CC BY
171Энерго- и ресурсосбережение в производстве аммиачной селитры Ульянова М. А.1, Василенко В. И.2, Зволинский В. П.3
'УльяноваМария Александровна / Ulyanova Maria Aleksandrovna — бакалавр, направление: энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, Российский университет дружбы, народов; 2Василенко Валерий Иванович / Vasilenko Valeriy Ivanovich — генеральный директор, ООО «ГРАНИНВЕСТ»;
3Зволинский Валентин Петрович / Zvolinski Valentin Petrovich — доктор химических наук, профессор, кафедра экологического мониторинга и прогнозирования, экологический факультет, Российский университет дружбы народов, г. Москва
Аннотация: в статье выполнен тепловой расчет производства аммиачной селитры и предложены мероприятия для увеличения энерго- и ресурсосбережения производства.
Ключевые слова: энерго- и ресурсосбережение, аммиачная селитра, энергоэффективность, тепловой баланс, диверсификация.
Для оценки эффективности технологических процессов используют уравнения материального и энергетического (теплового) балансов [1].
Тепловой расчет процесса нейтрализации
Приход тепла определяется как сумма количеств тепла, вносимого NH3 и HNO3, и тепла, выделяющегося при реакции нейтрализации.
Тепло, вносимое реагентом, рассчитывали по формуле (1):
Q=mct, (1)
где m - масса вещества, кг; с - средняя теплоемкость этого вещества, кДж/(кгград) [2]; t -температура, °С. Результаты расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1. Расчет тепла, вносимого аммиаком и азотной кислотой
Теплоноситель Масса вещества, m, кг Теплоемкость, с, ккал/кг • град Температура t, °С Тепло, Q ккалЧас
Газообразный NH3 11980 0,52 50 311 480
HNO3 45867 0,649 20 595 356,6
Тепло нейтрализации на 1 моль образующегося нитрата аммония определяется исходя из уравнения реакции:
HNO3 • 3,95 Н2О(ж) + NH3(r) = NH4NO • 3,95Н20(ж), (2) где HNO3 • 3,95 Н2О соответствует 58 %-ной HNO3.
Тепловой эффект Q3 данной реакции складывается из теплоты растворения азотной кислоты в воде:
HNO3 + 3,95 Н2О = HNO3 • 3,95 Н2 (3) Теплоты образования твердого NH4NO3 из 100 % -ной азотной кислоты и 100 %-ного аммиака:
HNO3 (ж) + NH3W = NH4NO3 (ТВ) (4) Теплоты растворения NH4N03 в воде с учетом использования тепла реакции на концентрирование раствора NH4NO3 от 52,5 % (NH4N03 3,95 Н2О) до 64 % (NH4NO3 • 2,5Н2О):
NH4N03 + 2,5 H2O = NH4N03 • 2,5H2O (5) Тепловой эффект реакции (6) получаем интерполяцией значений, приведенных в табл. 2.
Таблица 2. Теплота растворения 1 моля HNO3 в n молях воды [2]
n молей H2O
1,0 2,0 3,0 5,0 10,0 20,0 25,0
Концентрация HNO3, % 77,7 62,2 53,8 41,2 25,9 14,9 12,3
Теплота растворения HNO3, кал/моль +3180 +4780 +5690 +6670 +7310 +7460 +7500
Для принятых условий процесса теплота растворения НЫ03 q1 равна - 6200 кал/мол. Знак минус означает, что в аппарат вводится уже разбавленная кислота, и теплота растворения (НЫ03 + 3,95 Н20) не вносит вклад в тепловой эффект процесса нейтрализации.
Тепловой эффект реакции (6) определяется как разница теплоты образования нитрата аммония и суммы теплот образования МНзд и НЫ03 (ж) (табл. 3).
Таблица 3. Теплота образования при 18°С и 1 атм.[2]
Вещество ДО„,., кал/г-мол
Жз (г) 11040
Ы^з(ж) 41700
МИ4Шз (тв) 87200
Отсюда тепловой эффект реакции (8), в соответствии с законом Гесса [3], составит:
= - (6) Ад2 = 87 200 - (11 040 + 41 700) = 34 460 кал/моль
Расчет по данным таблицы 4 показал, что теплота растворения нитрата аммония qз (реакция (8)) равна - 3730 кал/моль.
