Описание технологической схемы цеха (или отделения)

 

6.1. Подготовка и сжатие воздуха

В производстве слабой азотной кислоты для окисления аммиака используется кислород атмосферного воздуха.

Атмосферный воздух через аппарат очистки воздуха поз. Ф-101 поступает на всас осевого компрессора газотурбинного агрегата ГТТ-3М поз. М-101. В аппарате очистки поз. Ф-101 воздух последовательно проходит две ступени очистки. Первую ступень – грубую очистку, выполненную на основе кассетных фильтров типа Ф-1.8 из лавсанового волокна в количестве 69 штук. Вторую ступень - тонкую очистку, выполненную на основе кассетных фильтров типа Д-33КЛ из ткани Петрянова, которых установлено 68 штук.

В осевом компрессоре воздух сжимается до давления 0,25 – 0,3 МПа (2,5 – 3,0 кгс/см²) и нагревается за счёт сжатия до температуры не более 180 ⁰С, после чего поступает на охлаждение в промежуточный воздухоохладитель, где охлаждается оборотной водой до температуры не выше 48 ⁰С.

Охлаждённый воздух поступает на вторую ступень сжатия ГТТ-3М – центробежный нагнетатель, где сжимается до давления 0,63 - 0,8 МПа (6,3 - 8,0 кгс/см²) с повышением температуры не более 160 ⁰С.

После нагнетателя ГТТ-3М основная часть воздуха направляется на окисление аммиака. Кроме того, воздух используется:

- в камере сгорания ГТТ-3М (КСТ) для сжигания природного газа;

- для охлаждения проточной части и элементов корпуса турбины;

- в качестве добавочного воздуха, который подаётся в поток нитрозных газов перед подогревателем хвостовых газов поз. Т-202;

- в качестве добавочного воздуха (основного потока), который подаётся в продувочную колонну поз. К-202 для удаления растворённых оксидов азота из кислоты (для «отбеливания» кислоты);

- в камере сгорания реактора поз. А-201 для сжигания природного газа с целью поддержания необходимой температуры хвостового газа перед его очисткой в реакторе каталитической очистки (РКО) поз. Р-202.

6.2.Распределение и подготовка газообразного аммиака.

Узел подготовки газообразного аммиака (УПА) включает в себя три аппарата:

- аппарат подготовки газообразного аммиака (испаритель) поз. Т-204;

- фильтр газообразного аммиака поз. Ф-201;

- подогреватель газообразного аммиака поз. Т-205.

Работа УПА может осуществляться:

- на жидком аммиаке, поступающего на установку САК со склада жидкого аммиака;

- на газообразном аммиаке давлением 1,4 Мпа (14,0 кгс/см²), поступающего на установку САК с агрегата АМ-1;

- по смешанной схеме (на газообразном и жидком аммиаке).

Работа УПА на жидком аммиаке.

Жидкий аммиак, поступающий из общецехового коллектора в аппарат подготовки газообразного аммиака поз. Т-204 под давлением 1,2 - 1,4 МПа (12,0 – 14,0 кгс/см²), испаряется при температуре не более 30 ⁰С и давлении в аппарате 1,05 - 1,15 МПа (10,5 - 11,5 кгс/см²) водяным паром с давлением не более 1,5 МПа (15,0 кгс/см²). Постоянное давление газообразного аммиака на выходе из испарителя поддерживается изменением количества пара, подаваемого на испарение жидкого аммиака. Заданный уровень жидкого аммиака в испарителе поз. Т-204 поддерживается автоматически.

Из аппарата поз. Т-204 газообразный аммиак поступает в фильтр поз. Ф-201, где очищается от масла, механических примесей, влаги на фильтрующих элементах ФЭП, выполненных из фторопласта.

После очистки газообразный аммиак из аппарата поз. Ф-201 направляется в подогреватель поз. Т-205, где нагревается до температуры 80 - 110 ⁰С водяным паром с давлением не более 0,6 МПа (6,0 кгс/см²).

Сброс парового конденсата из испарителя поз. Т-204 осуществляется в общецеховой коллектор, из которого он направляется в сборники парового конденсата поз. Е-301/А,Б. Сброс парового конденсата из подогревателя поз. Т-205 осуществляется в общецеховой коллектор, из которого он поступает в деаэраторные колонки поз. К-301/1,2.

