Установка получения оксидов азота для производства азотной кислоты
Изобретение относится к промышленному абсорбционному производству азотной кислоты. Установка включает плазмохимическую камеру с корпусом 1, совмещенным с корпусом 6 теплообменника для охлаждения выходных газов и подогрева сырьевой смеси, и узел разбавления выходных газов. Узел разбавления выполняется с возможностью подсоса атмосферного воздуха. Указанная возможность осуществляется тремя конструктивными исполнениями: через свободный стык-разрыв в сплошности трубопровода, где подающая торцевая часть 14 выполнена, например, с меньшим диаметром, а приемная 15 с большим; через, по меньшей мере, два патрубка на перегородке, скрепленной с торцевой частью 14 подающего трубопровода, размещенных в торцевой части 15 приемного трубопровода; через инжекторную камеру с двумя перегородками и патрубками с каналами подсоса через общий штуцер. Инжекторная камера узла разбавления атмосферного воздуха может быть встроена в корпус 6 теплообменника кожухотрубчатого типа в виде форкамеры. Установка является простой, позволяет уменьшить расход электроэнергии при снижении установленной мощности газодувки, снизить расход напорного воздуха, повысить результативность теплообмена между сырьевой смесью и выходными газами. 11 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к разделу неорганической химии, где используются электрофизические методы активации химических реакций, а именно к установкам прямого получения (синтеза) оксида азота (NO) (I) при воздействии электрических разрядов на газовую смесь азота (N2) с кислородом (O2) или воздуха (смесь N2 плюс O2) с кислородом (O2) при последующем доокислении до (NO2)(II) и абсорбционном производстве азотной кислоты.
За установку-аналог принята экспериментальная установка с непрерывным циркуляционным циклом получения оксидов азота и производства азотной кислоты, содержащая смесительный сосуд для соединения сырьевых газов, и следующие за ним - плазмохимическую камеру; теплообменник и аппарат соединения выходного газа с водяной фазой. Отмеченные аппараты предназначены для получения оксидов азота прямым окислением в (квази)равновесной плазме, образуемой электродуговым разрядом, и использованы для электросинтеза крепкой азотной кислоты из воздуха, кислорода и воды. Описание установки - в работе Еремина Е.Н. «Элементы газовой электрохимии», М., изд-во МГУ, 1968, стр.73, Рис.25. Установка-аналог (рассматривается только блок получения и подготовки оксидов азота, как достаточный для представления заявляемого решения) включает: смесительный сосуд, затем - реактор - плазмохимическую камеру и последовательно включенный (за плазмохимической камерой) теплообменник водяного охлаждения.
Работа установки-аналога заключается в следующем. Из смесительного сосуда с циркуляционным газом (циркуляционный газ находится в смесительном сосуде в любой момент времени работы установки) и добавленными сырьевыми компонентами газовая смесь направляется в плазмохимическую камеру. (Регуляторами на подаче кислорода и воздуха производят регулировку состава смеси, добиваясь, чтобы на входе в плазмохимическую камеру газовая смесь по азоту с кислородом имела эквимолярное содержание). В плазмокамере поступившая газовая смесь «проталкивается» через квазиравновесное электродуговое пространство, заключенное в узком канале длиной около 1000 мм. Войдя в канал, смесь переходит в активное плазмохимическое состояние, инициирующее первичную-основную реакцию прямого окисления азота с образованием из части газового сырья монооксида или окиси азота (NO) (I), в соответствии с зависимостью:
0,5N2+0,5O2↔NO,
и с последующим образованием двуокиси азота - NO2 (II) при охлаждении:
NO+0,5O2=NO2 (II).
В процессе образования двуокиси азота NO2(II) участвует только кислород, сохранившийся в потоке после первичной реакции образования (NO) (I).
Готовый продукт (NO) (I) совместно с непрореагировавшей частью смеси газов, а также продуктами побочных реакций после прохождения канала по всей длине, выводится в штуцер вывода реакционных продуктов у другого торца плазмокамеры и направляется в трубное пространство теплообменника охлаждения, в межтрубное пространство которого подается охлаждающая вода. Монооксид азота в трубном пространстве, как было отмечено выше - при охлаждении, окисляется до двуокиси азота NO2 (II) и далее направляется в технологический процесс получения крепкой азотной кислоты.
К недостаткам установки-аналога для получения оксидов азота прямым окислением, применительно к использованию в промышленных условиях поточного-непрерывного синтеза в плазме, следует отнести усложнение схемы получения готового продукта, связанное с введением промежуточного дополнительного теплоагента - воды. В установке (в схеме) отсутствует наиболее простой - прямой теплообмен - отбор тепла у потока выходных газов с готовым продуктом для подогрева потока входной сырьевой смеси газов. Точнее, отсутствует теплообменник для наиболее выгодной прямой передачи тепла от выходных газов к сырьевой смеси.
Наиболее близким по технической сущности решением, принятым за прототип, является установка для проведения плазмохимической реакции синтеза-получения оксида азота (NO) (I) в плазмообразующих электрических разрядах в небольших количествах для медицинских целей, включающая плазмохимическую камеру, совмещенную с теплообменником, и узел разбавления готового продукта, где принята наиболее выгодная прямая передача тепла от выходных газов с готовым продуктом, к сырьевой смеси газов, описанная в патенте США US 6296827 B1, приоритет от 2001 г. 10.02. Наиболее близким вариантом установки является версия, отраженная на Фиг.3, где реактор каталитического восстановления монооксида азота, установленный после плазмокамеры, одновременно выполняет и функцию теплообменника.
