Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

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 –H₂SO₄ – H₂O, 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 N₂O₃, 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.

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^оC. 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 ^ОС 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

 

Показатели	Барботажный концентратор	Трубы Вентури
Топливо, кг	70	44,5
Вода (t=25 ОС)	7	6,5
Эл. энергия, кВт/ч	18	16,6

 

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.

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

Индекс МПК	№№ охранных документов	№№ БИ или ИЗР	Страна выдачи патента	Название изобретения
		1994 год
С01В17/88	2016842	14	РФ	Способ концентрирования H2SO4
С01В21/24	2022917	21	РФ	Способ получения окиси азота
С01В21/26	1102183	6	РФ	Способ окисления аммиака
С01В21/38	2009996	6	РФ	Способ получения азотной кислоты
		1993 год
С01В17/22	1805095	12		Способ регенерации отработанной H2SO4
С01В21/38	1809774	14		Способ снижения содержания оксидов азота в хвостовых газах производства слабой азотной кислоты
		1992 год
С01В21/22	1675202	33	РФ	Способ получения закиси азота
С01В21/26	1636332	11	РФ	Способ очистки газообразного монооксида азота
	1698187	46	РФ	Способ получения могооксида азота
С01В21/24	1650575	19	РФ	Способ двухступенчатого окисления аммиака
С01В21/38	1664740	27	РФ	Способ автоматического управления процессом очистки хвостовых газов от оксида азота
С01В21/40	1668291	29	РФ	Способ переработки окислов азота в неконцентрированную азотную кислоту
		1991 год
С01В21/90	1712304	6	СССР	Способ очистки серной кислоты
С01В17/88	1723030	12	СССР	Способ концентрирования и очистки серной кислоты
		1990 год
С01В21/40	15641114	18	СССР	Способ ректификации смеси "азотная кислота -четырехокись азота"
	1593691	35	СССР	Способ очистки газовой смеси от оксидов азота
С01В21/46	1586997	31	СССР	Способ регенерации отработанной 20-50% азотной кислоты

 

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.

Таблица №5 - Состав тройных смесей

№	Наименование составных частей	Отработанной кислоты	Вытесненной кислоты
1.	Азотная кислота, в %	15-22	15-22
2.	Серная кислота, в %	35-40	35-40
3.	Окислы азота, в %	4-5	0,5-1,0
4.	Вода, в %	33-46	37-49,5

 

4. Слабая серная кислота

Таблица №6 Состав слабой H₂SO₄ должен удовлетворять условиям ГОСТа 1500-78

№	Наименование составных частей	Нормы
1.	Содержание серной кислоты, в %	67-70
2.	Содержание азотной кислоты, в %	0,03

 

Топливо (природный газ)

Природный газ должен соответствовать требованиям по ГОСТ 5542-70

Таблица №7 Технические условия на природный газ

№	Наименование показателей на 100 гр. Газа	Нормы
1.	2.	3.
1.	Содержание сероводорода в гр., не более	2
2.	Содержание аммиака в гр., не более	2
3.	Содержание синильной кислоты в гр., не более	5
4.	Содержание смол и пыли в гр., не более	0,1
5.	Содержание нафталина в гр., не более	10
6.	Содержание кислорода в гр., не более	1

 

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

№	Наименование показателей	норма
		Контактная			Олеум высший
		высший сорт	I сорт	высший сорт			I сорт
1	Внешний вид	Не нормируется		Маслянистая жидкость без механических примесей
2	Массовая доля моногидрата (H2SO4), в %	92,5	94	92,5			94
3	Массовая доля свободного серного ангидрида (SO3) в %, не менее	-	-	24			24
4	Массовая доля железа, не более	0,006	0,015	0,006			0,01
5	Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более	0,02	0,03	0,02			0,03
6	Массовая доля нитросоединений, %, не более	Не нормируется		Не нормируется
7	Массовая доля окислов азота (N2O3), %, не более	0,00005	0,0001	0,0002		0,0005
8	Массовая доля мышьяка (As), %,не более	0,00008	0,00001	0,00008		0,00001
9	Массовая доля хлористых соединений, в %,не более	0,0001	0,0005	Не нормируется
10	Массовая доля свинца (Pb), %,не более	0,001	0,01	0,0001			0,001
11	Прозрачность	Не нормируется		Разбавление
12	Цвет в мл. раствора, сравнение	1	2	Не нормируется

 

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 H₂SO₄. 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%

                                                                    H₂SO₄     46-66%

                                                                    H₂O 18-28%

б) от абсорбционной установки

                                                                    HNO₃     50%

                                                                    H₂O        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%

                                                         H₂SO₄     45%

                                                         H₂O        28%

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

 

2H₂SO₄ + N₂O₃ 2HNSO₅  + H₂O                                                  (1)

 

Пересчитав состав кислот, получим:

HNO₃        -     25%

H₂SO₄        -     45%

H₂O           -     26,1%

N₂O₃          -     0,9%

HNSO₅      -     3%

Всего        -     100%

 

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

- разложение HNSO₅

 

2HNSO₅ + H₂O = 2H₂SO₄ + NO₂                                                                  (2)

 

- разложение HNO₃

 

2HNO₃ 2NO₂ + H₂O + 1/2O₂                                                                                          (3)

2HNO₃  N₂ + H₂O + 2*1/2 O₂                                                                                           (4)

 

- разложение N₂O₃

N₂O₃(газ) NO (газ) + NO₂ (газ)                                                             (5)

 

В колонну ГБХ поступает:

1. Отработанная кислота в количестве 1000 кг,

В том числе:

HNO₃        -     250 кг

H₂SO₄        -     450 кг.

