способ получения нитрата аммония и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения нитрата аммония, включающий нейтрализацию азотной кислоты газообразным аммиаком под атмосферным давлением при температуре 130-140°C с упариванием раствора за счет тепла нейтрализации, отличающийся тем, что нейтрализацию азотной кислоты осуществляют в потоке с раствором нитрата аммония путем внутренней принудительной циркуляции с параллельным упариванием раствора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упаривание раствора ведут при разряжении 0,003-0,004 МПа.

3. Устройство для получения нитрата аммония, содержащее цилиндрический корпус с днищем и штуцерами для вывода раствора, замера уровня и давления, крышку со штуцером отвода сокового пара, отличающееся тем, что внутри корпуса на некотором расстоянии от днища смонтирован узел нейтрализации, содержащий два концентрично установленных стакана, сообщающихся между собой двумя рядами отверстий, во внутреннем стакане внизу у днища наружного стакана и вверху у присоединительного фланца внутреннего стакана вверху во внутреннем стакане установлен трубчатый реактор, выполненный в виде эжектора со штуцерами для подвода азотной кислоты и газообразного аммиака, корпус которого снабжен отверстиями для входа раствора в смесительную камеру реактора, разделительную воронку, которая установлена без зазора к нижнему фланцевому соединению реактора и закреплена во внутреннем стакане, узел упаривания раствора, содержащий две глухие тарелки с переливными бортами, установленные одна над другой между корпусом устройства и наружным стаканом узла нейтрализации таким образом, что переливной борт верхней тарелки расположен вблизи корпуса устройства и на уровне осей верхних отверстий во внутреннем стакане узла нейтрализации, а переливной борт нижней тарелки - вблизи наружного стакана узла нейтрализации.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что стаканы узла нейтрализации внутри и снаружи снабжены продольными ребрами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области получения щелоков аммиачной селитры и может быть использовано в производстве минеральных удобрений.

Известен способ получения щелоков аммиачной селитры, включающий нейтрализацию 40-60% азотной кислоты аммиаком при температуре 180-190°С в объемных соотношениях 1:2-1:20 до рН - 6,0-6,5, упаривание образовавшегося раствора аммиачной селитры под вакуумом от концентрации 24-44% до 60-65%. Способ применяется для разложения огранических примесей, содержащихся в побочных продуктах производства капролактама, позволяет перевести неустойчивые формы соединения нитратов в стабильную форму, вспениваемость на стадии упаривания понижается. [Ас. СССР №490750, МКИ С 01 С 1/18, опубл. 05.11.75 БИ, №41].

В способе не предусмотрено использование тепла реакции нейтрализации, получают готовый продукт низкой концентрации.

Известен способ получения раствора аммиачной селитры и водяного пара, включающий нейтрализацию предварительно подогретой до 135°С азотной кислоты концентрацией 57-60% аммиаком с температурой 135°С при повышенном давлении 2-6,5 кГ/см² и температуре 170-190°C с получением сокового пара и разбавленного раствора аммиачной селитры, который доупаривают дросселированием до атмосферного давления или продувкой потоком предварительно подогретого аммиака, образование водяного пара в теплообменнике за счет тепла реакции нейтрализации. Теплообменник размещен в зоне нейтрализации, соковый пар после зоны нейтрализации направляют на подогрев исходных реагентов. Способ осуществляют по схеме, включающей теплообменники и реактор-нейтрализатор со встроенным котлом-утилизатором, испаритель сокового пара, дросселирующее устройство, аппарат очистки сокового пара, концентратор, линии подачи исходных промежуточных реагентов и выдачи продукционных потоков. Способ обеспечивает получение водяного пара с давлением (9-12)*10² кПа. Полученный раствор аммиачной селитры используется для производства комплексонных азотосодержащих удобрений или гранулированной аммиачной селитры в грануляторах с кипящим слоем [2. А.с. СССР №1372853, МКИ С 01 С 1/18, опубл. 30.11.84].

Недостатком способа является снижение безопасности процесса за счет установки внутри реактора котла-утилизатора и введения в реактор пароаммиачной смеси.

