CC BY
11
УДК 66.048.3:004.942
Бельский В.В., Советин Ф.С., Чуднова Т.А., Гартман Т.Н., Панкрушина А.В.
РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ПОЛУЧЕНИЯ СЛАБОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ
Бельский Валерий Валерьевич - студент-дипломник кафедры новых материалов и технологий филиала «Угреша»; [email protected]
Чуднова Татьяна Анатольевна - кандидат технических наук, доцент, исполняющая обязанности ректора филиала «Угреша»; [email protected];
ГБОУ МО «Государственный университет Дубна», филиал «Угреша», Россия, МО, г. Дзержинский, 140090, ул. Акад. Жукова, дом 24
Советин Филипп Сергеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
Гартман Томаш Николаевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
Панкрушина Алла Вадимовна - кандидат технических наук, доцент кафедры информатики и компьютерного проектирования; [email protected];
ФГБОУ ВО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», Россия, Москва, 125047, Миусская площадь, дом 9.
В настоящей работе разработана и реализована компьютерная модель технологической схемы получения слабой азотной кислоты. Рассчитаны аппараты технологической линии и сама технологическая схема. Намечены пути реконструкции и модернизации данного производства. Ключевые слова: азотная кислота, реактор, технология, абсорбция, колонна, сепаратор
DEVELOPMENT OF THE COMPUTER MODEL OF THE PRODUCTION OF NITRIC ACID OF LOW CONCENTRATION
Belski V. V.1,.Sovetin F.S.2, Chudnova T. A.1,. Gartman T.N.2, Pankrushina A.V.2
1 State University Dubna, Filial Ugresha
2 D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russian Federation
In this article, the computer model of a technological line of the production of nitric acid was developed and realized. The technological line and the complete production were calculated. The reconstruction and modernization paths of this production are outlined.
Key words: nitric acid, reactor, technology, absorption, column, separator
Введение
Азотная кислота является важнейшим крупнотоннажным продуктом химической промышленности. Применяется в производстве азотных удобрений, технических нитратов, взрывчатых веществ, азокрасителей, лекарственных препаратов и др. [1].
Химическая промышленность производит преимущественно разбавленную (слабую) азотную кислоту и концентрированную (крепкую) азотную кислоту, а также реактивную и особо чистую [2].
Рост производства азотной кислоты связан с разработкой и внедрением в эксплуатацию агрегатов больших единичных мощностей, а также разработкой высокоинтенсивных процессов [1-2].
Проведение модернизации и реконструкции технологических схем получения азотной кислоты с позиции энерго- и ресурсосбережения не представляется возможным без использования современных комплексов проблемно-ориентированных программ, позволяющих создавать компьютерные модели технологических схем, создавать так называемые «виртуальные» производства. Кроме того, применение современных комплексов программ позволяет без значительных материальных и временных затрат проводить вычислительные
эксперименты на моделях химических производств в целом [3-4].
Описание технологической схемы получения слабой азотной кислоты как объекта компьютерного моделирования
Технологическая схема производства как объекта компьютерного моделирования заимствована из [2]. Технологическая схема производства слабой азотной кислоты, реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД изображена на рис. 1.
Атмосферный воздух очищается на суконном фильтре воздухозаборника (рис. 1, модуль 1), замем сжимается в турбокомпрессоре до 350 кПа. (рис. 1, модуль 3). Воздух при этом нагревается до 175 С. Затем он охлаждается водой до 40-45 С и сжимается в турбокомпрессоре (рис. 1, модуль 6) до давления 750 кПа. Далее сжатый воздух направляется в реактор окисления аммиака, в качестве добавки в процессе кислотной абсорбции, а также на отдувку оксидов азота от азотной кислоты и на сжигание природного газа.
Очищенный и подогретый в теплообменном аппарате (рис. 1, модуль 1) аммиак поступает в смеситель (рис. 1, модуль 8) где смешивается с подогретым воздухом. Данная смесь направляется в реактор окисления аммиака (рис. 1, модуль 9).
Рис.1 Технологическая схема получения слабой азотной кислоты, реализованная в среде комплекса программ ХЕМКАД. Обозначения: 1,4,7,10,13 - модули теплообменников, 3,6 модули компрессоров, 2,16 - модули сепараторов, 9 и 11 - модули химических реакторов, 15 - модуль абсорбционной колонны.