H₂O           -     261 кг.

N₂O₃          -     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% H₂SO₄= 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

H₂O = =0,52 кг

O₂ = =0,46 кг.

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

N₂= =0,81 кг.

H₂O = =0,52 кг.

O₂ = =2,3 кг

в) при разложении N₂O₃ 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):

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	0,81	0,65
O2	2,76	1,93
HNO3	2,42	0,86
Всего	26,58	15,6

 

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 ^ОС, 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:

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
HNO3	2,42	0,86
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
Всего	46,47	31,11

 

 

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

H₂O = , для

v= 30  нм³

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

p=133.3*1.8=239.9 Па

 

 

H₂O =  кг

в объеме v=  нм³

Общий состав газов, поступающих на поглощение:

	g, кг	u, нм3
NO2	13,5	6,87
NO	7,09	5,29
N2	16,02	12,82
O2	7,44	5,21
H2O	0,07	0,057
HNO3	2,42	0,86
Всего	46,54	31,12

 

Таблица №10 - Сводный материальный баланс отделения концентрирования HNO₃

Приход:
1. Отработанная кислота	1000 кг.
2. Купоросное масло	х кг.
3. Перегретый пар	у кг.
4. Воздух через неплотности	19,89 кг.
Итого:	1019,89+х+у
Расход:
1. Слабая H2SO4 70%	(450+х)/0,7 кг.
2. Крепкая HNO3 98%	242,3 кг.
3. Нитрозные газы	46,54 кг.
Итого:	(931,70+х)/0,7

 

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 ^ОС

2. Температура H₂SO₄ 91% - 20 ^ОС

3. Температура отработанной кислоты H₂SO₄ 70% - 170 ^ОС

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

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

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

6. Температура подсасываемого воздуха 20 ^ОС

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 ^ОС

 

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

3) Теплота от H₂SO₄ состоит из физической теплоты  и теплоты разбавления

= +

Физическая теплота определяется по формуле

= = х кДж/(8.4x ккал)

=1,759 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 91% при t=20 ^ОС

Теплота разбавления H₂SO₄ определяется разницей теплот разбавления до 70% и 91%.

Удельная теплота разбавления g= ( ); n=H₂O/H₂SO₄

В H₂SO₄ с массовой долей 91%, моль:

H₂SO₄ = х 0,91/98 = 0,0094 х

H₂O = х 0,09/18 = 0,005 х

n = 0,005 х/0,0094 х =0,53

 

В H₂SO₄ 70% моль:

Примем (450+х)/0,7=z

H₂SO₄=z 0.7/98 = 0,007 z

H₂O = z 0.3/18 = 0,016 z

n = 0,016 z/0.007 z = 2.38

 

Удельная теплота разбавления  H₂SO₄ с массовой долей 100% до 91%:

= =4066,1 (17036,8 )

Уд теплота разбавления  H₂SO₄ 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 ^ОС

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

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

= =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% H₂O , 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% H₂SO₄ при t=150 ^ОС

=( )*2,09*150=201535,71+447,86х кДж

=2,09 кДж/кг град – удельная теплоемкость H₂SO₄ 70%

4) С HNO₃ 98%, уносимой из колонны с t=85 ^ОС 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 ^ОС

=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; H₂O =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; H₂O =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 ^ОС

NO2	13,5*0,75*85=865,92 кДж
NO	7,09*0,996*85=600,2 кДж
N2	16,02*1,04*85=1416,17 кДж
O2	7,44*0,923*85=583,71 кДж

 

H₂O         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

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Отработанная кислота	900	42	1. Крепкая HNO3 98%	242,3	11,3
2. 50% HNO3	100	4,7	2. Слабая HNO3 70%	1852,86	86,5
3. Купоросное масло	847	39,52	3. Нитрозные газы	46,54	2,2
4. Перегретый пар	276,11	12,88
5. Воздух через неплотности	19,89	0,93
Всего:	2143	100	Всего:	2143	100

 

Таблица №12 - Тепловой баланс концентрирования азотной кислоты

Приход		Расход
статьи прихода	КДж	статьи расхода	кДж
1. С отработанной кислотой	199800	1. С парами HNO3 98%	39075,43
2. С перегретым паром	193497,89	2. На испарении HNO3	137040,64
3. Теплота от H2SO4 91%	485336,86	3. С H2SO4 70%	581546,53
4. С HNO3 50% из конденсатора	18705,56	4. С HNO3 98%	39749,32
5. С воздухом	397,8	5. На нагрев воздуха	1392,3
		6. На закрепление слабой HNO3	89017,7
		7. С нитрозными газами	3843,73
		8. В окружающую среду	6072,46
Всего:	897738,11	Всего:	897738,11

 

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

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Отработанная кислота	3714,3	41,97	1. Крепкая HNO3 98%	1000	11,3
2. 50% HNO3	412,7	4,73	2. Слабая HNO3 70%	7654,87	86,5
3. Купоросное масло	3492,48	39,52	3. Нитрозные газы	194,69	2,2
4. Перегретый пар	1138,24	12,88
5. Воздух через неплотности	79,54	0,9
Всего:	8849,6	100	Всего:	8849,6	100

 

2.8 Расчет материального баланса концентрирования H₂SO₄

Исходные данные:

1. Температура кислоты на входе 150 ^ОС

2. Температура кислоты на выходе 250 ^ОС

3. Температура дымовых газов на входе 900 ^ОС

4. Температура дымовых газов на выходе 130 ^ОС

 

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:

H₂SO₄ = SO₂ + H₂O + 1/2O₂

Q_разл = 228900 кДж/кмоль – теплота разложения H₂SO₄. 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:

H₂SO₄ = SO₂  + H₂O + 1/2O₂

 = 98;  = 64

SO_{2 =}  = 1,5 кг.

