Реферат: Регенерация азотной и серной кислоты

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................................................................... 3

1. Аналитическая часть............................................................................................................................................... 4

1.1. Технико-экономическое обоснование выбранного метода производства..................................... 4

1.2 Патентная часть............................................................................................................................................................ 8

1.3 Выбор и обоснование района строительства................................................................................................ 13

Географические и климатические данные региона................................................................................................ 14

2. Расчетно-технологическая часть............................................................................................................ 15

2.1. Описание технологической схемы................................................................................................................... 15

2.2 Принцип работы колонны концентрирования H₂ SO₄ ................................................................................... 18

2.3. Стандартизация. Технологическая характеристика сырья, полуфабрикатов, готового продукта. ГОСТ и технические требования................................................................................................................................................ 20

Свойства готовых продуктов, сырья и полуфабрикатов.................................................................................. 22

2.4. Химизм основных и побочных реакций [4]................................................................................................... 23

2.5 Инженерные решения................................................................................................................................................ 27

2.6. Расчет материального баланса отделения концентрирования HNO₃ [1]......................................... 27

2.7. Расчет теплового баланса [7]............................................................................................................................... 33

3. Технико-технологическая часть............................................................................................................... 44

3.1. Выбор и расчет производительности основного и вспомогательного оборудования технологической схемы...................................................................................................................................................................................... 44

3.2 Расчет количества аппаратов.............................................................................................................................. 45

4. Конструктивно-механические расчеты.............................................................................................. 46

4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]........................................................................ 46

1.2. Гидродинамический расчет.................................................................................................................................. 50

1.2.1. Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]........................................... 50

4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по ходу газа ступеней вихревой колонны [5]........................................................................................................................................................................................ 53

4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6], [7]............................ 57

5. Выбор и обоснование схемы автоматизации производственного процесса. 62

Общие сведения о типовой микропроцессорной системе............................................................................. 63

Технологический процесс регенерации отработанных кислот.................................................................. 64

Описание контуров........................................................................................................................................................... 66

Регулирование уровня в напорном баке..................................................................................................................... 66

2 Регулирование температуры охлажденной кислоты по изменению подачи хладагента...................... 66

Регулирование соотношения расходов при автоматизации топки................................................................ 67

4. Контур контроля давления...................................................................................................................................... 67

5. Регулирование концентрации кислот................................................................................................................... 68

9. Экономическое обоснование проекта................................................................................................................ 89

Расчет нормируемых оборотных средств:............................................................................................................. 91

Расчет численности и фонда заработной платы:................................................................................................ 92

Расчет фонда заработной платы основных производственных рабочих...................................................... 93

Расчет фонда З.П. вспомогательных рабочих (дежурный персонал).............................................................. 95

Расчет годового расхода электроэнергии (по проекту)..................................................................................... 97

Смета цеховых расходов............................................................................................................................................ 100

Сравнительные технико-экономические показатели производства............................................................. 102

6. Безопасность и экологичность проекта............................................................................................ 72

Анализ производства....................................................................................................................................................... 72

Индивидуальные средства защиты.......................................................................................................................... 72

Шум и вибрация.................................................................................................................................................................. 74

Вентиляция........................................................................................................................................................................... 75

Расчет вентиляции......................................................................................................................................................... 76

Метеорологические условия........................................................................................................................................ 76

Пожарная профилактика................................................................................................................................................ 77

Освещение............................................................................................................................................................................. 79

Расчет естественного освещения.............................................................................................................................. 79

Расчет искусственного освещения............................................................................................................................. 80

Электробезопасность................................................................................................................................................... 81

Статическое электричество и молниезащита...................................................................................................... 83

Молниезащита................................................................................................................................................................. 83

Расчет молниезащиты.................................................................................................................................................. 83

Безопасность технологического процесса.......................................................................................................... 85

Экологичность проекта.................................................................................................................................................. 85

2.8 Расчет материального баланса концентрирования H₂ SO₄ ....................................................................... 39

2.9. Расчет теплового баланса вихревой колонны............................................................................................. 40

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

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

Заключение....................................................................................................................................................................... 103

Список использованных источников..................................................................................................... 104

Приложение, спецификация.............................................................................................................................. 106

Перечень условных сокращений, обозначений, применяемых в проекте.

АК - азотная кислота

СК - серная кислота

НКЛ – нитрокаллоксилин

ОК - отработанная кислота

ВКУ – вихревое контактное устройство

АСУТП – автоматизированные системы управления технологическим процессом

УВМ – управляющая вычислительная машина

ВВЕДЕНИЕ [1]

В настоящее время развитие производств, применяющих смесь азотной и серных кислот в качестве нитрующего агента, привело к получению огромных количеств отработанных кислотных смесей. Эти смеси с экономической точки зрения необходимо регенерировать и в необходимых расчетных концентрациях возвращать обратно в производственный цикл, тем самым удешевляя единицу себестоимости готовой продукции.

Состав тройных смесей HNO₃ –H₂ SO₄ – H₂ O, поступающих на регенерацию, колеблется в довольно широких пределах. В одних случаях они представляют сильно разбавленные кислотные смеси с содержанием азотной кислоты 5-10%, в других случаях отработанные кислоты содержат 1-2% азотной кислоты и 65-70% серной кислоты, в которой растворены окислы азота N₂ O₃ , образующие нитрозилсерную кислоту HNSO₅ .

Регенерация таких смесей представляет собой определенные трудности и требует изыскания все новых и новых способов, обеспечивающие нормальное ведение процесса разгонки отработанных кислот, а также получение азотной и серной кислот, которые по своим качествам и техническим характеристикам не уступают свежим кислотам применяемым для нитрации.

Начальной ступенью регенерации отработанных кислот является их денитрация. Этот процесс заключается в выделении их кислотной смеси азотной кислоты и окислов азота, содержащихся в смеси. В результате проведения процесса денитрации получается 68-70% серная кислота, которая поступает на концентрирование, после чего, в случае необходимости, может быть снова направлена непосредственно в цикл нитрации.

1. Аналитическая часть

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

В современной технологии для концентрирования серной кислоты применяются два вида установок:

- с внешним обогревом;

- с непосредственным соприкосновением греющих газов с кислотой.

К установкам внешнего обогрева относятся котлы, так называемые реторты, установки типа Бюшинга, Паулинга, Фришера, а также Майснера. В них происходит обогрев кислоты через стенку в аппаратах колонного типа, установки вакуум-аппаратов и установки Дюпон пленочного типа.

К установкам с непосредственным соприкосновением горячих газов с кислотой относятся установки Кесслера; широкое распространение получили аппараты типа Хемико, работающие в режиме барботирования газов через слой серной кислоты и аппараты Вентури трубного типа.

Суть процесса концентрирования в аппаратах этого типа заключается в дроблении кислоты на капли благодаря потоку горячего газа.

Оба вида технологий получения концентрированной серной кислоты имеют как положительные, так и отрицательные стороны, которые необходимо учитывать при выборе характера производства в каждом отдельном проекте с учетом экономических показателей и наличия трудовых и сырьевых ресурсов.

Большим преимуществом установок с внешним обогревом является отсутствие или минимальное количество тумана серной кислоты, образующейся в результате работы концентраторов второго типа, а также получения серной кислоты с крепостью до 98%. Благодаря исключению необходимости очистки выхлопных газов от кислотного тумана, появляется возможность удешевить технологический процесс в результате выхода из технологической схемы дорогостоящих электрофильтров. Но при концентрировании серной кислоты, например, в ретортах до 96% крепости и выше, происходит их быстрое изнашивание из-за высокой температуры кипения серной кислоты, которая достигает t=300^о C. Кроме того, при высоких температурах увеличивается испарение и разложение серной кислоты, что ведет к потере количества и качества серной кислоты. Эти недостатки учтены и устранены в установках типа Майснера, где концентрирование происходит под вакуумом. Установки Майснера весьма компактны по сравнению с ретортными установками Паулинга. При проектировании производств одной и той же мощности, установки с колоннами Майснера занимают менее 40% площади, требующейся для установки реторт Паулинга. Однако установки Майснера имеют весьма серьезный недостаток ввиду малой производительности (выход готового продукта составляет до 13-15 т/сут.). К другому недостатку относится растрескивание ферросилидовых царг, проявляющееся в процессе эксплуатации данной установки, а также нарушение уплотнения между царгами. К недостаткам колонн Майснера относится также необходимость строительства котельных для выработки водяного пара , применяемого в колоннах. Следовательно, этот тип установок может быть применен только в случаях необходимости концентрирования небольших количеств серной кислоты и для получения при этом серной кислоты высокой концентрации (до 98%).

Проблема растрескивания ферросилидовых материалов и проблема появления неплотностей были решены с появлением установок с применением нагревательных труб и метода стекающей пленки в установках типа Дюпон. В этих установках применено новое техническое решение в виде монтажа оборудования с учетом механических и термических напряжений ферросилида, то есть либо на катках, либо на пружинных подвесках. К преимуществам относится простота устройства, исполнения и обслуживания. Эти установки по производительности относятся к числу средних, достигая до 25 т/сутки. К недостаткам этого вида установок относится загрязнение внутренних поверхностей труб с течением времени, что приводит к снижению их теплопропускной способности и необходимости их периодической прочистки и промывки с применением большого количества воды. В нашей стране в начальный период развития производства получения высококонцентрированной серной кислоты установки этого типа пользовались большой популярностью, но, в связи с бурным ростом промышленности, потребляющей СК в огромных количествах, установки первого типа были в основном вытеснены установками второго типа – с непосредственным соприкосновением греющих газов с кислотой, а установки с внешним обогревом функционируют и в настоящее время в единичных экземплярах.

Один из представителей установок второго типа установки Кесслера, в которых значительно облегчена передача тепла от топочных газов к серной кислоте. Концентрируемая кислота не доводится до точки кипения, а большая, открытая поверхность контакта газа и кислоты максимизирует интенсивность процесса массопередачи и теплопередачи. Кроме того, преимуществом установок Кесслера является их возможность работать на любом местном виде топлива: газообразном, жидком, твердом, что значительно увеличивает сырьевые возможности безостановочного перехода с одного вида топлива в случае необходимости на другой. К недостаткам в первую очередь относится необходимость периодической чистки рекуператора с выгрузкой насадки, а также большая потеря СК с отходными газами, что составляет порядка 2-2,5%. Данные аппараты имеют небольшую производительность – 20 т/сутки. В последнее время установки Кесслера в своем большинстве были вытеснены концентраторами барабанного типа. В аппаратах этого типа концентрирование производится путем барботажа горячих газов через упариваемую кислоту, как в слое кислоты, так и в зоне брызг, где на поверхности капель происходит хорошая теплопередача. До настоящего времени они считались наиболее удобными, экономичными и практичными для концентрирования серной кислоты. Основной вид топлива для этих установок – мазут. Однако в последнее время в связи с ростом производства природного газа, последний стал широко применяться в концентраторах барабанного типа.

К преимуществам этих концентраторов относятся лучшее использование тепла и переработка большого количества кислоты. Данные концентраторы имеют и ряд существенных недостатков, которые не могут быть устранены без коренных изменений конструкции. Первый недостаток заключается в поддержании строгого температурного режима топочных газов, так как увеличение его даже на 10 ^О С довольно быстро разрушает барботажные трубы первой камеры концентратора и , следовательно, увеличиваются потери СК из-за ее термического разложения, которые составляют 10-15% от общего количества СК, идущей на концентрирование.

Вторым, весьма существенным недостатком, является образование паров и туманов СК, улов которых требует применение громоздких и дорогостоящих сооружений – электрофильтров, причем сами электрофильтры тоже имеют недостатки – они осуществляют неполный улов сернистых газов и окислов азота, которые выбрасываются в атмосферу; стоимость же их весьма велика и составляет до 30% затрат на всю установку. Учитывая все изложенные преимущества и недостатки, появились новые скоростные концентраторы, в которых потоком горячего газа жидкость преимущественно разбивается на мельчайшие капли. Для создания такого процесса концентрирования СК в капельном состоянии используют аппараты Вентури.

Таблица №1 - Расходные коэффициенты на получение 92,5% серной кислоты

Применение этих труб имеет ряд преимуществ: при небольших размерах они имеют большую производительность, что позволяет снизить капитальные затраты на 1 тонну концентрированной кислоты по сравнению с барботажным концентратором. Преимуществом этого метода является то, что более низкая температура кипения кислоты уменьшает степень разложения при ее концентрировании и уменьшает туманообразование, что в конечном итоге приводит к уменьшению требуемого объема газоочистки.

Вихревая ферросилидовая колонна коренным образом отличается от ныне действующих в промышленности систем концентрирования СК. Процесс осуществляется в режиме без образования туманов серной кислоты и сернистого ангидрида, что резко снижает газовые выбросы. Конструктивное исполнение концентратора позволяет за счет дополнительных брызгоуловительных и абсорбционных ступеней осуществлять снижение газового выброса до санитарных норм без электрофильтров и скрубберов.

1.2 Патентная часть

Для проведения патентных исследований определяется предмет поиска по теме дипломного проекта, подлежащей исследованию.

Предмет поиска: "Регенерация отработанных кислот."

Поиск проводится по отечественному патентному фонду, исходя из наличия фонда в библиотеке КГТУ. Глубина поиска – 5 лет, начиная с 1994 года и вглубь без пробелов.

Источник информации об отечественных изобретениях по Международной классификации изобретения МПК:

С01В17/88, С01В17/90, С01В21/24, С01В21/22, С01В21/38, С01В21/40, С01В21/44.

Целью исследований является установление уровня развития техники в данной области и анализ применимости прогрессивности решений в дипломном проекте.

Для составления полного списка изобретений, имеющих отношение к теме поиска, пользуются годовыми систематическими указателями к официальным бюллетеням.

Номера охранных документов, имеющих отношение к теме поиска, заносятся в таблицу.

Таблица №2 – Список охранных документов

В разрабатываемый план наиболее подходят следующие изобретений:

(11) 2016842 (13) С₁

(51) 5С01В17/88

(21) 4945951/26

(72) Махоткин А.Ф., Халитов Р.А., Иванов Г.А., Газизов Ф.М., Куликов В.В., Зарипов И.Р., Лаптев В.И.

(71) Казанский Государственный Технологический Университет

(54)(57)

1. Способ концентрирования серной кислоты, включающий многоступенчатое прямое контактирование исходной кислоты с потоком горячих топочных газов в режиме противотока и последующее сепарирование, отличающееся тем, что с целью предотвращения образования сернокислого тумана в отходящих газах, газожидкостную смесь на каждой ступени подвергают разделению на жидкостной и дисперсный потоки с подачей последнего на следующую ступень, а жидкостного – на предыдущую по отношению к направлению потока газов ступень, причем концентрацию серной кислоты в дисперсном потоке поддерживают равной 0,6-1,4 кг/м³ .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс ведут в 3-4 ступени.

