altura de más de 1,3 m, es necesario usar cinturones de seguridad, mientras que en el lugar de trabajo debe haber trabajadores auxiliares que estén listos para ayudar al trabajador. El lugar de fijación del mosquetón lo determina el jefe de trabajo.
Los cinturones de seguridad se prueban antes de la puesta en marcha, así como durante el funcionamiento cada 6 meses. El cinturón de seguridad debe estar etiquetado con el número de registro y la fecha de la próxima prueba.
Cuando se trabaje con ácido nítrico (toma de muestras, inspección de comunicaciones, puesta en marcha de bombas de ácido de producción, etc.), es necesario el uso de protección respiratoria y ocular individual (máscara antigás filtrante con caja marca M, gafas con media máscara de goma o protector). protector de plexiglás o casco antigás), guantes de goma a prueba de ácido, ropa especial a prueba de ácido.
Si se detecta algún mal funcionamiento en el funcionamiento del equipo, defectos en soportes, paredes, etc. informar oportunamente al jefe del departamento, al mecánico del taller. Si es necesario, detenga el equipo y prepárelo para enviarlo a reparar.
En cada parada de la unidad para reparación, abra la escotilla inferior del oxidante y, en presencia de sales de amonio en la red de distribución, a lo largo de las paredes y el fondo, evapore con vapor vivo, drene el condensado.
El trabajo con vapor, el condensado de vapor debe llevarse a cabo en monos, calzado, guantes.
Para prevenir intoxicaciones y enfermedades ocupacionales en el departamento, se deben observar los siguientes requisitos sanitarios e higiénicos:
a) la temperatura del aire debe ser:
23- período de transición e invierno;
18-27 - período de verano.
b) humedad relativa del aire:
en verano - no más del 75%;
en invierno - no más del 65%.
c) ruido: no más de 65 dBA en cabinas insonorizadas, en otros lugares no más de 80 dBA;
d) vibración: no más de 75 dB en cabinas insonorizadas, en salas de motores y de contacto no más de 92 dB;
e) iluminación de los lugares de trabajo:
cabinas insonorizadas - al menos 200 lux;
en los sitios de las columnas de absorción - al menos 50 lux;
en las salas de motores y contactos: al menos 75 lux.
f) la concentración máxima permitida de sustancias nocivas en el aire del área de trabajo de las instalaciones:
amoníaco - no más de 20 mg/m3;
óxidos de nitrógeno - no más de 5 mg/m3.
Además de las máscaras antigás individuales, el departamento cuenta con un suministro de emergencia de máscaras antigás filtrantes y aislantes.
Las máscaras de gas de emergencia se almacenan en gabinetes de emergencia.
CONCLUSIÓN
En el transcurso del trabajo de curso se diseñó un reactor de oxidación catalítica de amoníaco para producir óxidos de nitrógeno en la producción de ácido nítrico no concentrado.
Se consideraron los fundamentos físicos y químicos del proceso. Se dan las características de la materia prima inicial y del producto terminado.
El volumen de aire requerido para la oxidación se calculó como 5900 m ³ / h de amoníaco, ascendió a 54304 m ³ / hora Los volúmenes de oxígeno, nitrógeno y argón suministrados con aire se calcularon en función de su porcentaje en el aire. También se calcularon los volúmenes de oxígeno, nitrógeno, argón y vapor de agua en el gas después de la oxidación del amoníaco.
Se calculó el balance de calor, como resultado de lo cual se calcularon todos los flujos de calor. Se calculó la temperatura a la que es necesario calentar la mezcla amoníaco-aire para asegurar el carácter autotérmico del proceso de oxidación del amoníaco, fue de 288 . La temperatura del gas nitroso después de que se calculó el sobrecalentador, fue 836.7 . Se determinan las pérdidas de calor al medio ambiente.
Se realizó una revisión de la literatura sobre el esquema más eficiente para la producción de ácido nítrico no concentrado. Se eligió un sistema que opera a alta presión, ya que esta unidad es compacta, todos los dispositivos son transportables, el ciclo de energía de la unidad es autónomo. En el esquema considerado, la electricidad no se consume para necesidades tecnológicas. La electricidad se consume en pequeña cantidad solo para accionar las bombas necesarias para bombear ácido, suministrando agua de alimentación a las calderas. El trabajo de acuerdo con este esquema se lleva a cabo sin emisiones de gases nocivos a la atmósfera.
