Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОЦЕССА КИСЛОТООБРАЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Степовая Н.А. 1 Пешкова Л.В. 1
1 Невинномысский технологический институт (филиал Северо-Кавказского федерального университета)
Показано моделирование существующих точек зрения о лимитирующей процесс кислотообразования реакции [1]. Для изучения влияния температуры на абсорбцию оксидов азота разработана математическая модель, реализованная в программируемой среде MathCAD. Адекватность работы модели проверена на промышленном технологическом режиме установки УКЛ-7. Полученные расчетные зависимости концентрации NOx от температуры на отдельно взятой тарелке имеют экстремальное значение на кривых, причем значение минимума по концентрационным значениям от тарелки к тарелке получается при более низких температурах. Для изучения температурного режима колонны по высоте были исследованы влияния следующих параметров: режим орошения растворами кислоты разной концентрации и объема; температура на тарелках по высоте колонны; температура оборотной воды (летний и зимний режимы). По результатам проведения оптимизации работы узла абсорбции нитрозных газов в производстве неконцентрированной азотной кислоты были сделаны следующие выводы: температура оказывает неоднозначное влияние на кислотообразование при оптимальном значении температуры, находящемся в пределах 20–35 °С, при которой в изотермическом режиме содержание оксидов азота в «хвостовом» газе минимально; при оптимизации температурного режима ведения процесса абсорбции можно добиться повышения концентрации азотной кислоты с одновременным снижением концентрации NOx на выходе из колонны; повышение давление воздействует на процесс положительно, смещая равновесие в прямом направлении.
кислотообразование
абсорбция
нитрозный газ
окисление
NO
NO2
десорбция
газовая фаза
диспропорционирование
жидкостная фаза
отходящие газы
1. Атрощенко В.И. и др. Курс технологии связанного азота. – М.: Химия, 1969.
2. Атрощенко В.И., Каргин С.И. Технология азотной кислоты. – М.: Химия, 1970.
3. Кинетика абсорбционных процессов; под ред. В.И. Атрощенко. – Харьков: Вища школа, 1976.
4. Производство азотной кислоты в агрегатах большой мощности; под ред. В.М. Олевского. – М.: Химия, 1985.
5. Пешкова Л.В., Проскурнин А.Л., Степовая Н.А. Температурный режим процесса кислотообразования в производстве азотной кислоты // Молодежная наука в развитии регионов: материалы Всерос. конф. студентов и молодых ученых с международным участием, Березники, 27 апреля 2011 г. – Пермь: Березниковский филиал Перм. гос. техн. ун-та, 2011. – С. 254–255.
6. Пешкова Л.В., Степовая Н.А., Шаломов О.Ю. Математическое моделирование режима орошения абсорбционной колонны в производстве неконцентрированной азотной кислоты // Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности, образовании и экологии: статья. Всерос. конф. – Тула: Инновационные технологии, 2010. – С. 63–67.

Процесс кислотообразования в результате абсорбции нитрозного газа в производстве неконцентрированной азотной кислоты состоит из большого числа элементарных физико-химических процессов. Тесная связь процесса окисления NO до NO2 и абсорбции оксида азота (IV) растворами азотной кислоты предопределяет необходимость комплексного подхода при изу­чении обеих этих стадий. При реализации этого процесса в промышленности были учтены сведения о лимитирующей реакции. Однако существующие в настоящее время две точки зрения о лимитирующей данный процесс реакции по влиянию факторов противоречат друг другу. С одной стороны, процесс зависит от стадии окисления NO в NO2, с другой – диспропорционирования HNO2 и десорбции образующегося NO [3]. Неверное определение режима протекающих превращений приводит к повышению потерь оксидов азота и снижению концентрации кислоты, получаемой в процессе.

Из литературных источников известно о неоднозначном влиянии температуры на процесс образования азотной кислоты в абсорбционной колонне. Сложный механизм и химизм протекающих процессов ставит перед технологами задачу по определению реакции, лимитирующей весь процесс. Температура положительно влияет на окисление в газовой фазе и отрицательно – в жидкостной [4]. Для изучения влияния температуры на абсорбцию оксидов азота разработана математическая модель, основанная на кинетических зависимостях протекающих физико-химических процессов. Модель реализована в программируемой среде MathCAD. Адекватность работы модели проверена на промышленном технологическом режиме установки УКЛ-7. При изотермическом режиме ведения процесса по высоте колонны наблюдается снижение концентрации оксидов NOx в «хвостовом» газе при температуре, равной 35 °С, зависимость представлена на рис. 1.

Однако изменение температуры на тарелках по высоте колонны может привести к оптимизации всего технологического режима, основной целью которого является получение кислоты более высокой концентрации при одновременном снижении потерь оксидов азота с выхлопными газами. Разработанная математическая модель позволяет провести такой эксперимент.

В результате использования итерационных вычислений получены зависимости изменения суммарных концентраций оксидов азота (NO2 + NO) от температуры на исследуемой тарелке (рис. 2). Расчетные зависимости имеют экстремальное значение на кривых, причем значение минимума по концентрационным значениям от тарелки к тарелке получается при более низких температурах.

pic_45.tif

Рис. 1. Влияние температуры на концентрацию NOx в отходящих газах

pic_46.tif

Рис. 2. Зависимость концентрации NOx от температуры на отдельно взятой тарелке (1-6, 10, 20, 30)

В таблице приведены значения температур, при которых концентрация оксидов азота в «хвостовом» газе достигает своего минимального значения.