По мере испарения жидкого аммиака концентрация масла и механических примесей в кубовых остатках испарителя поз. Т-204 увеличивается. Во избежание этого предусматривается постоянный отвод (непрерывная продувка) жидкого аммиака из испарителя в общецеховой сборник кубовых остатков поз. Х-401 или аварийную ёмкость аммиака поз. Х-402, где из кубовых остатков испаряется газообразный аммиак, который выдается в заводскую сеть 0,35 МПа (3,5 кгс/см²), а накопившееся масло и механические примеси периодически выводятся из сборника кубовых остатков в буферную емкость через маслосборник поз. Е-405. Масло и капли жидкого аммиака, уловленные в фильтре поз. Ф-201, также непрерывно выводятся в общецеховой сборник кубовых остатков поз. Х-401 или аварийную ёмкость аммиака поз. Х-402.

На линии аммиака перед смесителем осуществляется отбор газообразного аммиака на селективную каталитическую очистку в количестве 20 - 80 м³/ч, который подаётся в реактор поз. Р-202.

Основными параметрами стадии являются: температура газообразного аммиака после подогревателя поз. Т-205 - не менее 80 ⁰С и давление после испарителя поз. Т-204 - не менее 7,3 кгс/см².

6.3.Подготовка аммиачно-воздушной смеси.

Сжатый воздух после нагнетателя ГТТ-3М подается в подогреватель воздуха, встроенный в окислитель поз. Х-201, где нагревается за счет тепла нитрозных газов до температуры не более 240 ⁰С, после чего поступает в смеситель поз. Х-202. Количество воздуха, поступающего в смеситель, регулируется сбросом части воздуха в камеру сгорания ГТТ-3М.

В смесителе воздух смешивается с газообразным аммиаком. Объемная доля аммиака в аммиачно-воздушной смеси поддерживается постоянной с помощью автоматической схемы соотношения «аммиак-воздух», равной 9,5 - 10,6 %. После смешивания в аппарате поз. Х-202 аммиачно-воздушная смесь фильтруется на патронных фильтрах из материала УСТВ (количество фильтров - 130 шт.) и с температурой 170 - 230 ⁰С поступает в контактный аппарат поз. Р-201.

Основными параметрами стадии являются: температура аммиачно-воздушной смеси – 170 - 230 ⁰С и объёмное соотношение «аммиак-воздух» - 9,5 - 10,6 %.

6.4.Конверсия аммиака и охлаждение нитрозных газов.

В контактном аппарате поз. Р-201 аммиак окисляется кислородом воздуха до оксида азота (II) на платиновых катализаторных сетках и оксидном катализаторе второй ступени окисления аммиака ИК-42-1М. В качестве несущей подложки для пакета платиновых сеток может использоваться блочный кордиеритовый носитель сотовой структуры АОК-63-81. Реакция окисления аммиака протекает при температуре 880 - 910 ⁰С с кислородом, содержащемся в аммиачнр-воздушной смеси по реакциям:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O Δ_rH⁰(298) = – 908 кДж (6.1)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O Δ_rH⁰(298)= –1099 кДж (6.2)

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O Δ_rH⁰(298) = – 1260 кДж (6.3)

Основной является первая реакция, вторая и третья реакции - побочные, увеличивающие прямые потери аммиака. Степень конверсии аммиака (выход NO от исходного аммиака) должна быть не менее 93,5 %.