O₂  =  = 0,38 кг.

H₂O =  = 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 H₂SO₄:

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 ^ОС

 

Q_{1 =} Q_прH_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 ^ОС:

 

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 ^ОС:

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 ^ОС

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 ^ОС.

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 ^ОС 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

газы	м3	кг.
CO2 : 1,27*92,95	118,5	231,87
N2: 24,43*92,95	2270,77	2838,46
O2: 4,03*92,95	374,59	535,13
H2O: 2,68*92,95	249,11	200,17
Всего	3012,52	3805,63

 

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
H2O: +	2249,43	1807,58
H2SO4: *22,4/98	0,53	2,3
Всего	5014,7	5417,22

 

Таблица №16 - Материальный баланс концентрирования серной кислоты

Приход			Расход
статьи прихода	кг	%	статьи расхода	кг	%
1. Газы из топки	3805,63	33,2	1. Газы в аотмосферу	5417,22	46,26
2. Серная кислота 70%	7654,87	66,8	2. серная кислота 91%	6043,72	52,72
			3. Пары серной кислоты	2,3	0,02
Всего:	11460,5	100	Всего:	11460,5	100

 

Таблица №17 - Тепловой баланс концентрирования серной кислоты

Приход		Расход
статьи прихода	КДж	Статьи расхода	кДж
1. С серной кислотой 70%	2617934,76	1. С серной кислотой 91%	2452681,6
2. С дымовыми газами	6423107,92	2. С водяным паром	4399429,15
		3. С дымовыми газами	672179,0
		4. На испарение серной кислоты	1175,76
		5. Теплота разложения	5372,14
		6. С продуктами разложения	171,08
		7. Теплота дегидратации	1446439,52
		8. Потери в окружающую среду	63594,43
Всего:	9041042,68	Всего:	9041042,68

 

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

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

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ОС
на входе	850	230	210	190	175
на выходе	230	210	190	175	160
2. Концентрация H2SO4, %
на входе	88	84	80	75	70
на выходе	92	88	84	80	75
3. Температура H2SO4, ОС	220	200	180	165	150
Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	200	56	16	2,2	0,47
на выходе	960	200	56	16	2,2
5. Пересыщение, S		4,8	3,57	3,5	7,3
6. Критическое состояние, Sкр		4,5	6	7,1	12,27
7. Отношение: S : Sкр		1,07	0,6	0,5	0,6

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

	Ступени концентратора
	1	2	3	4	5
1. Температура газа, ОС
на входе	850	250	210	190	175
на выходе	250	210	190	175	170
2. Концентрация H2SO4, % масс.
на входе	89	85	81	76	70
на выходе	92	89	85	81	76
3. Давление насыщенных паров H2SO4, Па
на входе	250	56	16	2,2	0,47
на выходе	980	250	56	16	2,2
4. Пересыщение, S	3,8	4,5	3,5	7,3
5. Критическое пересыщение, Sкр	4,3	6	7,1	12,27
6. Отношение: S : Sкр	0,88	0,75	0,49	0,59
7. Брызгоунос на 1 кг подаваемой на ступень кислоты	0,319	0,318	0,317	-	-

 

1. Определяем расходы СК на ступенях вихревой колонны

[L_i, (i=1-5)]

L_i=L_i+1* , кг/час

Количество слабой H₂SO₄, поступающей в колонну (из материального баланса) составляет:

L₆= 7654.9 кг, температура кислоты t₆=150 ^ОС, 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 ^ОС, =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 ^ОС, =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 ^ОС, =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 ^ОС, =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 ^ОС, =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 H₂SO₄ на ступенях колонны:

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

По уравнению [5]

Рассчитываем значения критического пересыщения паров H₂SO₄ на ступенях колонны S_кр-S_кр5

Определяем соотношения S_i/ S_крi на ступенях колонны. При

 S_i/S_крi 1 происходит образование тумана H₂SO₄, а при S_i/S_крi <1 – туман не образуется.

Для ступеней колонны, в которых S_i/S_крi 1 из графоаналитического определения числа ступеней концентратора определяем концентрации и температуры серной кислоты, позволяющие достичь S_i/S_крi <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 ^ОС на первую ступень составляет G₁=8934 м³ /ч (состав газа после топки).

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 –7.81Z₁Z₂ - 33.4Z₁Z₃ - 69.37Z₁Z₄ - 72.93Z₂Z₃ - 68.03Z₂Z₄ - 103.58Z₃Z₄ + 3.72Z₁Z₂Z₃ +2.71Z₁Z₂Z₄ + 15.46 Z₁Z₃Z₄ + 31.52 Z₂Z₃Z₄ - 1.5Z₁Z₂Z₃ 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 +} 38 Z₄ -2Z₁Z₃ - 2Z₂Z₃-58Z₃ Z₄+Z₂Z₃ 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_ко²=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_вн²=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 –7.14Z₁Z₂ – 184,01Z₁Z₄ – 403,7Z₁Z₅ - 72.09Z₂Z₄ - 56.8Z₂Z₅ – 2486,54Z₄Z₅ + 8.75Z₁Z₂Z₄ +7.12Z₁Z₂Z₅ + 145,99Z₁Z₄Z₅ + 76,65Z₂Z₄Z₅ – 8,49Z₁Z₂Z₄ 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 +2.09Z₅–0.01Z₁Z₂ – 0.19Z₁Z₃ – 0.11Z₁Z₄ – 0.11Z₁Z₅ – 0.07Z₂Z₃ – 0.05Z₂Z₄ – 0.04Z₂Z₅ – 2.87Z₃Z₄ – 2.91Z₃Z₅ – 1.73Z₄Z₅ + 0.01Z₁Z₂Z₃ +0.01Z₁Z₂Z₅ + 0.15Z₁Z₃Z₄ + 0.14Z₁Z₃Z₅ + 2.37Z₃Z₄Z₅ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₄ – 0.01Z₁Z₂Z₃ Z₅ – 0.11Z₁Z₃Z₄ Z₅ + 0.08Z₁Z₄Z₅ + 0.06Z₂Z₃Z₄ + 0.05Z₂Z₃Z₅ + 0.04Z₂Z₄Z₅ - 0.04Z₂Z₃Z₄ 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*10³кГс