(11) 1541188 (51) С01В17/90

(21) 3741076/23-26 (22) 11.05..84

(71) Горьковский Политехнический институт

(72) Пастухова Г.В., Ким П.П., Петрушков А.А., Катраев А.Н., Казанцев П.П., Никандров И.С., Овчинников В.Д.

(53) 661.254

(54)(57) Способ очистки концентрированной серной кислоты от оксидов азота обработкой восстановителем при повышенной температуре, отличающийся тем, что с целью снижения расхода восстановителя и получения утилизируемого отхода оксида азота, в качестве восстановителя используют уротропин в стехиометрическом количестве для восстановления азотистого ангидрида до оксида азота.

(11) 1699901 (51) С01В17/88

G05Д27/00

(21) 66.012.-52

(75) Кабатов Г.С., Алексеев Ю.В., Сапожников А.Д.; (54)(57) Способ управления процессом концентрирования серной кислоты в массобоменном колонном аппарате путем измерения температуры на последней по ходу кислоты ступени массообменной колонны, регулирования расхода топлива в печь по температуре топочных газов, стабилизации расходов разбавленной серной кислоты, воздуха в печь, температур топочных газов и концентрированной серной кислоты, отличающейся тем, что с целью повышения качества продукта и снижения выбросов вредных веществ в атмосферу, температуру топочных газов, подаваемых в печь, корректируют по температуре на последней по ходу кислоты ступени массообменной колонны.

(11) 1809774 (51) В01Д53/14, С01В21/38, С01В21/40

(22) 4913954/26 (22) 25.02.91

(72) В.А. Линев, В.И. Герасименко, А.А. Черкасов, М.П. Решетюк, Г.С. Николаев.

(71) Производственное объединение "Куйбышевазот"

(73) Производственное объединение "Куйбышевазот"

(54)(57) Способ снижения содержания оксидов азота в хвостовых газах производства слабой азотной кислоты, включающий абсорбцию нитрозных газов водным раствором азотной кислоты с последующм восстановлением вводимых со стадии абсорбции хвостовых газов, содержащих примеси оксидов азота, аммиаком, отличающийся тем, что с целью снижения содержания вредных веществ в хвостовых газах и расхода аммиака, водный раствор азотной кислоты, перед абсорбцией обрабатывают озонокислородной смесью, содержащей 40-60 г. озона на 1 м³ хвостового газа, вводимого со стадии абсорбции.

(11) 1688291 (51)5 С01В21/40

(21) 4648035/28 (22) 07.02.89

(53) 661.56

(72) А.Ф. Мараховский, Е.Н. Золотарев, В.К. Киселев, В.А. Степанов, Н.П. Перепадья, В.В. Истомин.

(71) Харьковский Институт инженеров коммунального строительства, Горловское производственное объединение "Стирол", кооператив "Спутник".

(54)(57) Способ переработки оксидов азота в неконцентрированной азотной кислоте включающий их абсорбцию поглотителем, содержащим азотную кислоту, предварительно обработанную магнитным полем напряженностью 1500-2500 Э, отличающийся тем, что с целью увеличения степени переработки, одновременно с магнитной обработкой осуществляется аэрирование поглотителя воздухом или газовой смесью, содержащей 90-99% кислорода в течении 20-40 мин. При удельном расходе воздуха или газовой смеси 0,2-2,0 м³ , на 1м поглотителя в час.

Заключение

Патентные исследования по фонду изобретений показали, что тема разрабатывалась, однако внимание разработчиков к исследуемой теме неравномерно по годам. Пик изобретательской активности приходится на 1992 год. При разработке темы основное внимание уделялось повышению качества готового продукта, снижению материальных затрат, улучшению технологии процесса. Разработки касаются не только совершенствования всей технологической схемы, но и отдельных операций производственного цикла и оборудования для него, изменение методов управления процессом на отдельных стадиях.

Для анализа обработано 5 изобретений, имеющих непосредственное отношение к исследуемой теме. В них разработаны методы регенерации и утилизации отработанной кислоты, при этом решаются задачи экологии за счет замкнутости цикла.

1.3 Выбор и обоснование района строительства

При выборе места строительства учитывается географическое положение, наличие полезных ископаемых, рельеф, климатические условия. Важным фактором является также наличие водоемов для обеспечения непрерывного подвода воды, сырья, путей сообщения для безопасной, экологичной и дешевой доставки этого сырья и другигх полуфабрикатов от поставщиков, а также отгрузки готовой продукции, развитой инфраструктуры, достаточная энергетическая база. Необходимо отметить также важность хорошо развитой научной базы для подготовки специалистов в данном производстве и наличия возможности выбора рабочей силы с учетом технологических особенностей и параметров данного процесса. Учитывая все вышеперечисленные факторы, выбираем для строительства производства для регенерации отработанных кислот г. Казань, как крупный научно-технический, учебно-производственный и сырьевой пункт.

Казань – столица Татарстана.

Татарстан находится в средней части Поволжья.

Географические и климатические данные региона.

По широте Татарстан занимает среднее положение, по долготе его территория сдвинута ближе к Уралу. Такое положение республики определяется умеренной континентальностью климата, что оказывает большое влияние на все факторы природных ресурсов.

Климат в Татарстане умеренный. Средняя температура холодного периода – 14,5 ^О С, теплого +19,9 ^О С. Преимущественное направление ветра – северо-западный. Относительная влажность воздуха летом µ=63%, зимой µ=86%. Глубина замерзания грунта 16 метра. Средний снеговой покров 35 см., количество осадков за год 449 мм.

Город связан с железнодорожными, водными, автомобильными путями с районами – поставщиками и потребителями. Цех по регенерации отработанных кислот расположен в непосредственной близости от железнодорожного узла "Станция Лагерная", что значительно облегчает доставку сырья и материалов для перевоза в железнодорожных вагонах и цистернах. Достаточна и энергетическая база. Электропитание идет из систем электроснабжения сети "Татэнерго".

Вода в цехе используется для технологических целей: в теплообменниках, для промывки оборудования. Источником воды является река Волга и артезианский колодец.

Производство расположено в плотнонаселенном районе Татарстана – городе Казань, что обеспечивает стабильный приток рабочей силы.

В Казани имеется ряд учебных заведений, готовящих производственные кадры. Инженерные кадры готовятся в КГТУ.

Однако, учитывая экологическую ситуацию, в том числе повышенную фоновую концентрацию вредных веществ в атмосфере, строительство нового химического предприятия на территории республики допустимо лишь при совершенствовании установок для обезвреживания отходов производства и сведения этих отходов к минимальному количеству.

Проектом предусмотрена очистка отходящих газов базового производства с целью охраны окружающей среды.

2. Расчетно-технологическая часть

2.1. Описание технологической схемы

Процесс разделения отработанных кислотных смесей и концентрирования слабой HNO₃ ведут в колонне концентрирования ГБХ (9). По трубопроводу 6.0. тройная кислотная смесь поступает в хранилище отработанных смесей (2).

Из хранилища отработанные кислоты насосом (27) подаются в напорный бак (5). В напорных баках поддерживается постоянный уровень кислот, также они имеют переливную линию, по которой избыток кислот отводится обратно в хранилища соответствующих кислот. Из напорного бака отработанные кислоты через ротаметр (8) поступают в подогреватель (7), где подогреваются до t=80-100^О С. В целях уменьшения количества пара, вводимого в колонну, подогрев в подогревателе ведется глухим паром, поступающим по трубопроводу 3. Из подогревателя отработанная тройная смесь поступает на 6-9 царги (считая сверху) колонны ГБХ, а слабая HNO₃ (48-50%) по трубопроводу 6.3 поступает в хранилище слабой HNO₃ (2). Из хранилища (1) слабая HNO₃ насосом (26) подается на 10 царгу колонны ГБХ (9). Техническая H₂ SO₄ (91-92%) из отделения концентрирования слабой H₂ SO₄ перекачивается в хранилище (3) концентрированной H₂ SO₄ и отсюда насосом (28) подается в напорный бак (6), из которого с t=(20-30 ^О С) поступает на 4-6 царги колонны (9). Все три кислоты подаются в колонну ГБХ одновременно. Также одновременно с подачей кислот для отгонки HNO₃ и окислов азота из смеси кислот и поддержания температурного режима процесса, в днище колонны (9) подают нагретый водяной пар по трубопроводу 2.3 с температурой равной 250^О С абсолютное давление нагретого пара на трубопроводе 1,5 атм. Пар в колонну подается с таким расчетом, чтобы содержание HNO₃ и окислов азота в разбавленной H₂ SO₄ , вытекающей из колонны не превышало 0,03%.

Испарение HNO₃ из отработанных смесей кислот происходит за счет H₂ SO₄ , которая подсоединяет к себе воду, понижая тем самым парциальное давление водяных паров в смеси. Испарение HNO₃ происходит в средней части колонны, состоящей из 11-13 царг HNO₃ , освобожденная от воды, но с большим содержанием окислов азота в парообразном виде поднимается в верхние царги колонны №6-9, где осушается H₂ SO₄ , стекающей вниз. Барботируя через слой H₂ SO₄ , пары HNO₃ проходят царги 3-5, где освобождаются от брызг H₂ SO₄ . Освобожденные от влаги пары HNO₃ поступают в верхние две царги колонны – дефлегматор, где происходит отдувка окислов азота.

После прохождения колонны пары HNO₃ с t(85-95^О С) из крышки колонны (9) поступают в конденсатор (10), в котором за счет охлаждения до t=30-40 ^О С происходит конденсация HNO₃ из парообразного состояния в жидкое. Сконденсировавшись, охлажденная крепкая HNO₃ стекает в общий коллектор конденсатора (10) и так как она содержит большое количество окислов азота, то обратно возвращается в дефлегматор колонны ГБХ (9), где, встречаясь с горячими газами, идущими с четвертой царги колонны, нагревается до t=85 ^О С. Освобожденная от окислов азота крепкая 96-98% HNO₃ поступает в холодильник (11) и охлажденная до t=30-40 ^О С стекает в сборник концентрированной азотной кислоты (12), откуда направляется на склад и к потребителю.

Серная кислота, постепенно насыщаясь водой, стекает по царгам вниз. H₂ SO₄ , контактируя с нитрозными газами от разложившейся HNO₃ образует нитрозилсерную кислоту. С 20 по 22 царги (в зоне гидролиза) при температуре H₂ SO₄ 150-160 ^О С происходит гидролиз нитрозилсерной кислоты.

Слабая 68-70% серная кислота с долей оксидов не более 0,003%, получаемая в процессе гидролиза из 22 царги колонны с t=160-170 ^О С, перекачивается в отделение концентрирования серной кислоты.

Дистилляция HNO₃ из отработанных кислот и ее концентрирование сопровождается выделением нитрозных газов. Это приводит не только к значительным потерям HNO₃ , но и к загрязнению окружающей среды. Поэтому после конденсатора (10) несконденсировавшиесяя пары HNO₃ направляются вентилятором (24) в поглотительные башни (20-22), орошаемые кислотами различных концентраций.

У каждого абсорбера установлены циркуляционные насосы (31), которые из нижней части каждого абсорбера через холодильники (23) подают кислоту на орошение, причем концентрация орошающей кислоты последовательно увеличивается от колонны (22) к (20). Вода для орошения абсорбционной системы подается в последний по ходу абсорбер.

Охлаждение циркулирующей кислоты необходимо потому, что при взаимодействии ее в башне с окислами азота она нагревается, а поглощаются окислы азота тем лучше, чем холоднее кислота.

Температура поглощающей кислоты 25-35 ^О С.

Пары HNO₃ и окислы азота входят в абсорбер снизу, а орошающие кислоты сверху, то есть движутся противотоками. Орошающая кислота, контактируя на поверхности насадки с нитрозными газами, стекает вниз, охлаждая окислы азота и поглощая HNO₃ . Циркуляция продолжается до тех пор, пока вода, поглощая окислы азота и пара, не превратится в слабую 48-50% HNO_3, поле чего она выводится из цикла, а в цикл накачивают свежую воду. Слабая HNO₃ после абсорбера направляется в холодильник слабой HNO_3, где охлаждается до t=35^О С, затем поступает в сборник (25) и насосом (34) перекачивается в хранилище (2) концентрирования HNO₃ .

В результате водной абсорбции содержание окислов азота в газах снижается до 0,1-0,3%. Для окончательной доочистки газы вентилятором (28) направляются в абсорбер (22), орошаемый крепкой H₂ SO₄ , поступающей по трубопроводу 6.1. После этого абсорбера газы с содержанием NO_x 0,01-0,03% выбрасываются в атмосферу, а получаемая при этом H₂ SO₄ насосом перекачивается на склад.

Концентрирование отработанной 70% H₂ SO₄ осуществляется в вихревой ферросилидовой колонне (17), путем непосредственного соприкосновения горячих топочных газов и кислоты. Горячие газы, нагретые в топке (16) до t=800-900^О С подаются на первую по ходу газового потока ступень колонны. Воздух в топку нагнетается воздуходувкой (32) а природный газ в топку подается по трубопроводу 5,7. Отработанная 70% серная кислота с температурой 150-170 ^О С из колонны ГБХ отделения денитрации насосом (29) через промежуточную емкость (14) подается на 5 ступень вихревой колонны.

Контактирование горячих газов и кислоты в колонне осуществляется в противоточном режиме. Топочные газы, поступающие на первую ступень, поднимаясь вверх, взаимодействуют в вихревом потоке с H₂ SO₄ и десорбируют из нее воду. H₂ SO₄ перетекает со ступени на ступень вниз, укрепляется и выходит из первой ступени контакта фаз в виде продукционной 91-92% H₂ SO₄ в холодильник (19). Из холодильника H₂ SO₄ насосом перекачивается в отделение денитрации в хранилище серной кислоты (3).

Горячие газы по мере движения в колонне вверх отдают тепло и насыщаются парами воды. Температура отходящих газов после верхней брызгоуловительной ступени составляет 110-130 ^О С.

Далее отходящие газы охлаждаются до t=60-70 ^О С в эжектирующем устройстве (17) колонны. Затем отходящие газы с содержанием кислых газов (0,1-0,2 г/м³ ) через трубу выбросов (30) выбрасываются в атмосферу. Концентрирование H₂ SO₄ на ступенях вихревой колонны осуществляется в высокотурболизированном вихревом восходящем жидкостном потоке, что позволяет интенсифицировать теплообменные процессы и повысить надежность сепарации фаз при повышенных скоростях газа, предотвратить перегрев и разложение серной кислоты до сернистого ангидрида (рис. 2.1)

2.2 Принцип работы колонны концентрирования H₂ SO₄

Работа основана на следующих принципах:

1. Применение прямоточного взаимодействия газовой и жидкой фаз в зоне контакта при сохранении противоточного движения потока по аппарату в целом.