Образующиеся при окислении аммиака нитрозные газы с температурой 880 - 910 ⁰С поступают в котел-утилизатор нитрозного газа Г-420БПЭ поз. Т-201. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до температуры 250 - 285 ⁰С происходит испарение питательной воды с получением насыщенного пара давлением 1,5 МПа (15,0 кгс/см²), который после паросборника котла-утилизатора поступает в пароперегреватель, расположенный в контактном аппарате после катализаторных сеток. Уровень воды в котле-утилизаторе регулируется автоматически. Температура получаемого перегретого пара после пароперегревателя котла поз. Т-201 – 230 - 250 ⁰С. Перегретый пар в количестве до 25 т/ч выдаётся в общецеховой коллектор. В газовом тракте котла-утилизатора частично идет реакция окисления оксида азота II (NO) в оксид азота IV (NO₂) с выделением тепла:

2NO + O₂ = 2NO₂ Δ_rH⁰(298) = – 124 кДж (6.5)

Из котла-утилизатора поз. Т-201 нитрозный газ поступает в совмещённый аппарат – окислитель с подогревателем воздуха поз. Х-201. В объеме окислителя поз. Х-201 происходит также реакция окисления оксида азота II в оксид азота IV с повышением температуры нитрозных газов не более 340 ⁰С. В нижней части окислителя установлен фильтр для улавливания катализаторной пыли (платины) из газовой фазы.

Из окислителя нитрозный газ разделяется на два потока, один из которых поступает в подогреватель воздуха, где за счет нагрева воздуха охлаждается до температуры 185 - 195 ⁰С. Другой поток, являясь байпасом подогревателя воздуха, через заслонку с ручным приводом соединяется с первым потоком нитрозного газа после выхода его из подогревателя воздуха.

После объединения в общий поток нитрозный газ с температурой до 260 ⁰С поступает в подогреватель хвостовых газов поз. Т-202, откуда охлаждённый хвостовыми газами до температуры 152 – 187 ⁰С, поступает в холодильники-конденсаторы поз. Т-203/А,Б.

В холодильниках-конденсаторах поз. Т-203/А,Б за счёт охлаждения оборотной водой происходит дальнейшее охлаждение нитрозных газов до температуры не более 50 ⁰С, а также конденсация водяных паров с образованием 40 – 55 % азотной кислоты, которая подаётся в абсорбционную колонну на тарелки с соответствующей массовой долей кислоты. Оборотная вода с температурой не более 35 ⁰С возвращается в оборотный цикл ВОЦ-7/2.

Основными параметрами стадии являются: температура под сетками КА - 880 – 910 ⁰С и степень конверсии NH₃ - не менее 93,5 %.

6.5.Абсорбция оксидов азота.

Нитрозный газ из холодильников-конденсаторов поз. Т-203/А,Б поступает под первую тарелку абсорбционной колонны поз. К-201. В колонне размещены 47 ситчатых тарелок с отверстиями диаметром 2 мм и шагом между ними 10 мм. Нитрозный газ, проходя через отверстия в тарелках, барботирует через слой кислоты, ограниченный переливным устройством, создавая при этом пенный режим с большой поверхностью контакта фаз. Реакции в абсорбционной колонне происходят в двух фазах: жидкой и газообразной.

В жидкой фазе на тарелках:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ Δ_rH⁰(298) = – 116 кДж (6.6)

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ Δ_rH⁰(298) = – 59 кДж (6.7)

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O Δ_rH⁰(298) = – 76 кДж (6.8)

В газовом объёме:

2NO + O₂ = 2NO₂ Δ_rH⁰(298) = – 124 кДж (6.9)

2NO₂ = N₂O₄ Δ_rH⁰(298) = – 57 кДж (6.10)

Для обеспечения полного окисления оксида азота II (NO) в оксид азота IV (NO₂) и избытка кислорода (О₂) на выходе из колонны не менее 1,7 % в трубопровод нитрозного газа перед подогревателем хвостовых газов подается добавочный воздух.

Нитрозный газ поступает в «куб» колонны под первую тарелку, проходит последовательно тарелки снизу вверх. На 46 тарелку для орошения абсорбционной колонны подается химочищенная вода или паровой конденсат с температурой не более 35 ⁰С. Образование азотной кислоты происходит начиная с верхней тарелки. По мере прохождения через тарелки сверху вниз происходит увеличение массовой доли азотной кислоты. На выходе из абсорбционной колонны массовая доля азотной кислоты должна быть не менее 57 %.

Отвод реакционного тепла процесса абсорбции производится оборотной водой, проходящей по охлаждающим трубчатым змеевикам, уложенным на тарелках абсорбционной колонны.