Таблица 4. Теплота растворения 1 моля NH4NOз и п моля воды [2]
п молей Н20
1,0 2,0 3,0 5,0 10,0 20,0 25,0
Концентрация NH4NO3, % 64,0 59,7 47,1 30,7 18,15 15,05 2,17
Теплота растворения, кал/ моль - 3730 - 4130 -4440 - 5070 -5500 -5570 -6320
Растворение нитрата аммония в воде происходит с поглощением тепла, поэтому теплота растворения учитывается в тепловом балансе со знаком минус, концентрирование же раствора аммиачной селитры протекает с выделением тепла (таблицы 5, 6).
HNOз • 3,95 ^(ж) + КИ3(г) = • 2,5 И^ + 1,45 Ы^ (7)
Таблица 5. Суммарный тепловой эффект Q} реакции нейтрализации (9) в аппарате ИТН
41 42 кал/моль
Реакция нейтрализации 6200 34460 -3730 24 530
Таблица 6. Тепло реакции нейтрализации при производстве аммиачной селитры
Масса, т, кг Тепловой эффект, 2, кал/моль Молекулярная масса, М, г/моль Тепло реакции, Ор, ккал/ч
1000 24530 80 306 625
59634,3 24530 80 18 285 175
В процессе нейтрализации азотной кислоты аммиаком потери тепла обусловлены удалением раствора NH4NOз, испарением воды из раствора и тепловыми потерями в окружающую среду.
Таблица 7. Тепло Q', уходящее с раствором аммиачной селитре
Расход нейтрализации, кг/ч Потери аммиака и азотной кислоты, кг/ч Теплоемкость 64 %-ного раствора ]]Н4]]03 tкun 64 %-ного раствора аммиачной селитры, °С. Q', ккал/ч
59634,38 530,8 0,61 118,7°С 4 394 808
Температуру кипения раствора определяем при давлении в аппарате 1,15-1,2 атм (табл. 7).
При этом давлении температура насыщенного водяного пара равна 103°С, а при атмосферном давлении температура кипений 64 %-ного раствора аммиачной селитры равна 115,2°С [2]. Температурная депрессия:
Д; = 115,2 - 100 = 15,2 °С (8) Температуру кипения 64 %-ного раствора №Н^03 определяем по формуле: 1кип = ^нас.пара + Д*П = 103+15,2^1,03 = 118,7°С, (9) где п - коэффициент температурной депрессии при любом давлении, при 103° он равен 1,03.
Количество сокового пара, m, кг Теплосодержание сухого пара при 1,2 атм Q'', ккал/ч
20 894 635 13 267 690
Общий часовой расход тепла в процессе нейтрализации составит:
йрас = Q'+Q" = 17 662 498 ккал/кг (10) Разность между приходом и расходом тепла соответствует величине потерь тепла в окружающую среду:
0>ос = 0.пр — 0.рас (11)
Эта величина составляет около 8 % от общего расхода тепла, что согласуется с практическими данными. Результаты теплового расчета процесса нейтрализации представлены в таблице 9.
Таблица 9. Тепловой баланс процесса нейтрализации
Приход тепла Количество тепла, ккал/ч Расход тепла Количество тепла, ккал/ч
С NH3, Q, 311480 С раствором N№(N03, 0' 4 394 808
С HNO3, Q2 595356,6 С соковым паром, 0" 13 267 690
Тепло реакции нейтрализации, Qпр 18 285 275 Потери в окружающую среду, <2„с 1 529 613,6
Итого 19 192 111,6 Итого 19 192 111,6
Расчет энергетического баланса производства 1 т АС показал, что расход тепла почти равен его приходу. При этих условиях достигается необходимая по стандарту концентрация раствора аммиачной селитры 99,5 %. Затраты энергии составляют 2801,4 МДж, при этом тепловые потери при производстве аммиачной селитры снижены с 12,3 % до 11,7 % (табл. 10).
Таблица 10. Энергетический баланс на 1 т аммиачной селитры.
Приход тепла Расход тепла
Источник тепла Тыс. ккал МДж Канал потерь Тыс. ккал МДж
С азотной кислотой при 20 °С 12,9 54,01 Селитра аммиачная при 45 °C 24,5 102,6
С газообразным аммиаком при 20 °С 26 108,86 Выхлоп ПВС, t = 55 °C, в т. Ч
С магнезиальной добавкой при 50 °С 0,9 3,77 Соковый пар 438 1833,82
С водяным паром Р = 1,5 Мпа, г = 250 °С 200 837,4 Воздух 120 502,42
С химочищенной водой при 1=30 °С 3,3 13,8 Паровой конденсат 32,4 135,65
Тепло химических реакций 386 1616,1 Всего 592,9 (88,6 %) 2482,7 (88,6 %)
Воздух атмосферный 40 167,47 Потери тепла через стенки башни, аппаратов, труб 76,11 (11,4 %) 318,6 (11,4 %)
Всего 669,1 (100 %) 2801,4 (100 %)
Энерго- и ресурсосбережение при производстве аммиачной селитры на предприятии АО «ФосАгро-Череповец» осуществляются в рамках схемы диверсификации и сводится к следующим основным мероприятиям.