2. Использование вихревого движения газожидкостного потока в зоне контакта фаз, обеспечивающего максимальную турбулизацию потока, обновление метафазной поверхности, широкий диапазон устойчивости работы контактных ступеней, а также эффективную сепарацию жидкости в поле центробежных сил.

3. Применение восходящего движения фаз в зоне контакта, обеспечивающего максимальный диаметр многоступенчатых аппаратов.

Принцип прямоточного движения газовой и жидкой фаз осуществляется в вихревом контактном устройстве (рис. 2.2.), состоящем из тарелки 3, на которую установлен завихритель 5, и контактного патрубка 4.

Завихритель газового потока расположен внутри контактного патрубка и изготовлен в виде цилиндра, имеющего 8 тангенциально расположенных лопаток 6, образующих между собой тангенциальные щели для прохода газа.

В нижней части контактного патрубка 4 имеются прорези для прохода жидкости.. Завихритель расположен на нижней царге 1, а контактный патрубок – на верхней царге 2 ступени. Подача жидкости на ступень осуществляется в нижнюю царгу, а ее выход из верхней царги.

Контактирующий газ входит в щель между лопатками завихрителя и приобретает вращающее движение. Серная кислота из вышележащей ступени по линии перетока поступает в нижнюю царгу ступени, протекает через прорези контактного патрубка во внутреннюю полость между завихрителем и внутренней стенкой контактного патрубка. Поток кислоты разделяется на 2 части. Часть кислоты эжектируется внутрь завихрителя и вылетает из него в виде капель и струй. Основная доля жидкости раскручивается газожидкостным потоком и движется по спирали вверх по внутренней стенке контактного патрубка. При этом жидкостная пленка непрерывно бомбардируется каплями и струями кислоты, вылетевшими из завихрителя и непрерывно многократно обновляет свою поверхность. Выходящий из щелей завихрителя свежий газовый поток образует вихри жидкости, которые сливаются и движутся по спирали в выходящем потоке в виде высокотурбулированного слоя жидкости, основная часть которого отсекается от газового потока под вышележащей царгой, служащей отбойником. Часть серной кислоты уносится газовым потоком на вышележащую ступень.

Количество уносимой кислоты определяется расходами газовой и жидкой фаз, поступающих на ступень. За счет уноса определенного количества H₂ SO₄ со ступени на ступень осуществляется такое распределение концентраций серной кислоты на ступенях, при которой величины пересыщения паров серной кислоты на ступенях не достигают критического значения и исключаются условия образования тумана серной кислоты. Отсепарированная в верхней царге серная кислота перетекает через внешний гидрозатвор на нижнюю царгу нижележащей ступени. Серная кислота перетекает со ступени на ступень вниз, концентрируется и поступает в нижнюю часть колонны. На первой ступени кислота газовым потоком в виде капель и струй по тангенциальному каналу поступает в днище колонны, где раскручивается газовым потоком и поднимается в виде высокотурбулированного слоя жидкости, струй, брызг по внутренней стенке днища колонны вверх, в зону сепарации, расположенную между первой и второй ступенями. Отсепарированная крепкая (91-93%) серная кислота перетекает через штуцер из зоны сепарации по трубопроводу в холодильник.

Газовый поток, контактируя на ступенях с кислотой, отдает ей свое тепло, освобождается от брызг кислоты в брызгоуловительных ступенях и с содержанием кислых компонентов в пределах санитарной нормы выбрасывается через трубу выброса газов в атмосферу.

2.3. Стандартизация. Технологическая характеристика сырья, полуфабрикатов, готового продукта. ГОСТ и технические требования.

Технологический процесс регенерации отработанных кислот позволяет получить концентрированную HNO₃ и H₂ SO₄ , от вещающие требованиям соответствующих стандартов.

1. Азотная кислота концентрированная

Таблица №3 - Технические характеристики на HNO₃ по ГОСТ 701-78

2. Кислота серная техническая регенерированная (купоросное масло)

Таблица №4 - Технические условия на H₂ SO₄ по ГОСТ 2184-77

3. Отработанные и вытесненные кислоты представляют собой тройную смесь азотной и серной кислот, а также воды.

Таблица №5 - Состав тройных смесей

4. Слабая серная кислота

Таблица №6 Состав слабой H₂ SO₄ должен удовлетворять условиям ГОСТа 1500-78

Топливо (природный газ)

Природный газ должен соответствовать требованиям по ГОСТ 5542-70

Таблица №7 Технические условия на природный газ

Природный газ используется для получения тепла при концентрировании кислот.

Серная кислота концентрированная должна быть изготовлена в соответствии с требованиями настоящего стандарта по технологическому регламенту, утвержденному в установленном порядке. По физико-техническим показателям СК должна соответствовать нормам, указанным в таблице 8 по ГОСТ 2184-77.

Таблица №8

Свойства готовых продуктов, сырья и полуфабрикатов.

1. Азотная кислота концентрированная HNO₃ в чистом виде – бесцветная жидкость с едким, удушливым запахом; имеет удельный вес 1,5 гр/см^{3 ;} 100% HNO₃ плавится при температуре –42 ^О С; кипит при температуре +86 ^О С. HNO₃ действует на все металлы, кроме серебра и платины. Хранится и транспортируется в алюминиевых цистернах. На свету медленно разлагается с выделением кислорода и двуокиси азота NO₂ . Туман азотной кислоты и окиси азота в виде NO₂ , N₂ O₃ вызывает тяжелые отравления. ПДК в рабочей зоне – до 5 мг/м³ _.

2. H₂ SO₄ техническая, регенерированная. H₂ SO₄ в чистом виде – прозрачная бесцветная жидкость. Удельный вес – 1,81-1,84 гр/см³ . Температура кипения безводной серной кислоты 275 ^О С, Температура плавления 10,45 ^О С.

Концентрированная СК на холоде не действует на металлы, поэтому ее можно хранить в емкостях из черного металла. ПДК туманообразной кислоты в воздухе рабочей зоны 1мг/м³ .[ ]

2.4. Химизм основных и побочных реакций [4]

При установившемся в денитрационной колонне ГБХ равновесном процессе, HNO₃ из смеси кислот, поступающий в колонну на тарелку испарения, частично уходит на нижележащие тарелки, откуда снова отгоняется на тарелку испарения. В процессе дистилляции, то есть отгонки HNO₃ из тройной смеси, поднимающиеся вверх пары обогащаются более летучим компонентом – HNO₃ , а в движущуюся вниз жидкость преходит менее летучий компонент – вода.

Процесс испарения HNO₃ происходит главным образом в средней части колонны. H₂ SO₄ , пройдя эту зону, содержит в себе растворенные окислы азота, переходящие из тройной смеси. Даже если в тройной смеси не было бы растворенных окислов азота, то при частичном разложении HNO₃ происходит выделение окислов, которые взаимодействуя с H₂ SO₄ , образуют нитрозилсерную кислоту:

2H₂ SO₄ + N₂ O₃ = 2HNSO₅ + H₂ O + 86250 Дж.

Диоксид или четырехоксид азота, реагируя с концентрированной H₂ SO₄ , образует нитрозилсерную кислоту и азотную кислоту:

2NO₂ + H₂ SO₄ = HNSO₅ + HNO₃

Процесс разложения нитрозилсерной кислоты с выделением окислов азота характеризуется как процесс денитрации. Однако термин "денитрация" служит для обозначения процесса, обратного этерификации. В данном случае более правильно процесс разложения нитрозилсерной кислоты называть процессом гидролиза:

2HNSO₅ + 2H₂ O = 2H₂ SO₄ + 2HNO₂

2HNO₂ = H₂ O + N₂ O₃ (жид)

N₂ O₃ (жид) = N₂ O₃ (газ)

N₂ O₃ (газ) = NO(газ) + NO₂ (газ)

Азотистая кислота (HNO₂ ), образующаяся при гидролизе нейстойчива и распадается:

2HNO₂ = H₂ O + HNO₃ + 2NO

Нитрозилсерная кислота является довольно стойким соединением, которое при концентрациях H₂ SO₄ выше 70% не разлагается полностью даже при температуре кипения. При разбавлении H₂ SO₄ водой происходит гидролиз нитрозилсерной кислоты, степень которой увеличивается с понижением концентрации H₂ SO₄ и повышением температуры .

Таблица №9 - Зависимость степени разложения HNSO₅ от концентрации H₂ SO₄ при 15-20 ^О С

Как видно из зависимости, начиная с концентрации 57,5% H₂ SO₄ , нитрозилсерная кислота совершенно отсутствует. Отработанная H₂ SO₄ , выходящая из колонны, должна содержать минимально возможное количество окислов азота. Это необходимо не только для исключения потерь N₂ O₃ , но и устранения нитрозилсерной кислоты, обладающей сильно разрушающими свойствами.

Поэтому гидролиз HNSO₅ в колонне ГБХ является важной стадией процесса. С увеличением температуры, степень гидролиза HNSO₅ увеличивается. Образующийся при разложении азотистой кислоты монооксид азота незначительно растворяется в разбавленной H₂ SO₄ . Гидролиз нитрозилсерной кислоты ведут с помощью перегретого пара до 250 ^О С водяного пара, который подается с таким расчетом, чтобы разбавление кислоты конденсатом соответствовало массовой доли H₂ SO₄ 68-70%. В отработанной H₂ SO₄ содержится до 0,03% HNO₃ и растворенных окислов азота. Последние образуют с H₂ SO₄ до 0,01% HNSO₅ .

После стадии денитрации слабая H₂ SO₄ отправляется на стадию концентрирования. В процессе концентрирования разбавленной H₂ SO₄ , имеющиеся в ней примеси, в частности, продукты неполного сгорания топлива (когда концентрирование ведется непосредственным соприкосновением упариваемой кислоты с топочными газами), вызывает разложение H₂ SO₄ вследствие ее восстановления до SO_4. Восстановление в основном идет за счет углерода, содержащегося в примесях и в топливе по уравнению:

2H₂ SO₄ + С = СО₂ + 2SO₂ + 2 H₂ O

За счет этого происходят некоторые потери кислоты при ее упаривании. В процессе разгонки тройной смеси в колонне образуются нитрозные газы, которые поступают на поглощение в абсорберы. Наиболее распространенный способ поглощения нитрозных газов водой с образованием слабой HNO₃ . На поглощение поступают нитрозные газы различной степени окисления. Окислы азота, содержащиеся в нитрозных газах NO₂ , N₂ O₄ , N₂ O₃ реагируют с водой, но монооксид NO не может реагировать с водой и для перевода его в HNO₃ следует предварительно окислить его до диоксида азота:

2NO₂ + H₂ O = HNO₃ + HNO₂ + 116 кДж.

N₂ O₄ + H₂ O = HNO₃ + HNO₂ + 59,2 кДж.

N₂ O₃ + H₂ O = 2HNO₃ + 55,6 кДж.

Процесс поглощения нитрозных газов водой связан с растворением в ней диоксида азота, четырехоксида и трикосида азота с образованием HNO₃ и азотистой кислоты.

В газовой среде вследствии взаимодействия паров воды с нитрозными газами, также получается HNO₃ и азотистая кислота, но в значительном количестве. Образовавшаяся при помощи нитрозных газов азатитсая кислота – малоустойчивое соединение.

2HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂ O - 75,8 кДж

Суммарная реакция образования HNO₃ :

2NO₂ + H₂ O = HNO₂ + HNO₃

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO+ 2H₂ O

^{____________________________________}

3NO₂ + H₂ O = 2HNO₃ + NO

N₂ O₃ + H₂ O = 2HNO₂

3HNO₂ = HNO₃ + H₂ O + 2NO

^{_______________________}

3N₂ O₃ + H₂ O = 2HNO₃ + 4NO

Так как в нитрозных газах содержится незначительное количество триоксида азота, обычно технологические расчеты производят по NO₂ . Как видно из формул 2/3 поглощенного диоксида азота идет на образование HNO₃ , 1/3 его выделяется в виде монооксида азота.

Отсюда следует, что при поглощении водой нитрозных газов невозможно все количество NO₂ превратить в HNO₃ , так как в каждом цикле всегда 1/3 NO_х будет выделяться в газовую фазу. Монооксид азота для дальнейшей переработки должен быть окислен кислородом до двуокиси азота по уравнению:

2NO + O₂ = 2 NO₂

Получающаяся двуокись азота опять реагирует с водой, превращаясь на 2/3 в HNO₃ , а выделившаяся окись азота снова должна быть окислена. Таким образом, весь процесс поглощения распадается на ряд последовательно протекающих реакций окисления NO в NO₂ и образования HNO₃ из NO₂ .

Однако указанные поглощения не являются совершенными и нитрозные газы перед выбросом в атмосферу следует дополнительно очистить от окислов азота. Отсюда следует, что в последнем абсорбере орошение ведется не водой, а концентрированной серной кислотой, которая до 0,003% поглощает окислы азоты, выбрасываемые в атмосферу газы соответствуют санитарным нормам.

В результате поглощения получается нитрозилсерная кислота:

2 H₂ SO₄ +N₂ O₃ = 2 NHSO₅ + H₂ O + 20611 кал.

H₂ SO₄ + 2 NO₂ = NHSO₅ + HNO₃ + 5709 кал.

2.5 Инженерные решения

В данный дипломный проект вводится ряд изменений, направленных на улучшение технологии переработки кислот и очистки отходящих газов.

1. На фазе улова окислов азота и паров азотной кислоты предусматривается внедрение дополнительной абсорбции отходящих газов концентрированной H₂ SO₄ . серная кислота реагирует с окислами азота, образуя нитрозилсерную кислоту, которая затем снова направляется в колонну ГБХ для переработки. Отходящие газы с небольшим содержанием окислов азота, выбрасываются в атмосферу.

2. Процесс регенерации отработанной кислоты переведен на автоматизированное управление с применением УВМ, что значительно снижает опасность технологического процесса и повышает качество продукции. Подача кислот в колонну ГБХ автоматизирована. Предусмотрено автоматическое отключение подачи компонентов в случае аварии.

2.6. Расчет материального баланса отделения концентрирования HNO₃ [1]

Отделение денитрации и концентрирования азотной кислоты.