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_шh_шT_{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.

Таблица №20 - название аппаратов и контролируемые параметры

Аппарат	параметры
	Темпе-ратура	давление	расход	уровень	концентрация
Напорные баки				+
Колонна ГБХ	+	+			+
Конденсатор	+
Холодильник	+
Вихревая колонна	+				+
Топка	+		+
Абсорбционные башни	+				+
Нитрозные холодильники	+

 

Таблица №21

Аппарат и параметры		Величина	Вид автоматизации
				регул	сигнал
1.		2.	3.	4.	5.
I	Напорные баки	const, 2 м	+	+
Ia	уровень
II	Конденсатор
IIa	Температура паров азотной кислоты	60-65 ОС	+	+
III	Холодильник
IIIa	Температура подогретой кислоты в зависимости от подачи H2O	30-35 ОС	+	+
IV	Реактор
IVa	Температура подогретой кислоты		+	+
V	Колонна
Va	Температура верха колонны	84-85 ОС	+
Vb	Температура пара в общей магистрали	200-240 ОС	+
Vc	Давление паров общей магистрали		+	+
Vd	Концентрированная HNO3 (98%)		+
Ve	Концентрированная H2SO4 слаб	70%	+
VI	Вихревая колонна
VIa	Концентрированная H2SO4 креп.	92 %	+
VIb	Температура отходящих паров		+	+
VII	Холодильник H2SO4
VIIa	Температура охлажд. H2SO4		+	+
VIII	Топка
VIIIa	Соотношение расходов газа и воздуха		+	+
IX	Абсорбционные колонные
IXa	ПДК отходящих газов		+		+
X	Нитрозные холодильники
Xa	Температура слабых кислот	80 ОС	+	+

 

Описание контуров

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.