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El nitrato de amonio es un fertilizante sin lastre que contiene un 35% de nitrógeno en forma de amoníaco y nitrato, por lo que puede usarse en cualquier suelo y para cualquier cultivo. Sin embargo, este fertilizante tiene propiedades físicas desfavorables para su almacenamiento y uso. Cristales y gránulos de nitrato de amonio esparcidos en el aire o apelmazados en grandes agregados como resultado de su higroscopicidad y buena solubilidad en agua. Además, cuando la temperatura y la humedad del aire cambian durante el almacenamiento de nitrato de amonio, pueden ocurrir transformaciones polimórficas. Para suprimir las transformaciones polimórficas y aumentar la resistencia de los gránulos de nitrato de amonio, se utilizan aditivos introducidos durante su fabricación: fosfatos y sulfatos de amonio, ácido bórico, nitrato de magnesio, etc. La naturaleza explosiva del nitrato de amonio complica su producción, almacenamiento y transporte.
El nitrato de amonio se produce en fábricas que producen amoníaco sintético y ácido nítrico. El proceso de producción consta de las etapas de neutralización del ácido nítrico débil con amoníaco gaseoso, evaporación de la solución resultante y granulación de nitrato de amonio. El paso de neutralización se basa en la reacción.
NH 3 + HNO 3 \u003d NH 4 NO 3 +148, 6 kJ
Este proceso de quimisorción, en el que la absorción de un gas por un líquido va acompañada de una reacción química rápida, se produce en la región de difusión y es muy exotérmico. El calor de neutralización se utiliza racionalmente para evaporar el agua de las soluciones de nitrato de amonio. Usando ácido nítrico de alta concentración y calentando los reactivos iniciales, es posible obtener directamente nitrato de amonio fundido (con una concentración superior al 95-96% NH 4 NO 3) sin el uso de evaporación.
Los esquemas más comunes con evaporación incompleta de la solución de nitrato de amonio debido al calor de neutralización (Fig. 2).
La mayor parte del agua se evapora en un reactor químico-neutralizador ITN (utilizando el calor de neutralización). Este reactor es un recipiente cilíndrico de acero inoxidable, en cuyo interior se encuentra otro cilindro, donde se introduce directamente el amoníaco y el ácido nítrico. El cilindro interior sirve como parte de neutralización del reactor (zona de reacción química), y el espacio anular entre el cilindro interior y el recipiente del reactor sirve como parte de evaporación. La solución resultante de nitrato de amonio se suministra desde el cilindro interior a la parte evaporativa del reactor, donde se produce la evaporación del agua debido al intercambio de calor entre las zonas de neutralización y evaporación a través de la pared del cilindro interior. El vapor de jugo resultante se elimina del neutralizador HP y luego se usa como agente de calentamiento.
El aditivo de sulfato-fosfato se dosifica en ácido nítrico en forma de ácidos sulfúrico y fosfórico concentrados, que se neutralizan junto con amoníaco nítrico en el neutralizador ITN. Al neutralizar el ácido nítrico original, una solución de nitrato de amonio al 58% a la salida del ITN contiene 92-93% NH 4 NO 3; esta solución se envía a un post-neutralizador, en el que se suministra amoníaco gaseoso de tal manera que la solución contenga un exceso de amoníaco (alrededor de 1 g / dm 3 NH 3 libre), lo que garantiza la seguridad del trabajo posterior con el NH 4 NO 3 derretir. La solución neutralizada se concentra en un evaporador tubular de placas combinadas para obtener una masa fundida que contiene 99,7-99,8 % de NH 4 NO 3 . Para la granulación de nitrato de amonio altamente concentrado, la masa fundida se bombea mediante bombas sumergibles hasta la parte superior de una torre de granulación de 50-55 m de altura. La granulación se realiza por pulverización de la masa fundida con la ayuda de vibrogranuladores de tipo celda acústica, que proporcionan una distribución granulométrica uniforme del producto. Los gránulos se enfrían con aire en un enfriador de lecho fluidizado, que consta de varias etapas de enfriamiento sucesivas. Los gránulos enfriados se rocían con tensioactivos en un tambor con boquillas y se transfieren al empaque.