Известно устройство для получения 64-65% раствора аммиачной селитры нейтрализацией 50% азотной кислоты, подогретой до 50°С газообразным аммиаком с температурой 60-80°С и давлением 0,3-0,4 МПа при атмосферном давлении, выполненное в виде вертикального цилиндрического резервуара, содержащее внутренний реакционный стакан, снабженный в нижней части прямоугольными окнами и закрытый сверху крышкой; устройство для подачи аммиака снабжено отверстиями, направленными вверх, и установлено внутри стакана, немного выше прямоугольных окон; устройство для подачи азотной кислоты снабжено отверстиями, направленными вниз, и установлено выше устройства подачи аммиака; гидравлический затвор типа «стакан в стакане» с центральным отводящим патрубком, установлен вне центрального стакана в верхней его части; сепаратор, соединенный с патрубком гидрозатвора за пределами аппарата немного выше реакционного стакана; штуцер для отвода сокового пара на крышке аппарата [3. Е.Я.Мельников, Справочник азотчика, М, Химия, 1969 г., с.136].

Недостатком устройства является низкий процент использования тепла реакции нейтрализации на упаривание получаемого раствора аммиачной селитры 64-65%.

Близким по решаемой задаче является реактор гетерогенного катализа, содержащий вертикальный цилиндрический корпус с торцевыми крышками, технологическими патрубками ввода и вывода материальных потоков, внутренние реакционные трубы, размещенные вдоль и прикрепленные к верхней и нижней трубным доскам, концентрично установленные центральные перфорированные по всей длине трубки внутри реакционных трубок и заглушенные на концах по ходу потока газа, входную и выходную камеры, расположенные, соответственно, над и под трубными досками и ограниченные торцевыми крышками, пространства между центральными и реакционными трубками заполнены частицами твердого катализатора [4. А.с. СССР №1699584, опуб. 23.12.91, БИ №47].

Недостатком реактора является низкая концентрация получаемого раствора и низкая эффективность процесса нейтрализации из-за проскоков непрореагировавшего с азотной кислотой аммиака, большая энергоемкость процесса, связанная с необходимостью дополнительного охлаждения нитрата аммония после реактора и большая металлоемкость, связанная с расположением центральных трубок по всей длине реакционных зон.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ получения нитрата аммония в трубчатом реакторе для проведения экзотермических реакций путем нейтрализации азотной кислоты аммиаком при температуре 170-180°С под давлением, понижение давления в образовавшемся растворе нитрата аммония до давления испарения, упаривание раствора с использованием тепла нейтрализации от раствора, циркулирующего со стадии нейтрализации по контуру, причем количество циркулирующего раствора подбирают из условий поддержания заданных режимов температуры и давления стадии нейтрализации, согласно способу нейтрализацию 50-56 мас.% азотной кислоты в потоке раствора теплоносителя проводят в трубчатом реакторе под давлением 0,6-0,7 МПа, например, 64-75 мас.% раствора щелоков аммиачной селитры по замкнутому контуру: реактор-теплообменник-сепаратор-насос-реактор. Реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус с торцевыми крышками, технологическими штуцерами и теплообменные элементы, внутренние реакционные трубы, которые размещены вдоль и прикреплены к трубным доскам. В трубах концентрично установлены центральные перфорированные трубки, заглушенные на концах по ходу газового потока, входную и выходную камеры, ограниченные трубными досками и торцевыми крышками, вход реакционных потоков в реакционные трубы осуществляют через центральные трубки (аммиак) из входной камеры и из распределительной камеры (смесь раствора с кислотой), образованной обечайкой, трубной доской реакционных трубок, реактор дополнительно снабжен узлом смешения кислоты с раствором [5. Патент РФ №2146653, опуб. 20.03.2000, бюл №8].

Недостатком является большая металлоемкость, связанная с необходимостью создания внешнего циркуляционного контура: насос-реактор-теплообменник-сепаратор (узел упаривания)-насос и технологические трубопроводы с запорной арматурой и недостаточное использование тепла нейтрализации.

