книги из ГПНТБ / Миниович, М. А. Производство аммиачной селитры

является двухкомпонентной (двойной) системой (соль — вода); раствор двух солей, имеющих общий ион, — трехкомпонентной

(тройной) системой. Например, система N H 4 1 N O 3 — C a ( N 0 3 ) 2 — Н 2 О имеет общий ион NO3. Если раствор содержит две соли, не имею­

щие общего иона, то образуется уже четырехкомпонентная (чет­ верная) система, так как в растворе может протекать обменная реакция с образованием еще двух новых солей. Например:

NH4 N03 + КС1 ~t—* KNO3 + NH4C1

Компонентами этой системы являются вода и любые три соли, участвующие в обменной реакции. Четвертая соль не включается в число компонентов, так как не является независимой частью си­ стемы. Часто пользуются следующим правилом: число компонентов водно-солевой системы с учетом воды равно числу разных ионов, входящих в систему.

Важным показателем состава раствора является его концентра­ ция, характеризующая количество данного вещества, содержаще­ гося в определенном количестве раствора или растворителя. Раз­ бавленные (слабые) растворы по свойствам приближаются к рас­ творителю (воде); концентрированные растворы — к растворенному веществу (в нашем случае — к твердой аммиачной селитре).

В технике концентрацию растворенного вещества наиболее ча­

Растворимость твердых веществ в воде или другой жидкости зависит от температуры, свойств этого вещества и растворителя. В большинстве случаев растворимость твердых веществ увеличи­ вается с повышением температуры. По мере растворения вещест­ ва возрастает концентрация растворов и в какой-то момент насту­ пает равновесие, при котором из раствора выделяется столько же вещества, сколько растворяется. Такой раствор называют насы­ щенным. Растворы, концентрация которых меньше концентрации насыщенных растворов, являются ненасыщенными. В пересыщен­ ных растворах, образующихся, например, при испарении раствори­ теля, вещества содержится больше, чем соответствует его раство­ римости при данных условиях. Пересыщенный раствор весьма неустойчив и при переходе к состоянию насыщения выделяет кри­ сталлы.

В зависимости от концентрации растворов изменяются их ос­ новные свойства: плотность, давление пара над раствором, тем­ пература кипения, вязкость, теплоемкость, температура кристал­ лизации. Ниже кратко рассмотрены эти свойства применительно к водным растворам аммиачной селитры.

30

Плотность. Как известно, плотность с повышением температу­ ры уменьшается. Плотность жидкостей обычно указывают при тем­ пературе 20 °С и выражают в г/см3 или в т/м3 . Зависимость плот­ ности водных растворов аммиачной селитры от концентрации при разных температурах приведена в Приложении X I I .

Давление паров. Различают две формы парообразования: ис­

В процессе кипения образование пара происходит не только с по­ верхности, но и во всей массе жидкости.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, не полностью занятом жидкостью, оно прекращается, когда давление образую­ щегося пара достигнет определенной величины для каждой жидко­ сти при данной температуре. Предельное давление пара, заполняю­ щего свободное пространство над жидкостью, называется дав­ лением насыщенного пара. Давление насыщенного пара является одним из важнейших свойств жидкостей. Оно характеризует,

вчастности, интенсивность их испарения.

Вжидкости молекулы находятся в непрерывном беспорядоч­ ном движении. Между ними действуют значительные силы при­ тяжения (сцепления).

Молекулы, находящиеся на поверхности, могут перейти в про­ странство над жидкостью («испариться»), если преодолевают при­ тяжение других молекул. Оторваться от жидкости способны лишь те молекулы, которые обладают энергией, превышающей некоторое определенное значение. Таких молекул сравнительно мало (иначе бы жидкости мгновенно испарялись). Процесс испарения сопро­ вождается охлаждением жидкости, так как она теряет свои наи­ более «горячие» молекулы. Поэтому для поддержания начальной температуры требуется подводить в систему тепло извне. В естест­ венных условиях тепловые потери восполняются притоком тепла из окружающей среды.

Если из закрытого сосуда с жидкостью удалить некоторое ко­ личество пара, жидкость начнет испаряться до достижения преж­ него давления пара. Если же в сосуд ввести пар извне, то он нач­ нет конденсироваться, и этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока снова не установится первоначальное давление насы­ щенного пара над жидкостью.