En vista de las deficiencias del nitrato de amonio, es aconsejable fabricar fertilizantes complejos y mixtos sobre esta base. Al mezclar nitrato de amonio con piedra caliza, se obtienen sulfato de amonio, nitrato de cal-amonio, nitrato de sulfato de amonio, etc.. Nitrophoska se puede obtener fusionando NH 4 NO 3 con sales de fósforo y potasio.
La carbamida (urea) entre los fertilizantes nitrogenados ocupa el segundo lugar en términos de producción después del nitrato de amonio. El crecimiento de la producción de carbamida se debe al amplio alcance de su aplicación en la agricultura. Tiene una gran resistencia a la lixiviación en comparación con otros fertilizantes nitrogenados, es decir. menos susceptible a la lixiviación del suelo, menos higroscópico, puede usarse no solo como fertilizante, sino también como aditivo para la alimentación del ganado. La urea también se usa ampliamente en fertilizantes compuestos, fertilizantes controlados por tiempo y en plásticos, adhesivos, barnices y revestimientos.
La carbamida CO(NH 2) 2 es una sustancia cristalina blanca que contiene un 46,6 % de nitrógeno. Su producción se basa en la reacción de la interacción del amoníaco con el dióxido de carbono.
2NH 3 + CO 2 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O 
H=-110,1 kJ (1)
Así, la materia prima para la producción de urea es el amoníaco y el dióxido de carbono obtenido como subproducto en la producción de gas de proceso para la síntesis de amoníaco. Por ello, la producción de urea en las plantas químicas suele combinarse con la producción de amoníaco.
Reacción (1) - total; procede en dos etapas. En la primera etapa, se produce la síntesis de carbamato:
2NH 3 + CO 2 \u003d NH 2 COONH 4 H \u003d -125,6 kJ (2)
gas gas liquido
En la segunda etapa, se produce un proceso endotérmico de separación de agua de las moléculas de carbamato, como resultado de lo cual se forma carbamida:
NH 2 COONH 4 \u003d CO (NH 2) 2 + H 2 O H \u003d 15.5 (3)
líquido líquido líquido
La reacción de formación de carbamato de amonio es exotérmica reversible, procede con una disminución de volumen. Para desplazar el equilibrio hacia el producto, debe realizarse a presión elevada. Para que el proceso avance a una velocidad suficientemente alta, también son necesarias temperaturas elevadas. Un aumento de la presión compensa el efecto negativo de las altas temperaturas sobre el cambio del equilibrio de la reacción en la dirección opuesta. En la práctica, la síntesis de urea se lleva a cabo a temperaturas de 150-190 
C y presión 15-20 MPa. En estas condiciones, la reacción transcurre a gran velocidad y hasta el final.
La descomposición del carbamato de amonio es una reacción endotérmica reversible que se desarrolla intensamente en la fase líquida. Para evitar la cristalización de productos sólidos en el reactor, el proceso debe realizarse a una temperatura inferior a 98C (punto eutéctico para el sistema CO (NH 2) 2 - NH 2 COONH 4).
Las temperaturas más altas desplazan el equilibrio de la reacción hacia la derecha y aumentan su velocidad. El grado máximo de conversión de carbamato en carbamida se alcanza a 220C. Para desplazar el equilibrio de esta reacción, también se introduce un exceso de amoníaco que, al ligar el agua de reacción, la elimina de la esfera de reacción. Sin embargo, todavía no es posible lograr una conversión completa de carbamato en urea. La mezcla de reacción, además de los productos de reacción (carbamida y agua), también contiene carbamato de amonio y sus productos de descomposición, amoníaco y CO2.
Para el uso completo de la materia prima, es necesario prever el retorno de amoníaco y dióxido de carbono sin reaccionar, así como sales de amonio y carbono (productos de reacción intermedios) a la columna de síntesis, es decir, creación de un reciclaje, o separación de carbamida de la mezcla de reacción y envío de los reactivos restantes a otras industrias, por ejemplo, a la producción de nitrato de amonio, es decir, llevar a cabo un proceso abierto.