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

Позиция	Наименование параметра среды и место отбора пробы	Пред-е значение параметра	Место установки прибора	Наименование и характеристика температуры	Тип модели	Количество			Завод изготовитель	Примечание
						На 1 агр.		На все агр.
1-1, 3-1, 5-1	Уровень в напорном баке	2 м	По месту	Уровнемер буйковый с унифицированным пневматическим сигналом класс точности 1,5%	УПБ-16	1	3		З-д "Теплоприбор" г. Казань
1-2, 3-2, 5-2, 9-2, 13-4, 19-4, 23-4, 35-5, 27-4, 29-4, 31-4, 33-4, 35-4	-"-	-"-	На щите	Вторичный пневматический прибор, предназначенный для записи и показания величины регулируемого параметра и управляющего воздествия. Класс точности 1. Длина шкалы прибоа – 100 мм.	ПВ101П	1	14		"Тизприбор" г. Москва
1-3, 3-3, 5-3, 9-3, 13-5, 19-5, 23-5, 25-6, 27-5, 29-5, 31-5, 33-5, 35-5	-"-	-"-	На щите	Пропорциональноинтегральный регулятор системы "Старт". Предел пропорциональности от 2 до 3000%	ПР3,31	1	14		"Тизприбор" г. Москва
1-4, 3-4, 5-4, 9-4, 13-6, 19-6, 23-6, 25-4, 27-6, 29-6, 31-6, 33-6, 35-6	-"-	-"-	По месту	Электропневматический преобразователь трехходовый	П1ПР5	1	14		Устькаменногорский завод приборов
1-5, 3-5, 5-5, 9-5, 13-7, 19-7, 23-7, 25-8, 27-7, 29-7, 31-7, 33-7, 35-7	-"-	-"-	По месту	Регулирующий клапан с пневомоприводом (для агресивных сред). Условное давление 16 кгс/см2	25г30нт	1	14		Котельниковский агрегатномоторный завод
1-6, 3-6, 5-6, 9-6, 13-8, 19-8, 23-8, 25-9, 27-8, 29-8, 31-8, 33-8, 35-8	-"-	-"-	По месту	Электропневматический преобразователь, предназначен для преобразования сигнала постоянного тока 0-5мА в унифицированный пневматический сигнал 0,2-1 кгс/см2 Основная допустимая погрешность ±1%	ЭПП63	1	14		"Электроприбор" г. Москва
1-8, 3-8, 5-8, 9-8, 25-4	-"-	-"-	По месту	пневмоэлектрический преобразователь для преобразования сигнала. Класс точности 1	ПЭ55М	1	5		г. Чебоксары, з-д "Электроисполнмех-ов"
7-1, 13-1, 23-1, 27-1, 29-1, 31-1, 33-1, 35-1, 19-1	Температура: - подогретой кислоты	80-100 ОС	По месту	Термометр сопротивления. Предел измерений [-2ОС, +250 ОС]. Градуировка 22	ТСП60-97	1	9		Львовприбор" г. Львов
	- Паров HNO3 после конденсатора	30-40 ОС	По месту
	Охлажденной HNO3	30-35 ОС	По месту
7-2, 13-2, 19-2, 23-2, 29-2, 31-2, 33-2, 35-2	Холодильнике - охлажденной HNO3	80 ОС	По месту	Преобразователь измерительный, предназначенный для преобразования сигналов термоэлектрических термометров в унифицированный сигнал постоянного тока 0-45мА. Преобразователь отличается искробезопасным исполнением входных щелей	НПСЛ-1-И	1	9		г. Чебоксары, з-д "Электроисполнмех-ов"
	-"-	-"-	По месту	Электропневматический преобразователь, предназначенный для преобразования сигнала постоянного тока 0-5 мА в пропорциональный унифицированный пневматический сигнал 0,2-1 кгс/см2 .. Осн. Допустимая погрешность ±1%	ЭПП-68	1	8		"Электроприбор" г. Москва
9-1	Давление пара в общец магистрали, поступающей в днище колонны	Не >0,7атм.	По месту	Пружинный манометр общего назначения	ОБМ1-60	1	1		Манометрический завод г. Томск
11-1	Температура пара в общей магистрали	140-240 ОС	По месту	Термоэлектрический термометр. Матириал электродов – хром. Пределы измерения 50-60 ОС	ТХК 0515	1	1		Приборостроительный завод, г. Луцк
12-1	Температура верха колонны	85-90 ОС	По месту	Термометр сопротивления. Предел измерения: [-50 ОС, +250 ОС], град 20,22. Материал – платина	ТСП60-97	1	1		Львовприбор" г. Львов
11-2	Температура верха колонны	140-240 ОС	По месту	Прибор измеряющий, нормированный. Предназначен для преобразования сигналов термоэлектрических термометров, датчиков ЭДС и термометров соспротивления в унифицированные сигналы постоянного тока. Предел измерений 0-5мА	НПТЛ-14	1	1		г. Чебоксары, з-д "Электроисполнмех-ов"
11-3, 12-3	-"-	-"-	На щите	Вторичный прибор автоматический, потенциометр стандартный одноточечный измеряющий и регистрирующий. Оснащен полупроводниковым усилителем	КСП-4	1	2		"Теплоприбор" г. Челябинск
15-1	Нагрузка колонны (количество продукционной HNO3)	3,4 гк/ч	По месту	Ротаметр с пневматической дистанционной передачей	РПД	1	1
15-2	-"-	-"-	По месту	пневмоэлектрический преобразователь (преобразователь пневмосигнала 0,2-1 кгс/см2 в электрический сигнал 0-5 мА. Класс точности 1	ПЭ55М	1	1		г. Чебоксары, з-д "Электроисполнмех-ов"
15-3	-"-	-"-	На щите	Вторичный пневматический прибор (показание, запись)	ПВ 1,3	1	1		"Тизприбор" г. Москва
18-1	Концентрация H2SO4	98%	По месту	Концентратометр предназначен для непрерывного измерения концентрации	КСО-У	1	1		Опытный завод УНИхим г.Свердловск
18-2	-"-	-"-	По месту	Измерение, запись величин, преобразуемых с помощью датчиков в напряжение постоянного тока.	КСМ-3	1	1		"Теплоприбор" г. Челябинск
18-3	-"-	-"-	По месту	Вторичный самопишущий прибор. Класс точности 1	Пв4.2 П	1	1		"Тизприбор" г. Москва
25-1, 25-2	Оотношение природного газа и воздуха в топке	1:6	По месту	Стандартные сужающие устройства: диафрагма камерная Dy=16кгс/см2 , усл. проход = 80 мм.	ДК16х80	2	2		"Теплоконтроль" г. Казань
25-3	-"-	-"-	На щите	Вторичный самопишущий прибор (запись, показ, управляющее воздействие)	ПВ 102П	1	1		"Тизприбор" г. Москва

Таблица №23

Наименование производственного помещения	Класс по ПУЭ	Класс са-нитарной зоны по СН245-71	Категория по НПБ 105-95
1.	2.	3.	4.
Абсорбционное отделение	В-1б	V	Б (взрывопожароопасная)
Отделение серной кислоты	П-IIа	VI	В1-В4 (пожароопасная)
Отделение азотной кислоты	П-IIа	VI	В1-В4 (пожароопасная)

 

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

 

Наименование веществ	Токсичность	Способы обезвреживания, первая помощь	ПДК, класс опасности по ГОСТ 12.1007-76
1.	2.	3.	4.
I. HNO3 – азотная кислота	При попадании на кожу человека вызывает сильные ожоги. Дым, содержащий туман HNO3, раздражает верхние дыхательные пути, вызывает коньюктивит и поражает роговицу глаз.	При попадании на кожу человека, смыть водой, нейтрализовать. Вывести на свежий воздух и вызвать скорую помощь, HNO3, пролитую на пол, следует смыть водой	ПДК паров HNO3 в воздухе рабочей зоны производственных помещений 2мг/м3. По ГОСТ 12.100776 ССБТ относится к III классу опасности (умеренно-опасные)
II. H2SO4 - серная кислота регенерированная	По характеру токсического действия на организм человека H2SO4 относится к раздражающей группе веществ. При попадании на кожу вызывает сильные долго не заживающие раны (ожоги), образование нарывов, язв. Мелкие брызги при попадании в глаза могут привести к потере зрения. Вдыхание концентрированных горячих паров может привести к потере сознания и тяжелому поражению легочной ткани.	То же самое, что и для HNO3, но H2SO4, пролитую на пол, нейтрализуют гашеной известью.	ПДКр.з.-1мг/м3 По ГОСТ 12.100776 ССБТ относится к III классу опасности (умеренно-опасные)
III. Нитрозные газы (окислы азота)	Токсичны. По характеру токсического действия на организм человека окислы азота относятся к раздражающей группе веществ. Вдыхание окислов азота в малых концентрациях вызывает раздражение дыхательных путей, при длительном воздействии хронические заболевания. Вдыхание окислов азота в больших концентрациях вызывает отек легких и отравление.	В случае отравления пострадавшего немедленно вести на свежий воздух и вызвать скорую помощь	ПДКр.з.NO=5мг/м3 По ГОСТ 12.100776 ССБТ относится к III классу опасности (умеренно-опасные)