Для любой температуры устанавливается равновесное состоя­ ние, характеризующееся тем, что число молекул, покидающих жидкость, становится равным числу молекул, конденсирующихся на ее поверхности за единицу времени. Давление насыщенного пара данного вещества при каждой температуре является опре­ деленной величиной, не зависящей от количества жидкости и пара, от присутствия воздуха или другого инертного газа; с повышением температуры давление насыщенного пара возрастает.

Как упоминалось выше, процесс испарения жидкости сопровож­ дается поглощением тепла. Количество тепла, которое поглощает-

31

ся единицей массы вещества при испарении, называется теплотой испарения. Различают мольную теплоту испарения (т. е. теплоту испарения 1 моль) и удельную теплоту испарения (т. е. теплоту, отнесенную, например, к 1 г вещества). Давление насыщенного пара может быть выражено в мм рт. ст., и других единицах*.

В табл. 10 приведено давление паров воды над растворами ам­ миачной селитры при температурах от 10 до 105 °С. В практике при этих температурах часто приходится нагревать растворы ам­ миачной селитры для их дальнейшей переработки.

жение молекул в жидкости достаточно, чтобы удержать их вместе. Только отдельным молекулам удается оторваться от поверхности жидкости при обычных условиях. С повышением температуры чис­

вится равным внешнему давлению; при этом жидкость закипает. Иными словами, любая жидкость кипит при такой температуре, при которой давление ее насыщенного пара равно внешнему дав­ лению.

Очевидно, температура кипения жидкости повышается с увели­ чением давления; уменьшение давления приводит к снижению точ­

растворенного вещества и растворителя и повышается с увеличе­ нием концентрации раствора и давления.

32

34

Количество тепла Q (в кал), необходимого для нагревания ве­ щества, пропорционально его массе т, удельной теплоемкости с и разности температур —1\ до и после нагревания:

Q = тс (t2 — tj)

На рис. Ъ приведены значения удельной теплоемкости раство­ ров аммиачной селитры в зависимости от их концентрации. Как видно из рисунка, с увеличением концентрации аммиачной селит­ ры удельная теплоемкость ее растворов уменьшается.

/во

Поверхностное натяжение. Для расчетов коэффициентов тепло­ отдачи при кипении жидкостей и других расчетов необходимы зна­ чения поверхностного натяжения.

Поверхностное натяжение —величина, характеризующая со­ стояние поверхности жидкости (или твердого тела). Она численно равна работе, затрачиваемой на преодоление сил притяжения меж­ ду отдельными частицами поверхностного слоя при выходе на по­ верхность.

Вследствие наличия поверхностного натяжения любая жидкость стремится к уменьшению своей поверхности и сопротивляется ее разрушению.

Для того чтобы разрушить поверхность жидкости, необходимо приложить определенное усилие.

Поверхностное натяжение, выражают как силу на единицу дли­ ны поверхности (в дин/см, Н/м) либо как энергию на единицу по­ верхности (в эрг/см2 , Дж/м 2 ) . Численно эти оба значения совпа­ дают.

Глава I I

ТЕХНОЛОГИЯ АММИАЧНОЙ СЕЛИТРЫ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА

В промышленности широко применяется только метод получе ния аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и разбавленной азотной кислоты. Метод по­ лучения аммиачной селитры из аммиака коксового газа и разбав­ ленной азотной кислоты перестали применять как экономически невыгодный.

Кроме того, вырабатывавшаяся по этому методу аммиачная селитра всегда содержала значительное количество примесей (пиридинов, фенолов, смол и др.).

Производство аммиачной селитры из синтетического аммиака (или аммиаксодержащих газов) и азотной кислоты является мно­ гостадийным. В связи с этим пытались получать аммиачную се­ литру непосредственно из аммиака, окислов азота, кислорода и па­ ров воды по реакции

кислоты внедрен ряд усовершенствований, которые позволили со­ кратить капитальные затраты на строительство новых установок и уменьшить себестоимость готового продукта.

Почти во всех действующих производствах аммиачной селитры аппаратура, не отвечающая современным требованиям, была ре­ конструирована или заменена на более мощную и совершенную.

Так, например, нейтрализаторы устаревших конструкций, имев­ шие низкую производительность (300—350 т/сутки), повышенные потери сырья и недостаточный коэффициент использования тепла реакции были реконструированы (наращена высота аппаратов на 1200—1500 мм, установлены новые устройства для распределения аммиака и азотной кислоты и др.).

Большое количество маломощных горизонтальных выпарных аппаратов было заменено на вертикальные с падающей пленкой, и на аппараты с большей теплообменной поверхностью. Это поз­ волило увеличить производительность выпарных станций почти

37

вдвое, уменьшить расход вторичного и свежего греющего пара в среднем на 20%, сократить затраты на проведение ремонтов ап­ паратуры и т. д.