En una unidad de gran capacidad para la síntesis de urea con reciclado de líquido y uso de un proceso de stripping (Fig. 3), se pueden distinguir una unidad de alta presión, una unidad de baja presión y un sistema de granulación. Una solución acuosa de carbamato de amonio y sales de amonio de carbono, así como amoníaco y dióxido de carbono, ingresa a la parte inferior de la columna de síntesis 1 desde el condensador de carbamato de alta presión 4. En la columna de síntesis a una temperatura de 170-190C y un presión de 13-15 MPa, termina la formación de carbamato y procede la reacción de síntesis de urea. El consumo de reactivos se selecciona de modo que la relación molar de NH 3:CO 2 en el reactor sea 2,8-2,9. La mezcla de reacción líquida (fundido) de la columna de síntesis de urea ingresa a la columna de extracción 5, donde fluye por las tuberías. El dióxido de carbono comprimido en el compresor a una presión de 13-15 MPa se alimenta en contracorriente al fundido, al que se le agrega aire en una cantidad que proporciona una concentración de oxígeno de 0,5-0,8% en la mezcla para formar una película pasivante y reducir el equipo. corrosión. La columna de separación se calienta con vapor. La mezcla de gas y vapor de la columna 5, que contiene dióxido de carbono fresco, ingresa al condensador de alta presión 4. También se introduce amoníaco líquido. Sirve simultáneamente como corriente de trabajo en el inyector 3, que suministra al condensador una solución de sales de carbono amónicas del lavador de alta presión 2 y, si es necesario, parte de la masa fundida de la columna de síntesis. El carbamato se forma en el condensador. El calor liberado durante la reacción se utiliza para producir vapor.
Por la parte superior de la columna de síntesis salen continuamente los gases sin reaccionar, que entran en el lavador de alta presión 2, en el que la mayoría de ellos se condensan por refrigeración con agua, formando una solución de carbamato y sales amónicas de carbono.
La solución acuosa de carbamida que sale de la columna de separación 5 contiene 4-5% de carbamato. Para su descomposición final, la solución se estrangula a una presión de 0,3-0,6 MPa y luego se envía a la parte superior de la columna de destilación 8.
La fase líquida fluye en la columna por el relleno en contracorriente con la mezcla de vapor y gas que sube de abajo hacia arriba. NH 3 ,CO 2 y vapor de agua salen por la parte superior de la columna. El vapor de agua se condensa en el condensador de baja presión 7, mientras que la mayor parte del amoníaco y el dióxido de carbono se disuelven. La solución resultante se envía al lavador 2. La depuración final de los gases emitidos a la atmósfera se realiza por métodos de absorción.
Una solución de urea al 70% que sale por el fondo de la columna de destilación 8 se separa de la mezcla gas-vapor y se envía después de reducir la presión a la atmosférica, primero a la evaporación y luego a la granulación. Antes de pulverizar la masa fundida en la torre de granulación 12, se le añaden aditivos acondicionadores, como resina de urea-formaldehído, para obtener un fertilizante que no se apelmaza y que no se deteriora durante el almacenamiento.
En la producción de fertilizantes fosforados existe un alto riesgo de contaminación atmosférica con gases de flúor. La captura de compuestos de flúor es importante no solo desde el punto de vista de la protección del medio ambiente, sino también porque el flúor es una materia prima valiosa para la producción de freones, fluoroplásticos, fluorocauchos, etc. Los compuestos de flúor pueden ingresar a las aguas residuales en las etapas de lavado de fertilizantes, limpieza de gases. Es conveniente reducir la cantidad de tales aguas residuales para crear ciclos cerrados de circulación de agua en los procesos. Para el tratamiento de aguas residuales a partir de compuestos de flúor, se pueden utilizar métodos de intercambio iónico, precipitación con hidróxidos de hierro y aluminio, sorción sobre óxido de aluminio, etc.
Las aguas residuales de la producción de fertilizantes nitrogenados que contienen nitrato de amonio y urea se envían a tratamiento biológico, mezclándolas previamente con otras aguas residuales en proporciones tales que la concentración de urea no supere los 700 mg/l, y amoníaco - 65-70 mg /l.
Una tarea importante en la producción de fertilizantes minerales es la purificación de gases del polvo. La posibilidad de contaminar la atmósfera con polvo de fertilizante en la etapa de granulación es especialmente grande. Por lo tanto, el gas que sale de las torres de granulación está necesariamente sujeto a limpieza de polvo por métodos secos y húmedos.
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