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]

Рабочее место	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц.		Уровни звука и эквивалентные уровни звука дБ
	500	100
Помещение управления, рабочие комнаты	63	55	60
Постоянные рабочие места	83	80	85

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

Категория работ	Время года	Температура воздуха, ОС		Относительная влажность, %		Скорость движения воздуха, м/с
		Оптим.	Допустим.	Оптим.	Допустим.	Оптим.	Допустим.
I a	Теплый	20-23	19-25	60-40	75	0,2	0,2
	Холодный	16-18	15-20	80-85	95	0,2	0,2

 

Отопление паровое. Расчетная температура парового воздуха – 18 ^ОС, поверхность нагретых частей системы =70 ^ОС. 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 ^ОС, полы бетонные.

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

Таблица №2 7 - Типы противопожарных преград

Противопожарные преграды	Минимальный предел огнестойкости, ч
1. противопожарные двери и окна (материал дверей – дерево с глубокой пропиткой антипиреном и дополнительной защитной термоизоляцией) количество дверей – 4 шт.	1,2
2. Противопожарные зоны – колонны (500x500 мм.)	2,5
- противопожарные перегородки	0,25
2. Противопожарные перекрытия для отделения зон Б от В по НПБ 105-95 (материал – дерево, покрытое труднолетучими материалами)	1

 

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).

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).

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

 

 

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 ^ОС)

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"

Таблица №28 - Расчет капитальных затрат на здания и сооружения

Наименования зданий и сооружений	Ед. изм.	Строит. объем	Сметная стоимость
			Единичн.	общая	Норма %	Сумма, руб.
Здания	м3			665438,5	1,7	11312,4
Сооружения	м3			188596,7	5	9429,8
ИТОГО:				854035,2		20742,2

 

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

Наименования зданий и сооружений	Ед. изм.	Количество единиц	Сметная стоимость		Амортизационные отчисления
			Единичн.	общая	Норма %	Сумма, руб.
I. Технологическое оборудование	шт.
1. Хранилища кислот	шт.	3	25603,8	76811,4	11	8449,3
2. Насосы для перекачки кислот	шт.	9	5219,8	49978,2	9	4228,04
3. Напорные баки	шт.	4	4079,1	16316,4	1	1994,8
4. Холодильники	шт.	5	12270,2	61351,2	8	4908,1
5. Конденсатор	шт.	1	37316,9	37316,9	8	2985,4
6. Сборник HNO3	шт.	2	134045,8	268091,6	8	21447,33
7. Абсорбер	шт.	4	51149,1	102299,6	7	7160,9
8. Топка	шт.	1	101468,3	101468,3	9	91332,15
9. Подогреватель	шт.	2	50734	101468,3	9	9132,15
10. Теплообменник	шт.	1	37316	37316	8	2985,3
11. Вихревая колонна	шт.	1	302778,7	302778,7	9	27250,1
12. колонна ГБХ	шт.	1	190039,9	190039,9	9	17103,6
13. Вентилятор	шт.	2	1303,8	2607,6	7	182,5
14. Нитрозный вентилятор	шт.	1	1090,2	1090,2	7	76,3
ИТОГО:	шт.			1345934,3		116790,95
II. Неучтенное оборудование 10%	%			134593,4	8,4	11305,8
III. Электросиловое оборудование	%			67296,7	10	6729,7
IV. КиПиА, 20%	%			269186,9	12	32302,4
V. Трубопроводы, 15%	%			201890,1	10	20189
ВСЕГО:				2018901,4		187317,85

 

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

Наименования зданий и сооружений	Ед. изм.	Количество единиц	Сметная стоимость		Амортизационные отчисления
			Единичн.	общая	Норма %	Сумма, руб.
I. Технологическое оборудование
1. Хранилища кислот	шт.	4	25603,8	102415,2	11	11265,7
2. Насосы	шт.	14	5219,8	73077,2	9	6576,4
3. Напорные баки	шт.	4	4079,1	16316,4	11	1794,8
4. Холодильники	шт.	4	15337,8	61351,2	8	4905,2
5. Конденсатор	шт.	1	37316,9	37316,9	8	2985,4
6. Сборник HNO3	шт.	1	134045,8	134045,8	8	10723,7
7. Абсорбер	шт.	4	51149,1	204596,4	7	14327,8
8. Топка	шт.	1	101468,3	101468,3	9	9132,1
9. Подогреватель	шт.	2	50734	101468	9	9132,1
10. Теплообменник	шт.	1	37316	37316	8	2985,3
11. Барботажный концентратор	шт.	1	43404	43404	8	3472,3
12. Электрофильтр	шт.	1	74321	74321	8	5945,7
13. Колонна ГБХ	шт.	2	190039,9	380073,8	9	34206,6
14. Нитрозный вентилятор	шт.	1	1090,2	1090,2	7	76,3
15. Вентилятор	шт.	1	1303,8	1303,8	7	91,27
16. Эжектор	шт.	2	49873	99746	9	8977,1
ИТОГО:	шт.			1469310,2		119505,7
II. Неучтенное оборудование 10%	%			146931,02	8,4	12342,2
III. Электросиловое оборудование	%			73465,5	10	7346,6
IV. КиПиА, 20%	%			293862	12	35263,4
V. Трубопроводы, 15%	%			220396,5	10	22039,3
ВСЕГО:				2203965,3		212721,5