Вместо барометрических конденсаторов смесительного типа бы­ ли частично установлены компактные кожухотрубчатые поверх­ ностные конденсаторы. Это дало возможность дополнительно по­ лучать значительное количество дефицитного парового конденсата и уменьшить загрязнение водоемов примесями аммиака и амми­ ачной селитры.

Во многих производствах аммиачной селитры вместо ранее применявшихся, плохо работающих сепараторов или в дополнение к ним внедрены специальные промыватели. В результате этого содержание в соковых парах аммиака и аммиачной селитры снизи­ лось почти в три раза.

Проведен большой объем работ по улучшению качества гото­ вого продукта, направляемого в сельское хозяйство.

Переход на выпуск для сельского хозяйства только гранулиро­ ванного продукта, получение высококонцентрированного плава, охлаждение селитры в кипящем слое, применение в ряде случаев полиэтиленовой тары и некоторые другие усовершенствования поз­ волили значительно улучшить качество аммиачной селитры.

Эти же технические усовершенствования позволили повысить производительность действующих и увеличить мощность вновь строящихся производств аммиачной селитры.

Для некоторых видов аппаратуры вместо стали марки Х18Н9Т начали использовать менее дефицитные и менее дорогие марки ле­ гированных сталей.

Широко внедрены разные автоматические устройства, а на от­ дельных производствах почти полностью завершены работы по комплексной автоматизации.

Новые производства аммиачной селитры в последние годы ча­ сто размещают в од-ноотролетном корпусе совместно с оборудовани­ ем производств разбавленной азотной кислоты. Такое сочетание двух взаимосвязанных производств позволило сократить протяжен­ ность коммуникаций (для обоих производств выполнены общие подводы воды, пара, электроэнергии и т. п.), а также значительно уменьшило капитальные вложения на строительство новых устано­ вок аммиачной селитры.

Однако перечисленные выше и другие аналогичные усовершен­ ствования не полностью решали проблему перевода производств аммиачной селитры на более высокую техническую ступень.

Для коренного усовершенствования производств аммиачной се­ литры потребовалось отказаться от сложившихся в течение мно-

38

гих лет представлений о невозможности работать без соответст­ вующих резервов основного оборудования (например, выпарных аппаратов, грануляционных башен и др.), об опасности получения для гранулирования почти безводного плава аммиачной селитры

ит. п.

ВСССР и за рубежом твердо установлено, что только строи­ тельство агрегатов большой мощности, с использованием совре­ менных достижений науки и техники, может дать существенные экономические преимущества по сравнению с действующими про­ изводствами аммиачной селитры.

Ниже (стр. 125) будут освещены вопросы, связанные с повой технологической схемой получения гранулированной аммиачной селитры на агрегатах большой мощности. Здесь только отметим, что ускоренное развитие производств аммиачной селитры может быть успешным лишь при условии создания агрегатов большой мощности на принципиально новой основе.

За последние годы построено несколько агрегатов большой мощности. Каждый агрегат скомпонован в одном сооружении со ступенчатым (каскадным) расположением на грануляционной башне всей основной аппаратуры.

На таких агрегатах предусматривается проверить:

возможность исключения из технологической схемы громоздких донейтр ализаторов;

условия очистки отработанного в башне воздуха, загрязняюще­ го воздушный бассейн над азотными предприятиями и окружающи­ ми населенными пунктами;

возможность значительного сокращения протяженности комму­ никаций, числа буферных сборников и баков;

возможность сокращения насосного хозяйства; упрощенную комплексную автоматизацию процессов;

возможность обслуживания всего агрегата большой мощности небольшим числом обслуживающего персонала.

По ориентировочным подсчетам, строительство агрегата мощ­ ностью 1400 т/сутки (450 тыс. т в год) даст возможность сократить капитальные затраты на 30—40% и снизить себестоимость гото­ вого продукта на 6%.

Значительное количество аммиачной селитры в настоящее вре­ мя производится из отходящих аммиаксодержащих газов некото­ рых систем синтеза карбамида. По одному из способов его произ­ водства на 1 т карбамида получается от 1 до 1,4 т аммиака. Из такого количества аммиака можно выработать 4,6—6,5 т аммиач­ ной селитры. Хотя работают и более совершенные схемы синтеза

Способ производства аммиачной селитры из аммиаксодержа­ щих газов отличается от способа ее получения из газообразного аммиака только на стадии нейтрализации.

39