Азотная кислота после абсорбционной колонны поз. К-201 направляется в отдувочную колонну поз. К-202, где производится ее отдувка от растворенных оксидов азота горячим добавочным воздухом после нагнетателя ГТТ-3М. Отдутая (отбеленная) азотная кислота из продувочной колонны выдается на склад азотной кислоты. В отдувочной колонне поз. К-202 автоматически поддерживается заданный уровень кислоты, что предотвращает от пропусков газа (воздуха) в хранилища поз. Е-501/А,Б,В,Г. Добавочный воздух из продувочной колонны с удалёнными из кислоты окислами азота поступает в трубопровод нитрозных газов перед абсорбционной колонной поз. К-201.

Выходящий из абсорбционной колонны хвостовой газ с объемной долей окислов азота не более 0,11 %, объёмной долей кислорода не менее 1,7 % и с температурой не более 35 ⁰С после отделения от влаги в центробежном сепараторе поз. Х-203 поступает в подогреватель поз. Т-202, где подогревается теплом нитрозных газов до температуры не более 150 ⁰С.

Во избежание коррозии абсорбционной колонны нитрозилхлоридом (NOCl) предусмотрен периодический вывод кислоты с повышенным содержанием хлоридов с тарелок № 14, 17, 18, 19 в трубопровод продукционной кислоты после отдувочной колонны поз. К-202.

Основными показателями стадии являются: степень абсорбции - не менее 99 % и концентрация продукционной азотной кислоты - не менее 57 %.

6.6.Каталитическая селективная очистка хвостовых газов.

Хвостовые газы после подогревателя хвостовых газов поз. Т-202 с температурой не более 150 ⁰С поступают в межкамерное пространство камеры сгорания реактора поз. А-201 (между внутренней «жаровой» частью и наружным корпусом камеры), где подогреваются до температуры 230 - 320 ⁰С топочными газами, полученными при сгорании природного газа в КСР, при их смешении, и направляются в реактор каталитической очистки. Для сгорания природного газа в КСР подаётся воздух после нагнетателя ГТТ-3М.

Восстановление оксидов азота происходит в реакторе поз. Р-202 на катализаторе АВК-10М (АВК-С) аммиаком, поступающим по трубопроводу от смесителя в камеру смешения в количестве 20 - 80 м³/ч в зависимости от нагрузки на агрегате по следующим реакциям:

6NO + 4NH₃ = 5N₂ + 6H₂O (6.11)

6NO₂ + 8NH₃ = 7N₂ + 12H₂O (6.12)

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O (6.13)

Соотношение NH₃: NO_x = 1,0: 1,4.

Очищенные хвостовые газы смешиваются с оставшимся воздухом и поступают в универсальную камеру сгорания турбины. Подогрев осуществляется прямым контактом с топочными газами, полученными от сжигания природного газа в токе воздуха. В этой же камере и газоходе до турбины происходит термическое окисление аммиака до молекулярного азота.

Остаточное объёмное содержание в хвостовых газах: оксидов азота - не более 0,005 %, аммиака - не более 0,005 %, оксида углерода (II) СО – 0,02 %. Данные значения являются основными параметрами стадии селективной каталитической очистки хвостовых газов.

6.7.Рекуперация энергии давления и тепла очищенных хвостовых газов.

Очищенные хвостовые газы после реактора каталитической очистки поз. Р-202 смешиваются с топочными газами в камере сгорания ГТТ-3М поз. М-101^с и с температурой не более 700 ⁰С поступают в газовую турбину ГТТ-3М поз. М-101^м.

Отработанные в турбине газы с температурой не более 408 ⁰С и давлением не более 0,006 МПа (0,06 кгс/см²) направляются в котел-утилизатор хвостовых газов Г-400ПЭ поз. Т-206. В котле вырабатывается перегретый пар давлением не более 1,5 МПа (15 кгс/см²) и температурой не более 230 - 250 ⁰С за счет охлаждения выхлопных газов до температуры не более 180 ⁰С. Перегретый пар выдаётся в общецеховой коллектор.

Топочные и очищенные хвостовые газы после котла-утилизатора Г-400ПЭ поз. Т-206 проходят экономайзеры и выбрасываются в атмосферу через выхлопную трубу высотой 150 м.