Состав отработанных кислот, поступающих на денитрацию:

а) от нитрации HNO₃ 16-26%

H₂ SO₄ 46-66%

H₂ O 18-28%

б) от абсорбционной установки

HNO₃ 50%

H₂ O 50%

Исходные данные для расчета

- концентрация крепкой азотной кислоты – 98%

- концентрация серной кислоты, поступающей в колонну – 91%

- концентрация отработанной кислоты, выходящей из колонны – 70%

Расчет составлен на 1 тонну условной отработанной кислоты, поступающей в колонну ГБХ, учитывая, что ОК – 80%, а смесь азотной кислоты и воды – 20%.

Выбираем средний состав кислот:

HNO₃ 27%

H₂ SO₄ 45%

H₂ O 28%

Принимаем, что в отработанной кислоте 3% АК в виде окислов азота связаны в нитрозилсерную кислоту по реакции (1):

2H₂ SO₄ + N₂ O₃ 2HNSO₅ + H₂ O (1)

Пересчитав состав кислот, получим:

HNO₃ - 25%

H₂ SO₄ - 45%

H₂ O - 26,1%

N₂ O₃ - 0,9%

HNSO₅ - 3%

Всего - 100%

В процессе разгонки кислотных смесей и гидролиза HNSO₅ в колонне протекают следующие реакции:

- разложение HNSO₅

2HNSO₅ + H₂ O = 2H₂ SO₄ + NO₂ (2)

- разложение HNO₃

2HNO₃ 2NO₂ + H₂ O + 1/2O₂ (3)

2HNO₃ N₂ + H₂ O + 2*1/2 O₂ (4)

- разложение N₂ O₃

N₂ O₃ (газ) NO (газ) + NO₂ (газ) (5)

В колонну ГБХ поступает:

1. Отработанная кислота в количестве 1000 кг,

В том числе:

HNO₃ - 250 кг

H₂ SO₄ - 450 кг.

H₂ O - 261 кг.

N₂ O₃ - 9 кг.

HNSO₅ - 30 кг.

2. Купоросное масло 91% - х кг.

3. Перегретый пар – у кг.

4. Воздух, подсасываемый из помещения

Из колонны выходит:

1. Разбавленная 70% H₂ SO₄ =кг

2. Крепкая 98% HNO₃ = =242,3 кг

3. Нитрозные газы

а) в колонне 1/2 количества (1,5%) HNO₃ разлагается до NO₂ по реакции (3)

242,3х0,015 = 3,64 кг.

При этом образуются газообразные вещества:

NO₂ ==2,65 кг

H₂ O ==0,52 кг

O₂ = =0,46 кг.

б) по реакции (4) разлагается ½ количества (1,5%) HNO₃ до N₂ :

N₂ ==0,81 кг.

H₂ O = =0,52 кг.

O₂ = =2,3 кг

в) при разложении N₂ O₃ по реакции (5):

NO₂ ==5,45 кг

NO = = 3,55 кг

г) при разложении HNSO₅ по реакции (2):

NO₂ ==5,43 кг

NO = = 3,54 кг

Выделившаяся в процессе реакции серная кислота вновь войдет в состав отработанной кислотной смеси и доля ее в последней составит 450кг.

д) с нитрозными газами уносится 1% HNO₃ :

242,3х0,01 = 2,42 кг.

В результате гидролиза получается следующее количество сухих нитрозных газов (без учета подсоса воздуха):

Подсос воздуха u_под через неплотности соединений царг колонны принимаем равным 100% объема сухих газов

u_под = 15.6 нм³ , в том числе:

N₂ =0,78*15,6=12,17 нм³ ;

O₂ =0,21*15,6=3,28 нм³ ;

или

N₂ ==15,21 кг;

O₂ ==4,68 кг;

Итого: u_под =19,89 кг.

Принимаем, что подсасываемый воздух поступает при t=20 ^О С, относительная влажность 80%

Количество водяных паров, поступающих в колонну с воздухом (14,61*0,8)10^-3 *19,89=0,23 кг, где

d₀ = 14.61 - влагосодержание

Всего воздуха: 19,89+0,23=20,12 кг.

Количество и состав сухих газов, выходящих из колонны с учетом подсоса воздуха:

Количество паров воды, уходящих из колонны (за конденсатом) с нитрозными газами при t=35 ^О С

H₂ O = , для

v= 30 нм³

p=1,8 мм. Рт. Ст – парциальное давление воды над 98% HNO₃ при t=35 ^О С

p=133.3*1.8=239.9 Па

H₂ O = кг

в объеме v= нм³

Общий состав газов, поступающих на поглощение:

Таблица №10 - Сводный материальный баланс отделения концентрирования HNO₃

Приравнивая приход к расходу, получаем уравнение материального баланса

1019,89+х+у=931,7+

у=0,43х-88,19

2.7. Расчет теплового баланса [1]

Так как в уравнении материального баланса входит распад пара (у), то будем определять его с помощью уравнения теплового расчета.

Исходные данные:

1. Температура отработанной кислоты, поступающей в колонну - 90 ^О С

2. Температура H₂ SO₄ 91% - 20 ^О С

3. Температура отработанной кислоты H₂ SO₄ 70% - 170 ^О С

4. Температура выходящих из колонны HNO₃ и нитрозных газов – 85 ^О С

5. Температура HNO₃ 98% из конденсатора, поступающей в колонну - 40 ^О С

Температура крепкой HNO₃ 98%, выходящей из колонны в холодильник 85 ^О С

6. Температура подсасываемого воздуха 20 ^О С

Приход тепла:

1) С отработанной кислотой

Q=q₁ *c₁ *t₁ =1000*2.22*90=119800 кДж; (47732.2 ккал)

c₁ =2,22 - удельная теплоемкость отработанный кислоты при температуре 90 ^О С

2) С перегретым паром, теплосодержание которого при t=220 ^О С равно 700.8 кДж; Q₂ =700,8*у

3) Теплота от H₂ SO₄ состоит из физической теплоты и теплоты разбавления

=+

Физическая теплота определяется по формуле

==х кДж/(8.4x ккал)

=1,759 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂ SO₄ 91% при t=20 ^О С

Теплота разбавления H₂ SO₄ определяется разницей теплот разбавления до 70% и 91%.

Удельная теплота разбавления g=(); n=H₂ O/H₂ SO₄

В H₂ SO₄ с массовой долей 91%, моль:

H₂ SO₄ = х 0,91/98 = 0,0094 х

H₂ O = х 0,09/18 = 0,005 х

n = 0,005 х/0,0094 х =0,53

В H₂ SO₄ 70% моль:

Примем (450+х)/0,7=z

H₂ SO₄ =z 0.7/98 = 0,007 z

H₂ O = z 0.3/18 = 0,016 z

n = 0,016 z/0.007 z = 2.38

Удельная теплота разбавления H₂ SO₄ с массовой долей 100% до 91%:

==4066,1 (17036,8 )

Уд теплота разбавления H₂ SO₄ с 100% до 70%

= =10174(42628,9 )

Удельная теплота разбавления с 91% до 70%:

=42628.9-17036.8=25592.1(6107.9 ккал)

=17,8*25592,1=455539,4 кДж (108720,6 ккал)

=35,18х + 455539,4 кДж (8,4*х + 108720,6 ккал)

4) С HNO₃ 98%, поступающей из конденсатора в колонну с t=40 ^О С

= = 242,3*40*1,93=18705,56 кДж (4464,3 ккал)

5) С воздухом, подсасываемым из помещения с t=20^О С

==19,89*1*20=397,8 кДж (94,94 ккал)

= 1 кДж/кг град – удельная теплоемкость воздуха

Всего в колонну приход тепла, кДж

++++=199800 + 700,8 у + 35,18х + 455539,4 + 18705,56 + 397,8 = 674442,76 + 35,18х + 700,8у

Расход тепла

1) С парами HNO₃ 98%, выходящих из колонны:

==0.98*242.3*1.936*85=39075.43 кДж=9325,9 ккал

2) На испарение HNO₃ :

=0,98*242,3*i=0,98*242,3*483=114690,28 кДж=27372,38 ккал,

где i=483кДж/кг – теплота испарения 1 кг кислоты.

На испарение 4% H₂ O , содержащихся в HNO₃ :

=*0,98*242,3*i=*0.98*242.3*2259=22350.36 кДж, где

i=2259 кДж/кг – теплота парообразования воды

=+=114690,28+22350,36=137040,64 кДж = 32706,6 ккал

3) Теплота, уносимая с 70% H₂ SO₄ при t=150 ^О С

=()*2,09*150=201535,71+447,86х кДж

=2,09 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂ SO₄ 70%

4) С HNO₃ 98%, уносимой из колонны с t=85 ^О С в холодильник:

==242,3*1,93*85=39749,32 кДж = 9486,71 ккал

5) На нагрев подсасываемого воздуха из помещения в среднем до t=90 ^О С

=19.89(90-20)=1392.3 кДж

6) На закрепление содержащихся в отработанной кислоте слабой HNO₃ при ее массовой доле в смеси:

*100%=49%

Удельная теплота для HNO₃ :

g=n*8974/(n+1.737) ккал/моль

В кислоте с массовой долей 49%, моль:

HNO₃ =250*0,49/63=1,94; H₂ O =250*0,51/18=7,08

n=7.08/1.94=3.65

Удельная теплота разбавления для HNO₃ 98%:

ккал/моль=25476,86 кДж/моль

В кислоте с массовой долей HNO₃ 98%, моль:

HNO₃ =0,98/63=0,016; H₂ O =0,02/18=0,001

n=0.001/0.016=0.069

Удельная теплота разбавления для HNO_{3 98%}

ккал/моль=1436,59 кДж/моль

Теплота закрепления HNO₃ , находящейся в отработанной кислоте с 49% до 98%: =(25476,86-1436,59)=89017,7 кДж=21245,27 ккал

7) Теплота, уносимая с нитрозными газами:

=q₇ *c₇ *t, где

c- удельные теплоемкости газов с t=85 ^О С

H₂ O 0,07*1,373*85 = 8,17 кДж

HNO₃ 2,42*1,8*85 = 370,26 кДж

Всего: 3843.73 кДж

8) В окружающую среду колонна ГБХ в течение 1 часа теряет порядка 800 ккал (33520 кДж). При условии подачи в колонну 92 кг/мин тройной смеси и выработки колонны 60 тиг в сутки.

Потери тепла в окружающую среду:

==6072,46 кДж

Всего расход тепла, кДж:

+++++++=39075,43+137040,64+201535,71+447,86х+39749,32+1392,3+89017,7+3843,73+6072,46=517727,29+447,86х

Приход приравним к расходу:

674442,76+35,18х+700,8у=517727,28+447,86х

у=0,59х-223,62

Решаем совместно уравнение материального и теплового балансов:

0,43х-88,19=0,59х-223,62

х=847

у=276,11

Таблица №11 - Материальный баланс денитрации и концентрирования HNO₃

Расчет составлен на 1 тонну отработанной кислоты

Таблица №12 - Тепловой баланс концентрирования азотной кислоты

На 1 тонну отработанной кислоты приходится в 4.127 раза больше крепкой 98% HNO₃ . Пересчитаем на 1 тонну готового продукта 98% HNO₃

Таблица №13 - Нормы расхода сырья для производства 1 тонны готового продукта 98% HNO₃

2.8 Расчет материального баланса концентрирования H₂ SO₄

Исходные данные:

1. Температура кислоты на входе 150 ^О С

2. Температура кислоты на выходе 250 ^О С

3. Температура дымовых газов на входе 900 ^О С

4. Температура дымовых газов на выходе 130 ^О С

1. Потери при концентрировании составляют 0,06%, из них 50% на разложение SO₂ и 50% - теряется в виде паров серной кислоты

В вихревую колонну поступает разбавленная серная кислота (с учетом потерь):

G_разб = G(1-0,0006) = 7654,87*0,9994 = 7650,28 кг.

в том числе воды:

= G_разб (1-) = 7650,28(1-0,7) = 2295,08 кг.

В колонну подается кислота ( в пересчете на моногидрат):

G_пр = G(1-0.0006) = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2. При концентрировании серная кислота разлагается по формуле:

H₂ SO₄ = SO₂ + H₂ O + 1/2O₂

Q_разл = 228900 кДж/кмоль – теплота разложения H₂ SO₄ . Потери от разложения составляют 50% общих потерь или 0,03%:

G_пот = G_т *0,03/100 = 7650,28*0,0003 = 2,3 кг.

3. Потери вследствие уноса серной кислоты с дымовыми газами составляют также 50% общих потерь (0,03%)

G_ун = 0,0003*7650,28 = 2,3 кг.

4. Общие потери составляют:

G_{пот =} G_ун + G_{разл =} 2.3*2 = 4.6 кг.

5. При разложении серной кислоты образуется:

H₂ SO₄ = SO₂ + H₂ O + 1/2O₂

= 98; = 64

SO_{2 =} = 1,5 кг.

O₂ = = 0,38 кг.

H₂ O = = 0,42 кг.

6. В колонне выпариваются воды:

G_вых = G_разл [(1-G_исх /100)-( 1-G_к /100)] = 7650.28[(1-70/100)-(1-91/100)] = 1606,56 кг.

7. Выход 91% продукционной H₂ SO₄ :

G_кон = G_разл - G_разл [(1-G_исх /100)-( 1-G_к /100)] ] = 7650.28-1606.56=6043.76 кг.

8. Приход кислоты по моногидрату:

G_пр = G_исх = 7650,28*0,7 = 5355,2 кг.

2.9. Расчет теплового баланса вихревой колонны [4]

Приход тепла:

1. с разбавленной серной кислотой 70% при t = 150 ^О С

Q_{1 =} Q_пр H_пр = 7654.87*342 = 2617934.76 кДж = 624805,43 ккал.

H_{пр =} 342 кДж/кг – энтальпия исходной кислоты

2. С дымовыми газами, поступившими из топки:

Q_{2 =} = 31,37х*1,45*900 = 40937,85х кДж = 9770,37 ккал.

V_{2 =} 31,37 м³ – объем газов

С_{2 =} 1,450 кДж/м³ град

Общий приход тепла: Q_общ = Q₁₊ Q₂ = 2617934,76+40937,85х кДж

Расход тепла

1. С продукционной кислотой при 250 ^О С:

Q_{1 =} C_k* H_{k =} 5355.2*458 = 2452681.6 кДж = 585365,54 ккал

H_{к =} 458 кДж/кг – энтальпия серной кислоты 91%

2. С водяным паром выделяется при выпаривании и разложении:

Q_{2 =} C_вп* H_{вп =} 1606.98*2737.7 = 4399429.15 кДж = 1049983.09 ккал

G_{вп =} G_уп + G_разл = 1606,56 + 0,42 = 1606,98 кг.

H_{вп =} 2737,7 кДж/кг – энтальпия водяного пара

G_{уп и} G_разл – из материального баланса.