 

 

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

Наименования зданий и сооружений	Проект, руб	%	Аналог, руб.	%
Здания	665438,5	23,2	665438,5	21,76
Сооружения	188596,7	6,5	188596,7	6,17
Оборудование	2018901,4	70,3	2203965,3	72,6
ИТОГО:	854035,2	100	3058000,5	100

 

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

Показатели	4-бригадный график, 7-часовой рабочий день, 8-часовая смена
	Дни	Часы
1. Календарный фонд рабочего времени	365	2920
2. Выходные дни	91	728
3. Праздничные дни	-	-
4. Номинальный фонд рабочего времени	274	2192
5. Продолжительность отпуска	24	192
6. Выполнение гос. обязательств	2	16
7. Невыходы, регламентированные заводом	8	64
8. Отработка до нормы	-	--
9. Эффективный фонд рабочего времени	240	1920

 

Таблица №33 - Численность основных производственных рабочих

Наименование профессии	Разряд	Численность рабочих
		Сменная	Явочная	Списочная
1.	2.	3.	4.	5.
1. Аппаратчик концентрирования H2SO4	5	1	3	5
2. Аппаратчик концентрирования HNO3	5	1	3	5
3. Аппаратчик абсорбции	5	1	3	5
4. Аппаратчик перекачки	4	1	3	5
5. Аппаратчик подготовки полуфабрикатов	4	1	3	5
6. Аппаратчик промывки цистерн	4	1	3	5
ИТОГО:		6	18	30

 

Таблица №34 - Вспомогательные рабочие (деж. персонал)

Наименование профессии	Разряд	Численность рабочих
		Сменная	Явочная	Списочная
1.	2.	3.	4.	5.
1. Слесарь-ремонтник 1 участка	6	1	3	5
2. Слесарь-ремонтник 2 участка	6	1	3	5
3. Слесарь КИПа	5	1	3	5
4. Слесарь – монтер 1 участка	5	1	3	5
5. Слесарь – монтер 2 участка	6	1	3	5
ИТОГО:		5	15	25
Всего по цеху		11	33	55

 

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

Наименование категорий и должностей	Численность	оклад в месяц, руб.	годовой фонд по окладам, руб	премия 50%, руб	Т.Ф.З.П. руб
1.	2.	3.	4.	5.	6.
I ИТР
I1 Начальник цеха	1	1100	13200	6600	19800
I2 Технолог	1	1000	12000	6000	18000
I3 Старший мастер 1 участка	1	700	8400	4200	12600
I4 Старший мастер 2 участка	1	720	8640	4320	12960
I5 Мастер 1 участка	2	1300	31200	15600	46800
I6 Мастер	2	1300	31200	15600	46800
I7 Инженер по организации и планированию	1	550	6600	3300	9900
I8 Энергетик	1	750	9000	4500	13500
I9 Механик	1	750	9000	4500	13500
II Служащие
II1 Табельщик	1	500	6000	3000	9000
II2 Экономист	1	550	6000	3000	9000
III МОТ
III1 Уборщица	2	400	9600	4800	14400
ИТОГО:	15				227160

 

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)

наименование силового и технологического электрооборудования	ед. мощ-ности, кВт	кол-во единиц, шт	суммарная мощность, кВт	Эффективный фонд работы оборудования, Тэф	Теоретическая потребность в эл.энергии, кВтч
I Двигатели
I1 к нитрозному вентилятору	6,7	1	6,7	8040	53,9
I2 Хвостовой вентилятор	13	1	13	8040	104,5
I3 Насосы	8	9	72	8040	578,9
I4 Газодувка	14,5	2	29	8040	233,2
I5 Воздуходувка	250	2	500	8040	4020
ИТОГО:					4990,5
II Неучтенное оборудование 20%					998,1
ВСЕГО:					5988,6

 

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)

наименование силового и технологического электрооборудования	ед. мощ-ности, кВт	кол-во единиц, шт	суммарная мощность, кВт	Эффективный фонд работы оборудования, Тэф	Теоретическая потребность в эл.энергии, кВтч
III Двигатели
III1 к нитразоновентилятору	6,7	1	6,7	8040	53,9
III2 Хвостовой вентилятор	13	1	13	8040	104,5
III3 Насосы	8	9	72	8040	578,9
III4 Газодувка	14,5	2	29	8040	233,2
III5 Воздуходувка	250	2	500	8040	4020
III6 Высоковольтный электроагрегат	250	1	250	8040	9600
ИТОГО:					14590,5
IV Неучтенное оборудование 20%					2918,1
ВСЕГО:					17508,6

 

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

наименование статей	по проекту, руб	по аналогу, руб.	методика расчета
II Содержание оборудования и транспортных средств
II1 Заработная плата вспомогательных рабочих	390113,85	390113,85
II2 Отчисления в соц.страхование	156045,54	156045,54	40% от величины сметной стоимости оборудования
II3 Вспомогательные материалы	60567,04	66118,96	3% от величины сметной стоимости оборудования
III Текущий ремонт оборудования и транспортных средств	50472,5	55099,1	2,5% от величины сметной стоимости оборудования
IV Амортизация оборудования и транспортных средств	187317,9	212721	из таблицы
V Капит. ремонт оборудования и транспортных средств	100945,1	110198,3	5% от величины сметной стоимости оборудования
ИТОГО:	945461,93	990296,75
VI Прочие расходы	189092,38	198059,35	2о% от ИТОГО
ВСЕГО:	1134554,3	1188356,1