В основу изобретения поставлена задача более полного использования тепла реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, получение более концентрированного раствора аммиачной селитры (75% при 50% азотной кислоте), снижение металлоемкости и упрощение схемы в аппаратурном исполнении.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения нитрата аммония, включающем нейтрализацию азотной кислоты газообразным аммиаком под атмосферным давлением при температуре 130-140°C с упариванием раствора за счет тепла нейтрализации, согласно изобретению нейтрализацию азотной кислоты осуществляют в потоке с раствором аммиачной селитры путем внутренней принудительной циркуляции с параллельным упариванием раствора, а упаривание раствора ведут при разряжении 0,003-0,004 МПа. В устройстве для получения нитрата аммония, содержащем цилиндрический корпус с днищем и штуцерами для вывода раствора, замера уровня и давления, крышку со штуцером отвода сокового пара, согласно изобретению внутри корпуса на некотором расстоянии от днища смонтирован узел нейтрализации, содержащий два концентрично установленных стакана, сообщающихся между собой двумя рядами отверстий, во внутреннем стакане внизу у днища наружного стакана и вверху у присоединительного фланца внутреннего стакана, вверху во внутреннем стакане установлен трубчатый реактор, выполненный в виде эжектора со штуцерами для подвода азотной кислоты и газообразного аммиака, корпус которого снабжен отверстиями для входа раствора в смесительную камеру реактора, разделительную воронку, которая установлена без зазора к нижнему фланцевому соединению реактора и закреплена во внутреннем стакане, узел упаривания раствора, содержащий две глухие тарелки с переливными бортами, установленные одна над другой между корпусом устройства и наружным стаканом узла нейтрализации таким образом, что переливной борт верхней тарелки расположен вблизи корпуса устройства и на уровне осей верхних отверстий во внутреннем стакане узла нейтрализации, а переливной борт нижней тарелки - вблизи наружного стакана узла нейтрализации, при этом стаканы узла нейтрализации внутри и снаружи снабжены продольными ребрами.

Введение процесса принудительной многократной циркуляции в узле нейтрализации с параллельным поэтапным упариванием раствора на тарелках позволяет получить концентрированный раствор аммиачной селитры (до 75%).

Выполнение стаканов узла нейтрализации с внутренними и наружными продольными ребрами, позволяет улучшить процесс теплообмена между получаемым раствором в узле нейтрализации, упаренным раствором в узле нейтрализации и упаренным раствором после тарелок.

Вся совокупность предлагаемых технологических и конструктивных решений позволяет обеспечить надежную работу в оптимальном режиме и получить 75% раствор аммиачной селитры нейтрализацией 50% азотной кислоты газообразным аммиаком и значительно снизить энергетические затраты на производство гранулированной аммиачной селитры.

Предлагаемый способ получения 75% раствора азотных удобрений и устройство для его осуществления схематически изображены на чертежах.

На фиг.1 продольный разрез в вертикальной плоскости устройства.

На фиг.2 поперечный разрез А-А по фиг.1.

На фиг.3 увеличенный узел М трубчатого реактора по фиг.1.

Способ получения 75% раствора аммиачной селитры поясняется фиг.1, где представлено устройство и (тонкой линией с двумя рисками и стрелками указан путь циркуляции получаемого раствора).

Устройство содержит корпус 1 с коническим днищем 2 со штуцером 3 для отвода получаемого раствора, штуцеры 4 и 5 для замера уровня в устройстве, конусную крышку 6 со штуцером 7 для отвода сокового пара, два стакана 8 и 9, концентрично установленные по центру корпуса 1 при помощи ребер 10 на днище 2 и сообщающиеся между собой через отверстия 11 и 12 во внутреннем стакане 9 вверху возле присоединительного фланца 13 и внизу у днища 14 наружного стакана 8, во внутреннем стакане сверху по центру установлен трубчатый реактор 15 в виде эжектора со штуцерами 16 и 17 для подвода газообразного аммиака и азотной кислоты, причем корпус реактора 15 снабжен отверстиями 18 и 19 для входа в реактор (эжектор) 15 циркулирующего раствора аммиачной селитры в смесительную камеру 20. Внутренний стакан 9 снабжен конусной воронкой 21, установленной без зазора по отношению к фланцевому соединению 22 реактора 15 и делит внутренний стакан 9 на две изолированные полости 23 и 24, причем полость 24 в 2-3 раза меньше полости 23. Устройство снабжено двумя глухими тарелками 25 и 26 с переливными бортами и установленные между наружным стаканом 8 и корпусом 1 таким образом, что переливной борт верхней тарелки 25 расположен снаружи вблизи корпуса 1 на уровне оси отверстий 11 во внутреннем стакане 9, а переливной борт нижней тарелки 26 расположен вблизи наружного стакана 8, причем верхняя тарелка 25 снабжена тремя патрубками 27 для перепуска сокового пара с нижней тарелки 26 в сторону штуцера 7, а нижняя - тремя отверстиями 34 для удаления щелоков при остановке устройства, сетчатой насадкой 28 для улавливания тумана аммиачной селитры, образованного при вскипании раствора. Корпус 1 устройства снабжен штуцером 29 для замера разряжения и двумя ремонтными люками 30 и 31. Наружный и внутренний стакан 8 и 9 снабжены продольными ребрами 32 внутри и снаружи для улучшения теплообмена между раствором, заключенным в стаканах 8 и 9 и упаренным раствором, находящемся в корпусе 1.