3. С дымовыми газами, уходящими с t = 30^О С:

Q_{3 =} = 31,37х*1,336*130 = 5448,34х кДж = 1300,32 ккал.

V₂ – объем дымовых газов на м³ сжигаемого газа

С₂ = удельная теплоемкость дымовых газов при t=130 ^О С

С₂ = 1,336 кДж/м³ град

4. На испарение серной кислоты:

Q₄ = G_исп + H_исп =2,3*511,2=1175,76 кДж=280,61 ккал

Н_исп =511.2 кДж/кг - удельная теплота парообразования серной кислоты

5. С парами серной кислоты:

Q₅ = G_исп + H = 2,3*201,4=463,22 кДж=110,55 ккал

Н – энтальпия 100% серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^О С.

6. На разложение серной кислоты:

Q₆ = = =5372,14 кДж = 1282 ккал.

7. С продуктами разложения серной кислоты в результате разложения серной кислоты при температуре отходящих газов 130 ^О С образуются:

=1,5 кг.; =0,38 кг.; =2,3 кг

Q₇ = (* + *)t=(0.963 + 0.353)130 = 171.08 кДж = 40,83 ккал

8. При концентрировании серной кислоты (дегидратации) от 70% до 91% расходуется тепла:

Q₈ =G_уп (Q_{70 %} - Q_{91 %} )

Q_70% = 427,4 кДж/кг – теплота разбавления до 70%

Q_91% = 157,3 кДж/кг – теплота разбавления до 91%

Q₈ = 5355,2(427,4-157,3)=1446439,52 кДж = 345212,3 ккал

9. Потери тепла в окружающую среду примем 1% от общего количества расхода тепла на концентрировании серной кислоты:

Q= 2452681,6 + 4399429,15 + 5448,34х + 463,22 + 1175,76 + 5372,14 + 171,08 + 1446439,52 = 5853050,87 + 5448,34 х кДж

Q_д = 58530,51 + 54,48 х к`Дж

Q_расх = 5911581,38 + 5502,82 х кДж

10. Для определения расхода топлива ^приравниваеме приход тепла к расходу:

Q_общ = Q_расх

2617934,76+40937,85х=5911581,38+5502,88х

35435,03х=3293646,62

х=92.95

11. Определяем часовое количество и состав газов, поступающих на установку из топки.

Таблица №14 - Количество и состав газов из топки

12. Определяем часовое количество газов, уходящих с установки:

Таблица №15 - Часовое количество газов

газы	м3	кг.
CO2 : *х=1,27*92,95	118.05	231.87
N2 : *х=24,43*92,95	2270.77	2838.46
O2 : =374,59+0,38*22,4/32	374.86	535.51
SO2 : 22.4/64	0,53	1,5
H2 O: +	2249,43	1807,58
H2 SO4 : *22,4/98	0,53	2,3
Всего	5014,7	5417,22

Таблица №16 - Материальный баланс концентрирования серной кислоты

Таблица №17 - Тепловой баланс концентрирования серной кислоты

3. Технико-технологическая часть

3.1. Выбор и расчет производительности основного и вспомогательного оборудования технологической схемы

Исходя из заданной производительности проектируемого производства по готовой продукции (98% HNO₃ ) определяем суточную и часовую производительность основного аппарата цеха-колонны ГБХ.

П_сут =, где

П_год -10000 т/год

n – время на ремонт и простои оборудования

П_сут ==29,85 т/сут

П_час ==1,24 т/час

При отгонке концентрированной HNO₃ определенного состава расход безводной H₂ SO₄ зависит от массовой доли H₂ SO₄ в разбавленной HNO₃ , при этом расход H₂ SO₄ будет тем больше, чем сильнее разбавлена HNO₃ . Для одной и той же исходной разбавленнной HNO₃ удельный расход H₂ SO₄ обратно пропорционален ее степени концентрации. В соответствии с расчетом по треугольным диаграммам (услович – Температура кипения смеси на палках) при массовой доле HNO₃ 48-50% и технической H₂ SO₄ 91-92% соотношение HNO₃ :H₂ SO₄ составляет 1:32 при исходной HNO₃ 50% и H₂ SO₄ 92%. Исходя из сказанного выше, годовая производительность по H₂ SO₄ будет равна 32000 т/год.

=

Рассчитаем суточную и часовую производительность вихревой колонны:

П_сут ==95.52 т/сут

П_час ==3,98 т/час

3.2 Расчет количества аппаратов

n=

П_год – годовая производительность

П_час – часовая производительность

КИО – коэффициент использования оборудования

Т_эф – эффективный фонд времени работы аппарата, ч

Денитрационная колонна ГБХ

Т_эф =8040 час/год

КИО=0,95

П_год =10000 т/год

П_час =1,24 т/час

n==1.1 шт

Выбираем 1 аппарат

Вихревая колонна

Т_эф =8040 ч/год

КИО=0,9

П_год =32000 т/год

П_час =3,98 т/час

n==1.1 шт

Выбираем 1 аппарат

Абсорбер для улова паров азотной кислоты и окислов азота:

Т_эф =8760-1404 =7365 ч

КИО=0,86

П_год =5337000 т/год

П_час =5337000/7356 =725,5 т/час

n==3,8 шт

Выбираем 4 абсорбера

4. Конструктивно-механические расчеты

4.1 Расчет числа ступеней контакта фаз концентратора [5]

Определение числа ступеней концентратора серной кислоты при концентрировании от 70% масс до 91-92% масс H₂ SO₄ проводим аналитическим методом. При нагреве серной кислоты до 260-280 ^О С продукционную 92% H₂ SO₄ можно получить в одной ступени. Однако при этом содержание серной кислоты в парах достигает 30-50 г/м³ , что приводит к значительному газовому выбросу. Для уменьшения содержания в парах, серную кислоту концентрируют в 2-3 ступенчатых аппаратах, однако, если при этом пересыщение паров H₂ SO₄ во второй ступени превышает критическое значение более, чем в 30 раз: S_кр >=3,3, то происходит образование тумана серной кислоты. Концентрация кислот во второй ступени для работы концентратора в режиме без образования тумана серной кислоты должна составлять 85-90% масс, температура 240 ^О С.

Аналитическое определение числа ступеней, концентрации и температур H₂ SO₄ на ступенях концентратора, работающего без образования тумана, представлено в таблице .

Таблица №18 - Число ступеней, концентрации и температуры серной кислоты на ступенях концентратора.

Принимая равными эффективности ступеней вихревой колонны по температуре, массоотдаче в газовой и жидкой фазах для процессов десорбции паров воды и абсорбции паров серной кислоты, задаемся распределением концентрации (x_i ) и температур (t_i ) серной кислоты.

Таблица №19

1. Определяем расходы СК на ступенях вихревой колонны

[L_i, (i=1-5)]

L_i =L_i+1 * , кг/час

Количество слабой H₂ SO₄ , поступающей в колонну (из материального баланса) составляет:

L₆ = 7654.9 кг, температура кислоты t₆ =150 ^О С, концентрация C₆ =70%, =1,494 т/м³

Количество серной кислоты, поступающей из пятой на четвертую ступень:

L₅ ==7654.9*0.7/0.75=7143 кг/ч (4687,5 м³ /ч)

X₅ =0,75; t₅ =165 ^О С, =1,524 т/м³

Количество СК, поступающей из четвертой на третью ступень:

L₄ ==7143*0.75/0.8=6696.6 кг/ч (4273.49 м³ /ч)

X₄ =0,8; t₄ =180 ^О С, =1,567 т/м³

Количество СК, поступающей из третьей на вторую ступень:

L₃ ==6696,6*0.8/0,84=6377,7 кг/ч (4059,6 м³ /ч)

X₃ =0,84; t₃ =200 ^О С, =1,571 т/м³

Количество СК, поступающей из второй на первую ступень:

L₂ ==6377,7*0.84/0,88=6087,8 кг/ч (3848 м³ /ч)

X₂ =0,88; t₂ =220 ^О С, =1,582 т/м³

Количество продукционной СК, выходящей из первой ступени:

L₁ ==6087,8*0.88/0,92=5823,1 кг/ч (3653,14 м³ /ч)

X₁ =0,92; t₁ =250 ^О С, =1,594 т/м³

По уравнению и табличным значениям (таблица №19 ) определяем равновесные концентрации паров серной кислоты на ступенях колонны:

, Па

Рассчитываем значения пересыщения паров H₂ SO₄ на ступенях колонны:

S=y_i-1 /y_i ; i = 2-5

По уравнению [5]

Рассчитываем значения критического пересыщения паров H₂ SO₄ на ступенях колонны S_кр -S_кр5

Определяем соотношения S_i / S_{кр i} на ступенях колонны. При

S_i /S_{кр i} 1 происходит образование тумана H₂ SO₄ , а при S_i /S_{кр i} <1 – туман не образуется.

Для ступеней колонны, в которых S_i /S_{кр i} 1 из графоаналитического определения числа ступеней концентратора определяем концентрации и температуры серной кислоты, позволяющие достичь S_i /S_{кр i} <1. Значения концентраций (х_i ) и температур (t_i ) СК на ступенях колонны в режиме ее работы без образования тумана представлены в таблице 19.

Количество СК, поступающей на ступень из нижележащей ступени в виде брызгоуноса, необходимое для получения концентрации (х_i ), при котором соблюдается условие безтуманной работы ступеней: S_i /S_крi <1. определяется по выражению:

1. Для второй ступени:

кг/ч

Для третьей ступени:

кг/ч

Для четвертой ступени:

кг/ч

2. Определяем относительный брызгоунос серной кислоты со ступени:

С первой ступени:

кг/ч

Со второй ступени:

кг/ч

С третьей ступени:

кг/ч

Расход топочных газов, поступающих при t=900 ^О С на первую ступень составляет G₁ =8934 м³ /ч (состав газа после топки).

4.2. Гидродинамический расчет

4.2.1. Расчет первой по ходу газового потока ступеней контакта фаз [5]

1. Односопловое вихревое контактное устройство

2. Вторая ступень контакта фаз

3. Вертикальный канал входа топочных газов

4. Горизонтальный канал

1. Площадь отверстия входа топочных газов:

d=0.35 м; S₁ =0.785*0.35² =0.096 м²

2. Площадь сечения горизонтального канала входа газов:

S₂ =a*b=0.4*0.38=0.152 м²

3. Площадь сечения односоплового вихревого контактного устройства (D_ко =0,7 м)

S₃ =0.785*0.7² =0.39 м²

4. Определяем скорость газового потока в первой ступени колонны:

м/сек

м/сек

м/сек

5. Гидравлическое сопротивление орошаемой первой ступени вихревой колонны определяется по формуле:

= -5601,32 + 287,77Z₁ +266.7Z₂ + 147.52Z₃ +2128.38Z₄ –7.81Z₁ Z₂ - 33.4Z₁ Z₃ - 69.37Z₁ Z₄ - 72.93Z₂ Z₃ - 68.03Z₂ Z₄ - 103.58Z₃ Z₄ + 3.72Z₁ Z₂ Z₃ +2.71Z₁ Z₂ Z₄ + 15.46 Z₁ Z₃ Z₄ + 31.52 Z₂ Z₃ Z₄ - 1.5Z₁ Z₂ Z₃ Z₄ , Па

где Z₁ - W_щ , м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.д , м/м

Z₄ – н/ Д_к.д , м/м

Для первой ступени:

Z₁ - W_щ = W₂ =16,33м/с

Z₂ – плотность орошения ступени:

м³ /ч, где

S_кол – площадь сечения колонны (Д_вн =1мм)

S_кол =0,785 м²

Z₃ =б/Д_ко ; б – зазор между контактной обечайкой первой ступени и тарелкой второй ступени

б= 0,21 м

Д_к.о =0,7м; Z₃ =б/ Д_к.о =0,21/0,7=0,3м/м

Z₄ = н/ Д_к.о ;

Н – высота контактной зоны односоплового ВКУ;

Н= 21 м

Z₄ = н/ Д_к.в =2,1/0,7=3м/м

Гидравлическое сопротивление первой ступени вихревой колонны равно:

=3302.94 Па.

6. Уравнение, описывающее изменение относительного брызгоуноса жидкости с первой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

E*10² =-71+Z_{1 +} Z_{2 +} 110Z_{3 +} 38Z₄ -2Z₁ Z₃ - 2Z₂ Z₃ -58Z₃ Z₄ +Z₂ Z₃ Z₄ кг/кг

Определим значение относительного брызгоуноса с первой ступени при заданных конструктивных и режимных параметрах:

E₁ =0,61 кг/кг

4.2.2. Расчет гидродинамических характеристик второй и последующих по ходу газа ступеней вихревой колонны [5]

1. Тарелка

2. Контактная обечайка

3. Завихритель

4. Вышележащая ступень

1. Площадь отверстия проходов газа тарелки

(d=0.4 мм); S₁ =0.785*d² =13 м²

2. Площадь сечения прохода газов завихрителя:

S₂ =b*h*n = 0,04*0,3*8=0,096 м²

b – ширина щелей, b = 0,04 м

h – высота щелей, h = 0,3 м

n – количество щелей, n = 8 шт

3. Площадь сечения контактной обечайки (Д_ко =0,66 м)

S₃ =0,785* Д_ко ² =0,785*0,66² =0,34 м²

4. Площадь кольцевого сечения между контактной обечайкой и завихрителем:

S₄ =м²

Где Д_зав =0,51 – наружный диаметр завихрителя

5. Площадь свободного сечения колонны:

Д_вн =1,0 м – внутренний диаметр колонны

S₅ =0,785* Д_вн ² =0,785 м²

6. Рассчитаем скорости газового потока: на второй по ходу газа ступенях колонны

W₁ =м/сек

На третьей ступени ( а также на последующих ступенях):

W₂ =м/сек

W₃ =м/сек

W₄ =м/сек

W₅ =м/сек

7. Гидравлическое сопротивление орошаемых второй и последующих ступеней определяется по уравнению:

= -4232,32 + 584,91Z₁ +62,22Z₂ + 3323,29Z₄ +3372.03Z₅ –7.14Z₁ Z₂ – 184,01Z₁ Z₄ – 403,7Z₁ Z₅ - 72.09Z₂ Z₄ - 56.8Z₂ Z₅ – 2486,54Z₄ Z₅ + 8.75Z₁ Z₂ Z₄ +7.12Z₁ Z₂ Z₅ + 145,99Z₁ Z₄ Z₅ + 76,65Z₂ Z₄ Z₅ – 8,49Z₁ Z₂ Z₄ Z₅ , Па

где Z₁ - W₄ , м/с=17,3 м/с

Z₂ - , м³ /м² час

Z₃ – б/Д_к.о , м/м

Z₄ – н/ Д_к.о , м/м

Z₅ – S_2/ S₁ м² /м²

Для второй ступени:

Z₂ = м³ /м³ час

Для третьей ступени:

Z₂ = м³ /м³ час

Для четвертой ступени

Z₂ = м³ /м³ час

Для пятой ступени:

Z₂ = м³ /м³ час

Z₃ =б/Д_ко =0,19/0,66=0,28 м/м

Z₄ =б/Д_ко =0,36/0,66=0,55 м/м

Z₅ =S₂ /S₁ =0.096/0.13=0,74 м/м

Гидравлическое сопротивление второй ступени равно:

Па

третьей ступени:

Па

четвертой ступени

Па

пятой ступени

Па

8. Уравнение, описывающее изменение брызгоуноса с вихревой ступени от режимных и конструктивных параметров имеет вид:

E = -2.46 + 0.14Z₁ +0.05Z₂ + 3.44Z₃ +2.08Z₄ +2.09Z₅ –0.01Z₁ Z₂ – 0.19Z₁ Z₃ – 0.11Z₁ Z₄ – 0.11Z₁ Z₅ – 0.07Z₂ Z₃ – 0.05Z₂ Z₄ – 0.04Z₂ Z₅ – 2.87Z₃ Z₄ – 2.91Z₃ Z₅ – 1.73Z₄ Z₅ + 0.01Z₁ Z₂ Z₃ +0.01Z₁ Z₂ Z₅ + 0.15Z₁ Z₃ Z₄ + 0.14Z₁ Z₃ Z₅ + 2.37Z₃ Z₄ Z₅ – 0.01Z₁ Z₂ Z₃ Z₄ – 0.01Z₁ Z₂ Z₃ Z₅ – 0.11Z₁ Z₃ Z₄ Z₅ + 0.08Z₁ Z₄ Z₅ + 0.06Z₂ Z₃ Z₄ + 0.05Z₂ Z₃ Z₅ + 0.04Z₂ Z₄ Z₅ - 0.04Z₂ Z₃ Z₄ Z₅ ,kJ/kJ

Относительный брызгоунос со второй ступени при принятых значениях (Z₁ - Z₅ )составляет:

E₂ =0,54 кг/кг

Относительный брызгоунос с третьей ступени:

E₃ =0,47 кг/кг.

Относительный брызгоунос с четвертой ступени:

E₄ =0,44 кг/кг

9. Гидравлическое сопротивление вихревой колонны составляет:

=+++++2+2+, где

- - гидравлическое сопротивление ступеней вихревой колонны, Па

= 2000 Па - гидравлическое сопротивление брызгоуловительной ступени

=2200 Па - гидравлическое сопротивление абсорбционной ступени

=3302,94+2152,54+2153,21+2155,52+2156,88+2*2000+2*2200=20321,1Па

Рассчитанные значения относительно брызгоуноса жидкости между ступенями колонны (E1-E4) соответствуют режиму работы вихревой колонны без образования тумана серной кислоты.

10. Расчет линий перетока жидкости

Площадь сечения переточных труб жидкости между ступенями: (Д_тр =0,08 мм) S_пер =0,785*0,08² =0,005024 м²

а) линии перетока жидкости после первой ступени:

Д_тр =0,1 мм; S_пер =0,785*0,1² =0,00785 м²

u_ж =м/с

б) линии перетока жидкости между второй и первой ступенями:

S_пер =0,005 м²

u_ж =м/с

в) линии перетока жидкости между третьей и второй ступенями:

u_ж =м/с

г) линии перетока жидкости между четвертой и третьей ступенями:

u_ж =м/с

д) линии перетока жидкости между пятой и четвертой ступенями:

u_ж =м/с

с) линия подачи слабой (70%) серной кислоты на пятую ступень колонны:

u_ж =м/с

4.3. Механические расчеты основных деталей и узлов вихревой колонны [6], [7]

1. Расчет толщины обечаек

Расчет производится в соответствии с ГОСТ 14249-80. Исполнительную толщину тонкостенной гладкой цилиндрической обечайки, нагруженной внутренним избыточным давлением рассчитываем по формуле:

Условие: , где

P – внутренне давление (0,1 Мпа)

- коэффициент прочности сварного шва продольном направлении, =1

C_k – поправка на коррозию с учетом срока службы аппарата, C_k = 0,001

D – внутренний диаметр, D=1 м

- допустимое напряжение, =2,2 Н/м²

S=м

- условие выполняется

Толщина обечайки по расчетам равна 0,025 м

2. Расчет толщины днища:

, где

=0,1 мПа внутреннее давление

- коэффициент прочности днищ, изготовленных из цельной заготовки

= 2,2мН/м² - допустимое напряжение

С=0,001

R=1 м – радиус кривизны в вершине днища. Для элептических днищ R=D, где D – внутренний диаметр аппарата, D=1 м

м

Условие:

Условие выполняется. Толщина днища равна 0,025 м.

3. Расчет фланцевых соединений

Расчетное растягивающее условие в болтах

, где

Д_п – средний диаметр уплотнения, м

- расчетная сила осевого сжатия уплотняемых поверхностях в рабочих условиях, необходимых для обеспечения герметичности, =0,00563

-рабочее давление, =0,1 Мпа

Д_п =1070 мм,

Расчетная сила сжатия прокладки прямоугольного сечения определяется по формуле:

, где

в – эффективная ширина прокладки, м

;

к – коэффициент, учитывающий зависимость от материала и конструкции прокладки

к = 2,5 (материал – асбест)

в₀ – действительная ширина прокладки, м

Диаметр болтовой окружности:

Д_б =(1,1-1,2)Д_в ^0,933 =1,1*1,05^0,933 =1,15 мм, где

Д_в – внутренний диаметр фланца, равный наружному диаметру аппарата,м

Д_в = 1050 мм = 1,05м

Расчет диаметра болтов

, где

Д_т =1.098 м – наружный диаметр сварного шва на фланце

число болтов: , где

F_б – площадь сечения выбранного болта по внутреннему диаметру резьбы, м²

- допустимое напряжение на растяжение на болтах

Округлим и получаем число болтов 16 шт.

Наружный диаметр фланца

Д_ф =Д_б +(1,8+2,5)d_б

Д_ф =1,15+4,3*0,02=1,24 м

Приведенная нагрузка на фланец при рабочих условиях:

Вспомогательная величина Ф при рабочих условиях (в м² )

Ф=

Вспомогательная величина А:

- предел текучести материала фланцев при рабочей температуре, =240 /м²

S – толщина обечайки, соединяемой фланцем, м, , - коэффициенты, определяемые графическим путем =0,99, =9

Высоту фланца h определяем по формулам

, м; при ,

2,74*10^-4 м² 1,13*0,01125 м²

2,74*10^-4 м² 0,0127

Расчет опор аппарата [10]

Толщина ребра: , где

- нагрузка на одну опору, в мН

к – коэффициент, зависящий от соотношения ; k=0.6, n=4

z- количество ребер на опоре принимаем из конструктивных соображений

L – высота опоры, L=0.2 м

=108000 кгс = 10800кг = 1,08мн = 10,79*10³ кГс

Высота ламп: L=L/0.5 = 0.2/0.5=0.4 м

Общая длина сварного шва, L_ш :

L_ш =4(h+)=4(0.4+0.026)=1.17 м

Прочность сварного шва, , при соблюдении условия: L_ш h_ш T_{шс, где}

L_ш - общая длина сварных швов, м

h_ш – катет свободного шва, м h_ш =0,008м

T_шс – допускаемое напряжение материала шва на срез, нм/ м²

T_шс - =100мн/ м²

1,08/4 = 0,27 мн <0,7*1,74*0,008*100=0,97 мн

0,27 мн < 0,97

Условие прочности выполняется.

5. Выбор и обоснование схемы автоматизации производственного процесса

Автоматизированные системы управления – это человекомашинные системы, обеспечивающие автоматический сбор, обработку информации и оптимизацию управления.

АСУТП предназначены для выработки и реализации воздействий на технологический объект управления, в соответствии с принятыми критериями управления с помощью современных средств вычислительной техники.

Технологический объект управления – это совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по регламенту технологического процесса. Особое значение приобретает АСУТП в потенциально-опасных процессах.

Выделяют 4 группы потенциально-опасных процессов химической технологии:

1. Токсичные вещества и процессы с ними

2. Процессы со взрывоопасными веществами

3. Процессы с большой скоростью реакции

4. Смешанные из 1,2,3

Потенциально-опасные процессы широко применяются процессы нитрования, гидрирования бромирования, магнитоорганического синтеза и др.

Особенности потенциально-опасных производств в том, что они могут протекать в двух режимах:

1. нормальный режим

2. предаварийный режим

Способность переходить из 1-ого режима во 2-ой и отличает потенциально-опасные процессы от других производств.

Предаварийный режим имеет две фазы:

- возможность вернуться к нормальному режиму

- невозможность вернуться к нормальному режиму, так как аварийная ситуация уже неотвратима и наступает аварийное состояние.

Такая специфичность потенциально-опасных производств (ПОП) определяет особые требования к АСУ такими процессами. Нужно иметь такие автоматизированное системы управления, чтобы оно управляло процессом в предаварийном состоянии.

Для этого в АСУ есть система защиты (АСЗ) – автоматическая система защиты. Таким образом, в состав АСУ потенциально-опасных производств входит: АЗС, АСР, АСС, АСК.

АСР – автоматизированная система регулирования. На нее возлагается функция оптимального управления процессом в нормальных режимах.

АЗС – анализ предаварийного состояния и выбор защитных воздействий (если процесс не приходит в нормальный режим, то его надо прекратить).

1. Сброс реакционной массы в аварийный чан.

2. Подача в реактор разбавителя, затормаживающего процесс.

3. Подача жесткого хладагента.

АСК – автоматизированные системы контроля – получение информации о наступлении интересующих событий в управляемом объекте путем подачи световых и звуковых сигналов, особенно необходимо в предаварийном режиме работы.

АСУТП потенциально-опасных процессов может быть выполнено путем соединения четырех автономных этих систем в одно целое или путем соединения вместо АЗС и АСР вводят УВМ – управляющую вычислительную машину, получается АСУ на базе УВМ.

Общие сведения о типовой микропроцессорной системе.

Система предназначена для контроля и управления технологическим процессом непрерывных и полунепрерывных производств. Система позволяет:

1. Сбор и первичную переработку информации

2. Контроль и регулирование

3. Пуск и остановка оборудования и процесса

4. Блокировка и защита оборудования

Микропроцессорная система позволяет осуществить вызов видеопрограмм и информацией о состоянии агрегатов и о текущих значениях параметров процесса.

Информируемая мощность: АСУТП, построенная на базе типовой микропроцессорной системы, оценка общим количеством станций контроля и управления.

Характеристика одной из КАУ: входят непрерывные сигналы до 80, дискретные – до 38,4, выходные сигналы непрерывно до 20, дискретные – 324.

Входные сигналы могут быть:

0-10в; 0-5мА; 0-20мА.

Выходные сигналы: 0-10в, 0-5 мА.

Время выработки регулирующих воздействий – 1 сек.

Погрешность выработки регулируемых воздействий – 1% количество программ, выводимых на экран дисплея – 100. Питание 220В, допускается один отказ за 10 тыс. часов работы.

Технологический процесс регенерации отработанных кислот

Технологический процесс состоит из стадий:

- концентрирования HNO₃

- денитрация отработанных кислот

- концентрирование H₂ SO₄

- улов хвостовых нитрозных газов

Процесс непрерывный, все основные аппараты технологической схемы соединены последовательно.

Таблица №20 - название аппаратов и контролируемые параметры

Таблица №21

Описание контуров

1. Регулирование уровня в напорном баке

Для измерения уровня в напорном баке датчики уровнемеры пневматического типа (1-1,3-1,5-1) с унифицированным пневматическим сигналом 0,2-1 кгс/см² . Сигнал от него идет по двум направлениям: один через пневмоэлектропреобразователь (1-8,3-8,5-8) по Адресу B_i1 , B_i3 , B_i5 , построен в блок нагрузок управляющей машины, где он сравнивается с заданным сигналом. В случае отклонения текущего параметра от заданного по программе программиста вырабатывается регулирующее воздействие в виде 0-5мА, которое выходит из ПТК по адресу B_i1 , B_i3 , B_i5, и далее преобразуясь в стандартный пневматический сигнал, через электропневматический преобразователь (1-6,3-6,5-6), минуя без искажения воздухораспределитель (1-4,3-4,5-4) по 2му, 4му и 5му адресам поступает на привод регулирующего органа (1-5,3-5,5-5), в результате изменится подача кислот в бак и уровень будет поддерживаться постоянным. Если управляющая машина вышла из строя, то воздухораспределитель обесточивается и управление процессом переходит на локальный контру.

Сигнал с датчика (1-2,3-2,5-2) идет на вторичный пневматический прибор (1-3,3-3,5-3). В регулятор (1-4,3-4,5-4) заранее введено желательное значение параметра. На элементе сравнения происходит сравнение параметров. В случае отклонения регулятор вырабатывает регулирующее воздействие, которое, минуя (1-4,3-4,5-4) по адресу 2,4,6 действует на пневматический клапан (1-5,3-5,5-5), который пропорционально регулирующему воздействию меняет свое положение (в сторону уменьшения сигнала рассогласовывания)

2 Регулирование температуры охлажденной кислоты по изменению подачи хладагента.

Для регулирования температуры используют аналогичные контуры с той разницей, что сигнал о текущей температуре от термометра сопротивления (19-1,29-1,31-1,33-1,35-1) по первому адресу передается на нормирующий преобразователь (19-2,29-2,31-2,33-2,35-2), который нормирует сигнал в стандартный от 0 до 5 мА.

3. Регулирование соотношения расходов при автоматизации топки

Контур создан для того, чтобы соотношение природного газа и воздуха, подающихся в топку, было оптимальным (так как Температура будет самой высокой). Это соотношение заводится задатчиком в регулятор (25-5). Датчики расходов (25-1,25-2) устанавливаются на трубопроводах, ведущих в топку. Через дифмонометры текущее соотношение подается на прибор (25-5) с заданным соотношением. Дальше регулирующее воздействие идет по адресу 28 на пневматический клапан (25-8), а клапан воздухом добивается нужного соотношения компонентов.

В случае, если нужно скорректировать соотношение по температуре, то к контуру соотношения присоединяется контур температур.

Термометр сопротивления (27-1) фиксирует температуру отработанной H₂ SO₄ , преобразует ее в унифицированный сигнал в преобразователь (27-3). Сигнал воспринимается вторичным пневмоприбором (27-4) но элементы сравнения, встроенного в него регулятора (27-5) идет сигнал рассогласования, в случае наличия отношения регулирующего воздействия передается по стрелке на прибор (27-6) и исправляет там задание, то есть корректирует.