Характер кривых и температура, при которой достигается минимальное значение концентрации NOx, остаются постоянными при изменении начальных условий. Однако значение получаемой концентрации NOx зависит от ряда факторов: режима орошения колонны по концентрации и по объему, начальной температуры нитрозного газа на входе в колонну и др. В ходе исследования определено, что фиксирование повышенной температуры в диапазоне 60–80 °С на первой тарелке и понижение ее до 20 °С с 10 тарелки и выше позволяет достичь снижения концентрации NOx в выхлопном газе, что снижает затраты на очистку перед выбросом в атмосферу.

Оптимальный температурный режим колонны

Номер тарелки

1

2

3

4

5

6

10

выше 10

Температура, °С

70

55

50

45

35

25

20

< 20

Такой температурный режим по высоте колонны возможен лишь в зимнее время. При высоких температурах окружающего воздуха охлаждение реакционной массы колонны происходит только до температуры 35 °С.

Для изучения температурного режима колонны по высоте были исследованы влияния следующих параметров:

– режим орошения растворами кислоты разной концентрации и объема (кратность отбора с n-ной тарелки);

– температура на тарелках по высоте колонны;

– температура оборотной воды (летний и зимний режимы).

На рис. 3, а приведены зависимости концентрации NOx от температуры на 30 тарелке в летнее время:

1) проведение охлаждения без изменения промышленного режима;

2) проведение охлаждения с учетом оптимальных температур на тарелках (см. выше);

3) проведение охлаждения с учетом оптимальных температур на тарелках и использования измененного режима орошения (отбор жидкости в отношении 0,4 с 19 тарелки). На рис. 3, б изображены эти же зависимости для зимнего времени года.

Как видно из полученных зависимостей, концентрация оксидов азота в выхлопном газе снижается по сравнению с изотермическим режимом при поддержании оптимального температурного режима на тарелках колонны. При дополнительном внесении изменений в состав и количество абсорбента, подаваемого в процесс абсорбции, можно достичь дополнительного поглощения оксидов растворами неконцентрированной азотной кислоты.

а pic_47.wmf бpic_48.wmf

Рис. 3. Зависимость концентрации NOx в выхлопном газе после абсорбционной колонны от температуры на 30 тарелке в летнее (а) и зимнее (б) время

В летнее время года снижение концентрации оксидов азота в отходящем газе составляет 1,1 и 3,6 % для 2 и 3 режимов исследования соответственно. В зимнее время эти значения составляют 4,6 и 14,4 %. Такие изменения в значениях связаны с тем, что основное количество оксидов азота (80–90 %) превращается в азотную кислоту еще на 10–20 тарелках (рис. 4), поэтому оптимизация температурного режима нижних тарелок существенно изменяет процесс.

Дискуссии о неоднозначности оказываемого влияния давления на процессы, происходящие при хемосорбции нитрозного газа, привели к тому, что разработаны и действуют схемы производства [1, 2], работающие при атмосферном и повышенном давлении, а также комбинированные способы производства. Поэтому одним из факторов, изучаемых на основе математической модели, было давление.

pic_49.tif

Рис. 4. Количество оксидов азота, превращенных в кислоту

Результаты расчета показали, что давление оказывает в целом положительное влияние на абсорбцию оксидов азота, смещая равновесие в прямом направлении. Повышение давления до 0,73 МПа приведет к снижению концентрации оксидов на выходе из абсорбционной колонны до 0,105 % об. Такая характерная кривая зависимости концентрации оксидов азота в выхлопном газе присуща как для оксида азота (II), так и для оксида азота (IV) при рассмотрении математической модели процесса.

По результатам проведения оптимизации работы узла абсорбции нитрозных газов в производстве неконцентрированной азотной кислоты были сделаны следующие выводы:

– температура оказывает неоднозначное влияние на кислотообразование, вследствие чего существует оптимальное значение температуры, находящееся в пределах 20–35 °С, при которой в изотермическом режиме содержание оксидов азота в «хвостовом» газе минимально [6];

– при оптимизации температурного режима ведения процесса абсорбции можно добиться повышения концентрации азотной кислоты с одновременным снижением концентрации NOx на выходе из колонны [5];

– повышение давления воздействует на процесс положительно, смещая равновесие в прямом направлении.

Рецензенты:

Лубенцов В.Ф., д.т.н., доцент, профессор кафедры «Информационные системы, электропривод и автоматика» Невинномысского технологического института (филиал), ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Невинномыск;

Михалев А.А., д.х.н., старший научный сотрудник, профессор кафедры «Технологии наноматериалов» Института электроэнергетики, электроники и нанотехнологий, ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский федеральный университет», г. Ставрополь.

Работа поступила в редакцию 08.04.2013.


Библиографическая ссылка

Степовая Н.А., Пешкова Л.В. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА ПРОЦЕССА КИСЛОТООБРАЗОВАНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-2. – С. 306-309;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31502 (дата обращения: 09.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074