Наружный стакан 8 в центре днища снабжен отверстием 33 для слива при остановке производства.

Способ получения 75% раствора аммиачной селитры нейтрализацией 50% азотной кислоты газообразным аммиаком в устройстве для его осуществления производится следующим образом.

Вначале через штуцер 17 подается 75% раствор аммиачной селитры в трубчатый реактор 15 до тех пор, пока произойдет заполнение стаканов 8 и 9 до уровня осей отверстий 11 во внутреннем стакане 9 и начнется перелив раствора через борт верхней тарелки 25 на нижнюю тарелку 26, после чего в штуцер 17 подают азотную кислоту, а в штуцер 16 - газообразный аммиак под давлением 0,3-0,4 МПа. Газообразный аммиак, двигаясь с большой скоростью через смесительную камеру 20 вниз в нижнюю полость 23 внутреннего стакана 9 засасывает через отверстия 18 и 19 раствор аммиачной селитры из верхней полости 24, а через штуцер 16-50% азотную кислоту. В смесительной камере 20 происходит смешение раствора аммиачной селитры и азотной кислоты газообразным аммиаком с последующей нейтрализацией и образованием нового раствора аммиачной селитры, который движется вниз к отверстиям 12, перетекает в стакан 8 и движется вверх, где разделяется на два потока, по одному из которых раствор попадает сначала на верхнюю тарелку 25, где вскипает, упаривается и далее на нижнюю тарелку 26, продолжая кипеть, упариваться и затем переливается на уровень раствора в корпусе 1 аппарата, где также дополнительно упаривается и через штуцер 3 выводится из устройства на внешнюю доупарку, второй поток через верхние отверстия 11 внутреннего стакана 9 через отверстия 18 и 19 реактора 15 - в оросительную камеру 20 и процесс повторяется.

Движущей силой принудительной циркуляции раствора в стаканах 8 и 9 является кинетическая энергия потока газообразного аммиака под давлением 0,3-0,4 МПа, поступающего в реактор 1.

В результате циркуляции раствора аммиачной селитры через реактор 15, стакан 9, стакан 8, стакан 9, реактор 15 происходит теплообмен при помощи ребер 32 между упаренным раствором, заключенным в корпусе 1 устройства, который подогревается, и циркулирующий раствор в стаканах 8 и 9 охлаждается и таким образом обеспечивается более безопасный процесс в трубчатом реакторе, кроме того, трубчатый реактор 15 омывается снаружи циркулирующим раствором. Температура раствора аммиачной селитры от зоны нейтрализации в реакторе 15 до выхода из устройства через штуцер 3 поддерживается в пределах 135-110°С.

Таким образом, предлагаемый способ получения нитрата аммония и конструкция устройства для его осуществления позволяет вести процесс нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с образованием щелоков аммиачной селитры в достаточно безопасном режиме, так как процесс ведется без давления с принудительной циркуляцией раствора аммиачной селитры за счет кинетической энергии газообразного аммиака, поступающего в реактор, и обеспечивается надежный теплообмен между циркулирующими и упаренными щелоками, а также позволяет снизить металлоемкость и упростить схему в аппаратурном исполнении.