Внедрение нового оборудования позволяет более полно использовать сырьё и продукты технологического процесса.
Использование аксиально-радиальной насадки колонны синтеза аммиака позволит увеличить степень превращения исходной азотоводородной смеси в аммиак за один проход колонны синтеза аммиака [4]. В результате годовая производительность колоны увеличится на 16 500 т в год, экономия природного газа составит на 49,8 м3 на тонну. Работы по модернизации выполняются по договору с фирмой «Ammonia Casale».
Увеличение производительности компрессора обеспечит экономию природного газа 31,1 м3 на тонну аммиака.
В технологическом процессе получения аммиачной селитры природный газ используется как сырьё для получения аммиака и азотной кислоты как источник энергии. В процессе диверсификации производства возрастает потребление природного газа как сырья, при этом образуется большее количество побочных продуктов, которые могут служить топливом [5].
В производстве аммиака образуются продувочные и танковые газы, содержащие водород (до 60 % об.), природный газ (до 11 % об.), аммиак и инертные вещества, которые используются в смеси с природным газом в качестве топлива.
Одним из наиболее эффективных путей совершенствования технологии синтеза аммиака является утилизация продувочных газов и извлечение из них водорода [6]. Это позволит снизить расходный коэффициент по природному газу и содержание оксидов азота в дымовых газах печи первичного риформинга, а также сократить энергетические затраты на процесс производства аммиака. Модернизация предусматривает строительство двух установок выделения водорода - на агрегате ТЕС и АМ-76.
Модернизация системы регенерации раствора «Карсол» позволит уменьшить расход пара, нагрузку на систему отпарки технологического конденсата, что позволит увеличить производительность и снизить расход топлива. Изменение направления синтез-газа с нагнетания компрессора синтез-газа в колонну синтеза аммиака исключает вторичную конденсацию аммиака, что позволит увеличить степень превращения исходной азотоводородной смеси в аммиак за один проход колонны синтеза аммиака и уменьшить нагрузку на аммиачно-холодильную установку, и снизить расход природного газа на 9,97 м3 на тонну.
Снижение расхода пара приведет к уменьшению производства пара и обеспечит экономию природного газа в количестве 43,6 м на тонну аммиака. Это также позволит утилизировать дополнительное количество тепла циркуляционного газа и дымовых газов печи первичного риформинга, что снизит расход природного газа на 18,6 м3 на тонну аммиака; расход тепла на процесс, снижение выбросов аммиака и метанола в атмосферу; и позволит использовать отпарной конденсат в качестве питательной воды для системы парообразования, сэкономить природный газ в количестве 12 м3 на тонну аммиака [7].
Повышение энергоэффективности в пределах завода позволит увеличить производительность на 30-40 % (до 2000-2200 т/сут). Внедрение наилучших доступных технологий обеспечит снижение количества выбросов дымовых газов с использованием их в качестве теплоносителей в технологической схеме.
Литература
1. Общая химическая технология. Примеры материальных и тепловых балансов. Учебное пособие. Л., СЗПИ, 1969. 256 с.
2. Техническая энциклопедия. Справочник физических, химических и технологических величин. Т VII, 1931. 271 с.
3. Расчеты химико-технологических процессов. Под ред. И. П. Мухленова. Л., «Химия», 1976. 299 с. (Бесков).
4. Автоматизация производственных процессов в химической промышленности / Голубятников В. А., Шувалов В. В. - М.: «Химия», 1985. 352 с.
5. Totally Integrated Automation in Agrochemicals and Fertilizer. Siemens AG. [Электронный ресурс]. URL: www.siemens.com/chemicals/fertilizer (дата обращения: 20.02.2016).
6. Майорова Е. С. Оптимизация потребления энергоресурсов на предприятии. / Майорова Е. С., Ошурков В. А., Цуприк Л. С., Бубер М. Г. // ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова, 2015.
7. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. Reference document on best available techniques for energy efficiency. ISBN 978-5-902194-37-8. 2009.