4. Контур контроля давления

Сигнал с датчика (пружинного манометра (9-1) поступает на вторичный пневматический прибор (9-2), который ведет показания и запись параметра.

Для передачи сигнала в управляющую машину по адресам B₁₉ , ставится в пневмоэлектрический преобразователь для преобразования сигнала. В унифицированный электрический сигнал 0-5 мА, воспринимаемый машиной.

5. Регулирование концентрации кислот

Для измерения концентрации кислот используют аналогичные контура с той разницей, что датчиками будут датчики концентратора (16-1,17-1,18-1), сигналы для управляемой колонны по адресам B_i16 , B_i17 , B_i18 , идут через измерительные приборы преобразователи (16-2,17-2,18-2)

Таблица №22 - Контрольно-измерительные приборы и средства автоматического контроля

6. Безопасность и экологичность проекта.

Анализ производства. [10]

Производство концентрированной серной кислоты непрерывное и полностью автоматизировано. Производство состоит из трех отделений:

Отделения концентрирования азотной кислоты, отделения концентрирования серной кислоты и абсорбционного отделения. Используется следующее оборудование: колонна ГБХ, вихревая ферросилидовая колонна, абсорберы, вентиляторы, насосы, напорные баки, холодильники, конденсатор, топка. Оборудование размещено в трехэтажном здании. В основном все оборудование размещено на первом этаже, но так как колонна ГБХ высокая, то напорные баки и вентиляторы находятся на третьем этаже. Так как HNO₃ и H₂ SO₄ являются сильными кислотами, то отделение концентрирования кислот относим к пожароопасным зонам по ПУЭ, т. е. К зоне класса В1а. В отделении абсорбции возможны выделения нитрозных газов, которые при взаимодействии с воздухом могут создать взрыво-пожароопасную смесь, то отделение по ПУЭ относим к взрывоопасным зонам В-1б.

Таблица №23

Индивидуальные средства защиты

Работа с кислотами опасна возможными ожогами и отравлениями выделяющимися газами и парами. Все рабочие кислотного цеха должны быть обеспечены для защиты тела спецодеждой по ГОСТ 12.4.103-83 из серошинельного сукна по ГОСТ 12.4.036-78; резиновыми сапогами или калошами по ГОСТ 5379-73 с суконными чулками для защиты ног.; для защиты рук – кислотнозащитными рукавицами типа КР; для защиты глаз – предохранительными защитными очками по ГОСТ 12.4.013-85 закрытого типа с бесцветными стеклами; для защиты органов дыхания – противогазы марки БКФ или КД. Также применяются противогазовые респираторы РПГ-67 от действия на глаза парообразных веществ.

На рабочих местах кислотных участков имеются водопроводные краны, ванны с содовым раствором (для нейтрализации пролитой кислоты на открытых участках тела), смена вод которых производится два раза в месяц.

Таблица №2 4 - Характеристика используемых веществ в производстве: ПДК, класс опасности, действие на человека, способы обезвреживания.

Шум и вибрация [15], [16]

В проектируемом объекте источниками шума и вибрации могут служить воздуходувки, вентиляторы, электродвигатели вентиляционных установок, центробежные насосы.

Воздуходувки относятся к машинам безударных процессов, имеют виброзащиту в виде кожухов, предусмотренную заводом-изготовителем. Воздуходувки также расположены в специально отведенных для них местах, огражденных перегородками. Поэтому аппаратчики находятся на некотором удалении о воздуходувок, а шум и вибрация от этих установок не приносят вреда здоровью людей.

Дополнительными источниками шума являются вентиляторы, насосы, шум от которых достигает 80-100 дБ. Шум от вентиляционного агрегата распространяется через воздушную среду, по строительным конструкциям и стенкам воздуховодов.

Борьба с шумом может осуществляться путем снижения первоначального шума от вентиляционного агрегата и насосов, изоляцией агрегатов от их основания при помощи виброзащитных элементов. Амортизаторы вибраций изготовляют из стальных пружин или резиновых прокладок.. Фундаменты под центробежные насосы изолируют войлоком, асбестом, для уменьшения вибрации. Применяют также звукопоглощающие материалы, как стекловолокно, поролон, для воздуховодов и облицовки вентиляционных камер.

В качестве индивидуальных средств защиты от шума в соответствии с ГОСТ 12.1.029-80 используют легкие противошумные вкладыши, вставляемые в уши.

Для защиты от вибрации, передаваемой человеку через ноги, используется обувь на войлочной или толстой резиновой подошве.

Таблица №2 5 - Допустимые уровни шума на рабочих местах согласно ГОСТ 12.1.003-83 [16]

Вентиляция

Основным условием создания нормальных санитарно-гигиенических условий воздушной среды в производственных помещениях является максимальная герметизация технологического оборудования и коммуникаций. В задачу вентиляции входит борьба с неизбежными вредными выделениями, которые решаются путем устройства местных отсосов у аппаратов с наиболее сильными выделениями: баки свежих и отработанных кислот, колонна ГБХ, сборники регенерируемых кислот.

Вентиляция воздуха в нашем помещении осуществляется естественным путем за счет дверных и оконных проемов и искусственно с помощью приточно-вентиляционных установок. В случае превышения ПДК паров HNO₃ в воздухе рабочей зоны автоматически происходит включение аварийной вентиляции, которая снабжена газоанализиратором, который настроен на ПДК кислот.

Расчет вентиляции

Основным показателем, характеризующим воздухообмен, является кратность воздухообмена:

, где

- объем помещения = 1200 м³

- объем вохдуха для вентиляции помещения, м³ /ч (5000 м³ /ч)

В соответствии с СН-245-71 выбираем вентилятор антикоррозионного исполнения. Материал – железнохромная сталь марки 18.9-57-4

Электродвигатель марки М2, исполнения 2ExdIIВТ4, у которого КПД=0.8, N=1,6кВт, n=2800 обор./мин, асинхронного типа.

Аварийный вентилятор марки ЦАГИ (с пусковым магнитопускателем)

Метеорологические условия [17]

Метеорологические условия в помещении концентрирования кислот выбираются исходя из категории работ в данном производстве. Наше производство полностью автоматизированное, рабочие работают сидя или стоя, не требуя систематического физического напряжения и не связаны с поднятием или переноской тяжести. Исходя из перечисленного по ГОСТ 12.1.005-76 выбираем Ia категорию работ и составляем таблицу.

Таблица №26

Отопление паровое. Расчетная температура парового воздуха – 18 ^О С, поверхность нагретых частей системы =70 ^О С. Отопление бытового помещения – централизованное, паровое.

Пожарная профилактика [12], [18]

Здание концентрирования кислот трехэтажное. Здание кирпичное, толщина наружных стенок 510 мм. (стены несущие и ограждающие).

Критическая температура для кирпича 700-1000 ^О С, полы бетонные.

Минимальный предел огнестойкости ограждающих стен (противопожарные) 0,75ч. Также используются в цеху следующие типы противопожарных преград.

Таблица №2 7 - Типы противопожарных преград

Исходя из перечисленного и ссылаясь на то, что отделение концентрирования кислот по НПБ 105-95 относится к классу В, выбираем степень огнестойкости здания.

Максимальное расстояние от наиболее удаленного рабочего места до ближайшего эвакуационного выхода – 25 м.

У здания предусмотрена лестница шириной 70 см. для эвакуации людей с верхних этажей при пожаре. Число эвакуационных выходов – 5 (через противопожарные двери). Также помещение оборудовано противопожарными лестницами с естественным освещением через окна. Ширина дверей не менее 1 м., длина до 5 м.

Для ликвидации пожара установлены пожарные краны в здании, а на улице пожарные гидранты на расстоянии 100 м. друг от друга, не ближе 5 м. от стены, не далее 50 м. установлены пожарные извещатели.

Также помещение обеспечено первичными средствами пожаротушения:

1) огнетушители порошковые ОП-1 (для тушения электропроводки, электродвигателей, находящихся под напряжением по ГОСТ 12.1.004-83)

2) ручные углекислые ОУ-2 (для тушения открытого огня и газов)

3) пенные огнетушители согласно ГОСТ 12.1.004-83 (для тушения возгорания горючих растворителей)

4) ящики с песком около оборудования (для тушения щелочных и щелочноземельных металлов)

В случае возникновения пожара в помещении необходимо прекратить работу, включить вентиляционную систему, приступить к тушению пожара и вызвать пожарную команду.

Согласно СНиП 2.04.09-84 выбирается автоматический извещатель типа ДТР. Также ручные пожарные извещатели вне здания на конструкциях на высоте 1,5 м. от уровня пола.

Освещение [19]

Для освещения нашего помещения используется естественное, искусственное, а также аварийное освещение.

В соответствии с ранее принятым проектом объемно-пространственного и конструктивного решения здания, естественное освещение боковое, через световые проемы в наружных окнах здания.

Так как наше производство полностью автоматизировано и непрерывно, происходит общее наблюдение за технологическим процессом по СНиП 23-05-95 это VIII а разряд зрительных работ. Значения КЕО при боковом освещении в зоне с устойчивым снежным покровом 0,3% на основании СНиП 23-05-95 в соответствии с разрядом выполняемых работ Е=75 лк – минимальная освещенность согласно СНиП 23-05-95 для зрительных работ (VIII разряда).

Расчет естественного освещения

Расчет освещения заключается в определении площади световых проемов для помещения:

, где

- площадь пола;

- нормируемое значение КЕО

- коэффициент, учитывающий затемнения окон,

- световые характеристики окна, .

- общий коэффициент пропускания, равен оптические свойства стекла (0,8) плюс потери света в переплетах (0,6) плюс потери из-за загрязнения остекленной поверхности (0,8) плюс в несущих конструкциях (1) плюс в солнцезащитных устройствах (0,8),

- =1,9 – при боковом освещении, коэффициент, учитывающий затемнение окон противоположными зданиями

, где %по СНиП 23-05-95

- коэффициент светового климата,

; - коэффициент солнечного климата,

%

м²

Площадьодного окна:

м²

Количество световых проемов:

шт.

Выбираем количество световых проемов – 20 шт. Фактическое количество световых проемов – 20 шт. Исходя из этого делаем вывод: расчетное количество окон в количестве 20 штук соотвествует санитарным нормам и фактическому количеству окон.

Расчет искусственного освещения [19].

Для искусственного освещения предусмотрены: переносные светильники МВП с лампами МГ-51 (F=4600лм, W=12Вт/м² ) и светильники для общего освещения пожароопасной зоны (для кислотной среды)

Число светильников, обеспечивающих необходимое освещение:

, где:

E – минимальная освещенность (E=75 лк) согласно СНиП 23-05-95 для зрительных работ согласно VIII разряда.

F – световой поток одной лампы (F=4600лм)

- поправочный коэффициент светильника, =1,1

U – коэффициент использования затемнения от типа светильника, U=0,6

шт

Выбираем 25 светильников, тип светильника СХ-50, мощность 300 Вт, ГОСТ 2239-79.

Фактическое количество светильников – 25 шт.

Вывод: Количество светильников соотвествует санитарным нормам и расчетному количеству.

Аварийное освещение.

Проектом предусмотрено аварийное освещение, которое обеспечивает 5% от нормального освещения и равно 6925,4 лм. Мощность одного светильника 60Вт, напряжение 12 В. Световой поток ламп накаливания 400 лм. Вакуумные лампы накаливания (В)

Определим количество светильников для обеспечения аварийного освещения:

шт.

Выбираем 16 штук. Тип светильников МВП (пылевлагонепроницаемые).

Аварийное освещение необходимо для продолжения работ в случае аварии.

Электробезопасность [11]

Поражение электрическим током может возникнуть вследствие случайного прикосновения людей к токоведущим частям (электропроводке), находящимся под напряжением, разряды молнии на электроустановку (насос, вентилятор), возникновение напряжения тока на участке земли, где находится человек в результате замыкания в электропроводке.

Согласно ПУЭ по опасности поражения площадей электрическим током, проектируемое помещение относится к III классу (особо опасное), вследствие сырости помещения, относительная влажность 95%, использования химически активной среды (кислоты с большими концентрациями.

В кислотном цехе для защиты людей от воздействия электрического тока применяются индивидуальные изолирующие защитные средства [11] типа диэлектрическая обувь, на рабочих местах деревянные подставки, покрытие резиновыми ковриками. Люди, работающие вблизи электроустановок напряжением 550 В (например, у вентиляторов) имеют указатели напряжения (вольтметры) с изолирующими ручками.

По способу защиты людей от поражения электрическим током все электротехнические изделия нашего производства в соответствии с ГОСТ 12.2.007.0-75 относятся к I классу, так как изделия, кроме рабочей изоляции токоведущих частей установки (оплетка обмоточных проводов), имеют, элементы заземления (вилку с заземленным контактом).

Защитные меры в электрооборудовании

Для обеспечения бесперебойной работы электрооборудования, во избежание поражения электрическим током, все электрооборудование, как было сказано выше, имеет надежную рабочую изоляцию, предусмотренную заводом-изготовителем. В качестве изолирующего материала используется эмаль, противоточные лаки. Контроль за состоянием изоляции проводится не реже одного раза в год.

Электроснабжение цеха обеспечивается с трансформаторных подстанций, электрооборудование питается напряжением 380 В и 500 В. Силовая сеть выполнена из кабеля марки ВРБТ, также выполнена контрольным кабелем КРВБТ. Во избежание опасности механических повреждений проводов кабеля проводка делается под штукатуркой. Также электрооборудование заземляется к общему контуру друг к другу сопротивлением не более 4 Ом. Заземление предусматривается контурное медное или стальное (ст. 45). Стержни заземлителя располагаются по всему контуру на расстоянии 4 метров друг от друга.

В электроустановках применяется система защитного отключения, обеспечивающая автоматическое отключение электроустановки, при возникновении в ней опасности поражения током. Безопасность обеспечивается быстродействующим (0,1-0,2 сек) отключением всей сети при замыкании на элементы электрооборудования. Также применяем световую сигнализацию (красную) в соответствии с ГОСТ 12.2.007.0-75 при коротком замыкании электрооборудования Для профилактики электротравматизма применяем в соответствии с ГОСТ 12.4.026-76 предостерегающие плакаты. Электродвигатели взрывозащищенного исполнения по ГОСТ 12.2.020-76 марки 2ExiIIAT2.

Статическое электричество и молниезащита. [21]

Заряды статического электричества возникают при трении кожаного приводного ремня электродвигателей, при интенсивном перемешивании веществ в колонне концентрирования, при длительном накоплнеии зарядов на электрооборудовании.