В реакторе окисления аммиака конверсия аммиака проводится при 800-900 С. В данном реакторе протекает реакция окисления аммиака в соответствии уравнению:
4]\Нз + 502 ^ 4Ш + 6Н2О; (1) Затем нитрозные газы поступают в окислитель (рис 1, модуль 11) где монооксид азота окисляется до диоксида азота по уравнению реакции:
2Ш + О2 ^ 2Ш2; (2)
После процесса окисления газовая смесь нитрозных газов и водяных паров охлаждается в каскаде теплообменников (рис. 1, модули 1, 12 и 13) и поступает в абсорбционную колонну (рис. 1, модуль 15), где протекает абсорбция с химической реакцией по уравнению:
4Ш2+ 2Н2О + О2 ^ 4НШз; (3)
Абсорбент - разбавленная азотная кислота. Отходящие из абсорбционной колонны газы, содержащие оксида азота, направляются в узел
каталитической очистки. Азотная кислота, содержащая нитрозные газы направляется в отдувочную колонну (рис. 1, модуль 16) где протекает её очистка от растворённых нитрозных газов.
Описание хода моделирования технологической схемы получения слабой азотной кислоты из аммиака
Реактор окисления аммиака (контактный аппарат) моделируется модулем равновесного реактора посредством задания стехиометрических данных реакции (1) и степени конверсии базового реагента (степень конверсии аммиака - 100 %). Результаты компьютерного моделирования реактора окисления аммиака (контактного аппарата) приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты компьютерного моделирования контактного аппарата
Свойство Входной поток Выходной поток
потока контактного контактного
аппарата аппарата
Температура; С 250 900
Давление; бар 4.5 4.5
Общий расход; 1600 1600
т/час
Массовая доля
компонента;
масс.%
]ЧНз 62.5 -
N2 72.92 73.44
О2 20.08 6.73
N0 - 9.91
Н2О - 9.91
Реактор окисления монооксида азота (окислитель) моделируется модулем
стехиометрического реактора посредством задания стехиометрических данных реакции (2) и степени конверсии базового реагента (степень конверсии монооксида азота - 100 %). Результаты компьютерного моделирования реактора окисления монооксида азота (окислителя) приведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты компьютерного моделирования реактора окисления монооксида
азота
Абсорбционная колонна моделируется модулем строгого расчёта процесса абсорбции БСББ с использованием алгоритма Тиле-Геддеса [5]. Число тарелок - 20, № тарелки питания для потока абсорбента - 1, для потока питания - 20. Заданы
стехиометрические данные реакции (3). Степень конверсии базового реагента (диоксида азота) -100%.
Для разработки компьютерной модели полной многостадийной крупнотоннажной технологической схемы производства азотной кислоты из аммиака использовался метод обеспечения сходимости рециклов - метод простых итераций. Также использовано методическое обеспечение блочного компьютерного моделирования крупнотоннажных, энерго- и ресурсоёмких химико-технологических систем, разработанное в работе [6].
Заключение
1. Разработаны и реализованы компьютерные модели аппаратов технологической схемы получения азотной кислоты.
2. Разработана компьютерная модель производства слабой азотной кислоты из аммиака.
3. Намечены пути модернизации данной технологической схемы.
Авторы приносят искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Балояну Бабкену Мушеговичу за научно-методические консультации при проведении данной работы
Список литературы
1. Бесков В. С. Общая химическая технология. М.: «Академкнига». 2005. 452 с.
2. Кафаров В.В. Принципы создания безотходных химических производств. М.: «Химия». 1982. 288 с.
3. Зиятдинов Н. Н. Моделирование и оптимизация химико-технологических систем // Теоретические основы химической технологии. 2017. Т. 51. № 6. С. 613-617.
4. Гартман Т. Н., Советин Ф. С. Аналитический обзор современных пакетов моделирующих программ для компьютерного моделирования химико-технологических систем // Успехи в химии и химической технологии. 2012. Т. 26. № 11 (140). С. 117-120.
5. Гартман Т. Н., Клушин Д. В. Основы компьютерного моделирования химико-технологических процессов. М: «Академкнига», 2008. 415 с.
6. Советин Ф.С., Гартман Т. Н., Шакина Э.А., Шумакова О. П., Царёва Е. В. Алгоритм разработки компьютерных моделей сложных химических производств с применением комплексов моделирующих программ // Химическая промышленность сегодня. № 2. 2018. С. 49-56.
Свойство Входной поток Выходной поток
потока контактного контактного
аппарата аппарата
Температура; С 400 300
Давление; бар 4.5 4.5
Общий расход; 1600 1600
т/час
Массовая доля
компонента;
масс.%
]Нз - -
N2 73.44 73.44
О2 6.73 1.44
N0 9.91 -
]О2 - 15.19
Н2О 9.91 9.91