 

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

Статьи затрат	Сумма, руб	Методика расчета и укрупнения нормы проекта
I Содержание цехового персонала	227160	ЗП ИТР, МОП, служащих
II Отчисления на соц. страхование	90864	40% от статьи
III Текущий ремонт зданий и сооружений	17080,7	2% стоимости зданий и сооружений
IV Амортизация зданий и сооружений	20742,2	из таблицы
V Содержание зданий и сооружений	34161,4	4% стоимости зданий и сооружений
VI Капитальный ремонт зданий и сооружений	8540,3	1-2% стоимости зданий и сооружений
VII Охрана труда и техника безопасности	2134,31	по заводск. дан.
ИТОГО:	400682,9
VIIIПрочие цеховые расходы	40068,9	10% от ИТОГО
ВСЕГО:	440751,19

На калькуляционную единицу:

 

ВСЕГО/В_г=440751,19/32000=13,77 руб/т

 

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

Статьи затрат	ед. изм.	цена за ед-цу	По проекту		По аналогу
			расходн. коэф-т	сумма, руб	расходн. коэф-т	сумма, руб
I Материальные затраты
I1 Сырье и материалы
а) HNO3	т.	319,6	1,0487	335,2	1,0487	335,2
б) H2SO4	т.	83,7	2,1149	177,01	2,1149	177,01
I2 Возвратные отходы
а) купоросное масло	т.	100,98	2,0724	209,3	2,0724	209,3
ИТОГО по ст. I:				302,96		302,96
II Топливо и энергия на технол. цели
а) топливо	кг	0,246	880	216,48	880	216,48
б) электроэнергия	квт/ч	0,260	163	42,3	475	123,5
в) пар	гКал	70,15	2,5	175,4	2,5	175,4
г) вода	м3	1,436	246	353,3	246	353,3
ИТОГО по ст. II:				787,6		868,7
III Зарплата с отчислениями
а) З.П. осн. рабочих	руб/т			12,58		12,58
б) отчисления на соц. страхование	руб/т			5,03		5,03
ИТОГО по ст. III:				17,61		17,61
IV Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования	руб			35,45		37,14
V Цеховые расходы	руб			13,77		13,77
Цеховая себестоимость				1157,39		1240,18

 

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

Показатели	ед. изм.	по проекту	по аналогу	в % к аналогу
I Годовой выпуск продукции в натур. выражении	т	32000	32000	100
II Общая сумма капит. вложений	руб	3303877	3516701	106
III Удельные капитальные вложения	руб	103300	109900	106
IV Численность работающих
всего	чел	70	70	100
в том числе рабочих	чел	55	55	100
V Производительность труда
а) одного работающего	т/чел	457	457	100
б) одного рабочего	т/чел	582	582	100
VI Среднегодовая З.П.
а) одного работающего	руб	31716,70	31716,70	100
б) одного рабочего	руб	14416,68	14416,68	100
VII Себестоимость ед-цы продукции	руб	1510113	1584734	108
VIIIУдельные приведенные затраты	руб	1522509	1597922	108

 

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 H₂SO₄ снизилась на при сохранении численности персонала.

Проект экономически целесообразен.

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 –H₂SO₄ – H₂O, 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 N₂O₃, 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.

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^оC. 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 ^ОС 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

 

Показатели	Барботажный концентратор	Трубы Вентури
Топливо, кг	70	44,5
Вода (t=25 ОС)	7	6,5
Эл. энергия, кВт/ч	18	16,6

 

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.

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

Индекс МПК	№№ охранных документов	№№ БИ или ИЗР	Страна выдачи патента	Название изобретения
		1994 год
С01В17/88	2016842	14	РФ	Способ концентрирования H2SO4
С01В21/24	2022917	21	РФ	Способ получения окиси азота
С01В21/26	1102183	6	РФ	Способ окисления аммиака
С01В21/38	2009996	6	РФ	Способ получения азотной кислоты
		1993 год
С01В17/22	1805095	12		Способ регенерации отработанной H2SO4
С01В21/38	1809774	14		Способ снижения содержания оксидов азота в хвостовых газах производства слабой азотной кислоты
		1992 год
С01В21/22	1675202	33	РФ	Способ получения закиси азота
С01В21/26	1636332	11	РФ	Способ очистки газообразного монооксида азота
	1698187	46	РФ	Способ получения могооксида азота
С01В21/24	1650575	19	РФ	Способ двухступенчатого окисления аммиака
С01В21/38	1664740	27	РФ	Способ автоматического управления процессом очистки хвостовых газов от оксида азота
С01В21/40	1668291	29	РФ	Способ переработки окислов азота в неконцентрированную азотную кислоту
		1991 год
С01В21/90	1712304	6	СССР	Способ очистки серной кислоты
С01В17/88	1723030	12	СССР	Способ концентрирования и очистки серной кислоты
		1990 год
С01В21/40	15641114	18	СССР	Способ ректификации смеси "азотная кислота -четырехокись азота"
	1593691	35	СССР	Способ очистки газовой смеси от оксидов азота
С01В21/46	1586997	31	СССР	Способ регенерации отработанной 20-50% азотной кислоты

 

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.