В отделении концентрирования кислот, относящихся по ПУЭ к классу П-IIа защита от статического электричества осуществляется только на трубопроводах около оборудования.

Молниезащита

Для защиты от прямого удара молнии применяются молниеотводы. Так как отделение концентрирования кислот по ПУЭ по пожароопасностти относится к классу П-IIа и здание расположено в местности со средней грозовой деятельностью 20 часов в год, то выхлопные трубы в отделении по устройству молниезащиты относятся к III категории в соответствии с СН-305-77 сопротивление заземления труб должно быть не менее 50 Ом на каждый токоотвод от вторичного проявления молний предусмотрено заземление всего оборудования и трубопроводов. Величина сопротивления заземления 10 ОМ. Материал зазаемления – ст. 45. Токоотводы устраивают из стальной проволоки (ст.3) d=7 мм. В качестве токоотводов используем колонны в здании.

Расчет молниезащиты [22]

Определяем зону и категорию устройств молниезащиты. Цех по правилам относится к классу П-IIа. Основные характеристики местоположения – в местности со средней грозовой деятельностью 20 ч в год и более.

Тип зоны защиты – для здания II степени огнестойкости при выбирается зона Б, категория III.

Ожидаемое количество N поражений молнией в год здания определяется по формуле:

, где:

S – ширина здания, м; S=21 м.

Z - длина здания, м; Z=38 м.

h – наибольшая высота здания, м; h= 15 м.

n=2 – среднегодовое число ударов молний в 1 м² земной поверхности.

N=0.03

Выбираем зону защиты молниеотводов Б.

Тип молниеотвода и габариты зоны защиты:

- отвод высотой 29 м;

- высота зоны защиты над землей:

h₀ = 0.92h = 26.7 м;

- радиус зоны защиты на уровне земли:

r₀ =1.5h = 43.5 м;

- радиус зоны защиты на высоте h_x над землей: м.

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода

Безопасность технологического процесса.

Для предупреждения образования разрядов оборудование следует заземлять согласно ГОСТ 12.4.124-83. Сопротивление заземленного устройства не должно превышать 100 Ом. Трубопроводы, оборудование (колонна ГБХ), вентиляционные короба, расположенные в цехе, представляют собой не всем протяжении непрерывную цепь, которая присоединяется к контуру заземления в двух точках, согласно ПУЭ 12.1.030-81.

Для обеспечения рабочих в цеху индивидуальной защитой, используется электростатическая обувь – резиновые сапоги или калоши., одежда из хлопчатобумажных тканей. Также необходимо заземление помостов и рабочих площадок.

Экологичность проекта

Для создания нормальных условий труда, необходимо, чтобы оборудование кислотного цеха было герметично. Для обеспечения герметичности аппарат концентрирования футерован изнутри. Фланцевые соединения колонны во избежание разбрызгивания кислоты ограждаются манжетами из алюминия. Прокладки между царгами изготавливаются из фторопласта 4.

Испытание на герметичность производится продувкой колонны. Для обеспечения герметичности кислотопроводов уплотнение фланцевых соединений осуществляется при помощи прокладок из "ванного асбеста", обмотанного фторопластовой лентой.

Коррозия может служить одной из причин аварий и разрушений оборудования. Оборудование работает в агрессивной среде, все оборудование из кислотостойкой стали. Колонна ГБХ и вихревая колонна из ферросилида.

7. Строительно-монтажная схема здания цеха и компоновка оборудования

Исходные данные:

1. Географическое положение и климат:

проектируемая стадия концентрирования серной кислоты расположена на промышленной площадке завода им. В.И. Ленина в г. Казань.

Температура в зимнее время (25 ^О С)

Глубина промерзания грунта 4,5 м

Скоростной напор ветра 35 кг/м³

Уровень грунтовых вод 6 м

2. Характеристика производственного процесса: фаза концентрирования серной кислоты относится к П-IIIа группе производственных процессов,

категория пожароопасности В;

режим работы – трехсменный, непрерывный

Здание концентрирования имеет в плане прямоугольную форму.

Длина здания 17м.

Ширина 11,02 м

Высота 12,5 м.

Здание имеет три этажа.

Конструктивная схема здания:

- глубина заложения фундамента – 1,5 м

Покрытие состоит из:

- водоизоляционного ковра рубероид;

- цементной стяжки 20 мм;

- теплоизоляции – пенобетон 150 мм;

- пароизоляции – горячим битумом;

- сборной железобетонной плиты;

- сборной железобетонной балки.

Рабочая площадка расположена на ровной поверхности.

Полы бетонные, покрытие кислотоупорной плиткой.

Стены наружные – кирпичные толщиной 510 мм.

Объемно-планировочное и конструктивное решение здания денитрации отработанной кислоты и концентрирования серной кислоты, организация интерьера, отделка помещения соответствует требованиям технических, санитарных и противопожарных норм, а также требованиям технической эстетики.

8. Генеральный план. Пояснения к схеме генерального плана.

Проектируемый цех расположен на территории г. Казань.

Площадь для проектирования цеха имеет ровную поверхность.

Производственные здания расположены с учетом безопасных расстояний, санитарных и противопожарных требований.

Безопасное расстояние между складами принимается не менее 15 метров.

Цех денитрации и концентрирования имеет:

Отделение денитрации и концентрирования азотной кислоты –1

Отделение концентрирования серной кислоты –2

Отделения абсорбционной очистки окислов азота после отделения денитрации NO –3

Склад отработанных кислот –4

Склад готовой продукции 98%азотной кислоты –5

Склад для крепкой серной кислоты –6

Проходную 7

Убежище 8

Относительно административных зданий и жилых массивов, производственные помещения расположены с подветренной стороны.

Направление ветра – преимущественно юго-восточное. Пл всей производственной территории, включая зону проходной, предусмотрены автомобильные дороги для проезда транспорта. Дороги расположены с учетом аварийной опасности производства. Для возможных перевозок готовой продукции предусмотрено наличие железной дороги.

Для забора воды на водопроводах наружного пожаротушения установлены гидранты. Водопроводная сеть окольцована. Она проектируется из чугунных труб диаметром не менее 200 мм., на глубине 2 метра.

На внутренней водопроводной сети установлены внутренние пожарные краны в специальных шкафах, отмеченных надписью "ПК"

9. Экономическое обоснование проекта

Расчет капитальных затрат на создание проектируемого объекта

Таблица №28 - Расчет капитальных затрат на здания и сооружения

Таблица №29 - Капитальные затраты на оборудование (па проекту)

Таблица №30 - Капитальные затраты на оборудование (по аналогу)

Таблица №31 - Сводная смета капитальных затрат и структура основных фондов

Расчет нормируемых оборотных средств:

По проекту:

руб

Общая сумма капитальных вложений

По проекту:

2872936 + 430940,5=3303877,1 руб

Удельные капитальные вложения

По проекту:

руб/т

Расчет нормируемых оборотных средств по аналогу:

руб

Общая сумма капитальных вложений

По аналогу:

3058000+458700,1=3516700,6 руб

Удельные капитальные вложения:

По аналогу:

руб/т

Расчет численности и фонда заработной платы:

Таблица №32 - Баланс рабочего времени одного рабочего

Таблица №33 - Численность основных производственных рабочих

Таблица №34 - Вспомогательные рабочие (деж. персонал)

Расчет фонда заработной платы основных производственных рабочих

1. Тарифный фонд заработной платы

=3,0 руб

3_мар =30*1920*1,63*3,0=281664 руб

2. Доплата до основного фонда заработной платы:

а) премии: П=;

руб

б) уплата за работу в вечернее время:

руб

в) доплата за работу в ночное время:

руб

г) доплата за работу в праздничные дни:

руб

Всего доплат:

Д=П+Д_в.в. +Д_н.в. +д_п.д. =84521,18руб.

3. Основная заработная плата:

З_осн =З_тар +Д=366185,18руб.

4. Дополнительная ЗП (10%)

5. Годовой фонд заработной платы основных рабочих:

З_год =(3_осн +З_доп )Kn, где Kn =1 (для Казани)

З_год = 402803,69

6. Заработная плата основных рабочих на калькуляционную единицу:

З_к.ед. =руб/т

7. Отчисления в фонд страхования на калькуляционную единицу:

О_к.ед. = руб/т

Расчет фонда З.П. вспомогательных рабочих (дежурный персонал)

1. Тарифный фонд З.П.

З_тар =U_сп T_эф R_mc К_ср

З_тар =25*1920*1,88*3,0=270720 руб.

2. Доплата до основного фонда З.П:

а) премия: П=27072 руб.

б) доплата за работу в вечернее время:

Д_в.в. =18048,00 руб

в) доплата за работу в ночное время:

Д_н.в. =39096 руб

г) доплата за работу в праздничные дни:

Д_п.д. =2712,96 руб

3. Основная З.П.

З_осн. =354648,96 руб.

4. Дополнительная З.П.

З_доп. =35464,89 руб

5. Годовой фонд З.П. вспомогательных рабочих:

6. З_год = 390113,85 руб.

7. Отчисления в фонд социального страхования (40%)

О_с.с. =156045,54 руб

Таблица №35 - Расчет фонда заработной платы ИТР, служащих и МОП

Отчисления в фонд социального страхования (40%):

О_с.с. =90864 руб

Средняя заработная плата одного рабочего:

руб

Среднегодовая заработная плата одного работающего:

руб

Производительность труда одного рабочего:

т/чел

Производительность труда одного работающего:

т/чел

Таблица №36 - Расчет годового расхода электроэнергии (по проекту)

Расчет годового расхода электроэнергии на двигательные и технологические цели:

;

к_спр – коэффициент потерь в электрических сетях (0,97)

К_дв - коэффициент потерь в электродвигателях (0,95)

тыс. кВт/ч

По проекту на калькуляционную единицу:

М= тыс. кВт/ч

Таблица №37 - Расчет годового расхода электроэнергии (по аналогу)

Расчет годового расхода электроэнергии на двигательные и технологические цели:

квт/ч

По аналогу на калькуляционную единицу:

М= тыс. кВт/ч

Таблица №38 - Смета расходов на содержание и эксплуатацию оборудования

Расчет на калькуляционную единицу:

по проекту:

1134554,3/32000=35,45 руб/т

по аналогу:

1188356,1/32000=37,14 руб/т

Таблица №39 - Смета цеховых расходов

На калькуляционную единицу:

ВСЕГО/В_г =440751,19/32000=13,77 руб/т

Таблица №40 - Сравнительная калькуляционная себестоимость серной кислоты. Калькуляционная единица – 1 тонна

1. Снижение себестоимости:

2. Годовая экономия от снижения себестоимости продукции:

Э_год =(С₁ -С₂ )В_г = (1240,18-1157,39)3200=2649280 руб

3. Удельные приведенные затраты:

С_j +E_h *K_j -> min

K_j – капитальные вложения по каждому варианту

E_h – нормативный коэффициент эффективности

капит. вложения (E_h =0,12)

по проекту: 1157,39+0,12*103300=13553,39 руб

по аналогу: 1,240,18+0,12*109900=14428 руб

4. Годовой экономический эффект:

Э_год =(1240,18-1157,39) = 2649280 руб

Таблица № 41 - Сравнительные технико-экономические показатели производства

Заключение

В данном дипломном проекте были рассмотрены и рассчитаны отделения денитрации отработанных кислот и концентрирования азотной кислоты и серной кислоты. Осуществлены необходимые материальные и технологические расчеты, подтверждающие обоснованность предлагаемых инженерных решений. По сравнению с действующим производством внесены следующие технологические решения:

На фазе улова окислов азота и паров азотной кислоты используется абсорбция с помощью серной кислоты. Это обеспечивает очистку отходящих газов до санитарных норм.

Процесс регенерации отработанных кислот переведен на автоматизированное регулирование с применением УВМ. В частности, на стадии подачи кислот в колонну ГБХ предусмотрено автоматическое прекращение подачи компонентов в случае аварии.

Внедрение этих изменений позволяет улучшить условия труда за счет перевода автоматизации на более высокий уровень, уменьшить износ оборудования, улучшить экологическую обстановку.

Экономический анализ проекта показывает, что в результате изменений себестоимость 1 тонны H₂ SO₄ снизилась на при сохранении численности персонала.

Проект экономически целесообразен.

Список использованных источников

1. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. -М.:Химия, 1970.-493с.

2. Амелин А.Г., Яшке Е.В. Производство серной кислоты. -М.:Высшая школа, 1974.-223с.

3. Лебедев А.Я. Установки для денитрации и концентрирования серной кислоты.- М.:Химия, 1972.-240с

4. Амелин А.Г. Технология серной кислоты.- М.:Химия, 1983.-340с.

5. Методика расчета технологического процесса концентрирования кислоты в вихревой колонне /сост. Халитов Р.А.; КХТИ.-Казань, 1991.-30 с.

6. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии.-М:Химия, 1971.-783с.

7. Павлов К.Ф, Романков А.Т., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.-А.:Химия,1987.-705с.

8. Автоматические приборы, регуляторы и вычислительные системы: Справочное пособие /Б.Д. Кошарский, Т.У. Бедновская, В.А.Бек и др.-Л.:Машиностроение, 1976.-448с

9. Лащинский А.А. Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры.: Л.:Машиностроение, 1970.-752с

10. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию/Под. ред. Ю.И. Дытнерского.-

11. Вредные вещества в промышленности: Справочник, тIII/Под ред. Н.В. Лазарева.- М:Химия, 1976.-592с.

12. Фарзанс Н.Г., Ильясов П.В. Технологические измерения и прибоы.-М.:Высшая школа,1982.-260с.

13. Макаров Г.В. Охрана труда в химической промышленности.- М:Химия, 1989.-495с.

14. ГОСТ 12.10.04.-86 Пожарная безопасность. Общие требования.

15. ГОСТ 12.1.012.-78 Вибрация. Общие требования безопасности.

16. ГОСТ 12.4.103.-80 Индивидуальные средства защиты.

17. ГОСТ 12.4.003.-83 Допустимые уровни шума.

18. ГОСТ 12.1.019.-89 Воздух рабочей зоны

19. ГОСТ 12.04.05.-89 Вентиляция

20. СН 305-74 Молниезащита

21. СНиП 2.04.05-89 Вентиляция

22. СНиП 23.05.05-95 Освещение

23. НПБ 105-95 Нормы и правила безопасности

24. ПУЭ. Правила устройства электроустановок

25. Экономическое обоснование курсовых и лдипломных проектов: Метод указан. /Сост.: В.И.Вальперт, Р.Г. Тазеев, Ю.Н. Барышев, И.Л.Шарифуллин. КХТИ.-Казань, 1991.-28 с.

Приложение, спецификация