Принятая за прототип установка включает плазмохимическую камеру для проведения реакции синтеза оксида азота в плазмообразующих электроразрядах, у которой корпус совмещен с корпусом теплообменника, т.е. состоит из двух отсеков. Внутри цилиндрического корпуса совмещенного аппарата по центральной оси размещен стержень с выполненным внутри осевым каналом подачи сырьевой смеси (в крайнюю точку - в начало исходного движения сырьевой смеси). Причем, в центральной части отсека, являющегося плазмокамерой, стержень (с осевым каналом для подачи сырьевой смеси в торец плазмокамеры) совмещен со стержневым излучателем. Т.е. стержень с каналом одновременно является и стержневым излучателем-электродом, скрепленным с одним из торцовых днищ (с днищем, закрывающим торец плазмокамеры) через изолятор. Другими словами, канал выполнен внутри электрода. В части электрода, приближенной к торцовому днищу-изолятору, выполнены отверстия, соединяющие внутренний осевой канал с внутренним пространством плазмокамеры. В отсеке, являющемся теплообменником, стержень с каналом для движения исходной сырьевой смеси - это просто расположенный по центральной оси прямолинейный участок трубопровода. Отсеки в совмещенном корпусе, составляющие плазмокамеру и теплообменник, образованы разделительной поперечной перегородкой, выполненной с перфорацией. (Стержень с каналом подачи сырьевой смеси пропущен через перегородку насквозь). Вывод выходных газов с готовым продуктом осуществлен через перфорацию разделительной перегородки во внутреннее пространство теплообменника. (В более точном представлении выходной газ, образующийся на выходе из плазмокамеры, состоит не только из готового продукта, но и содержит не прореагировавшие и побочные продукты реакционного плазмохимического взаимодействия). Второе торцевое днище, ограничивающее внутренний объем теплообменника, служит для крепления штуцеров подвода сырьевой смеси и отвода выходных газов к совмещенному аппарату. Т.е. второе днище скреплено: со штуцером вывода выходных газов с готовым продуктом и штуцером - линией ввода сырьевой смеси. Линия ввода сырьевой смеси выполнена в виде единого стержня - (с каналом подачи сырьевой смеси) трубопровода, размещенного внутри теплообменного отсека, и стержня, совмещенного с электродом - внутри плазмокамеры. Приторцовое размещение отверстий для выхода сырьевой смеси из канала в плазмокамеру не только обеспечивает выход сырьевого газа в плазмокамеру, но и вместе с размещением штуцера вывода выходных газов с готовым продуктом на втором днище конструктивно задает изменение направления движения потока сырьевой смеси газов в совмещенном корпусе прототипа (Фиг.3) на прямо противоположное. Установка оснащена узлом разбавления выходных газов с готовым продуктом, выполненным в виде байпасной - обводной перемычки для направления части потока исходной сырьевой смеси от газодувки на разбавление потока выходных газов с готовым продуктом.
Работа конструкции, принятой за прототип, заключается в следующем. По штуцеру ввода сырьевой смеси газов во внутренний канал сначала наружного трубопровода, затем участка проходящего внутри теплообменника, затем - стержневого электрода сырьевая смесь поступает в совмещенный аппарат. Через отверстия на конце электрода у днища с изолятором сырьевая - исходная смесь газов азота с кислородом (N2+O2) или воздуха с кислородом попадает во внутреннее пространство плазмокамеры и разворачивается для движения в обратном направлении. Включают генератор высокого напряжения. Между центрально расположенным излучателем и металлической поверхностью плазмокамерного отсека цилиндрического корпуса образуются высоковольтные электрические разряды, сливающиеся в общее электроразрядное пространство, сквозь которое в направлении, обратном направлению внутристержневого - осевого потока сырьевой смеси, движется активируемая смесь в плазмокамере. Причем смесь, поступившая в электроразрядное пространство, переходит в активное плазмохимическое состояние, инициирующее реакцию образования NO (I). (Формула химической реакции та же, что и приведена для аналога). После прохождения всей длины плазмокамеры готовый продукт - окись азота NO совместно с непрореагировавшей частью смеси газов, а также продуктами побочных реакций выводится через перфорацию разделительной перегородки и затем (через внутренний объем теплообменника) в штуцер вывода выходных газов с готовым продуктом. Имеющимся в отсеке теплообменника встречным движением потоков: холодной сырьевой смеси внутри участка осевого трубопровода (перед реакцией) и горячего выходного газа с готовым продуктом (после реакции) снаружи участка осевого трубопровода осуществлен прямой, без промежуточных потерь, теплообмен между ними, что наиболее выгодно. При охлаждении выходных газов с оставшимся кислородом развивается реакция образования двуокиси азота NO2 (II), т.е. NO(I)+0,5O2=NO2(II), однако, в схеме прототипа она подавляется одновременным присутствием в теплообменнике катализатора и обратным каталитическим восстановлением на нем двуокиси азота NO2 (II) до окиси NO (I).
После выхода из теплообменника поток выходных газов с готовым продуктом разбавляется частью потока исходной сырьевой смеси, направляемой в выходные газы с готовым продуктом по обводной - байпасной перемычке. (В конструкции прототипа, предназначенной для получения в медицинских целях воздушной смеси с определенным содержанием окиси азота(NO)(I), разбавление производится для достижения необходимого состава смеси по содержанию окиси азота).
Недостатком конструкции прототипа является повышенный расход электроэнергии на подачу сырьевой смеси из-за увеличения общего расхода сырьевой смеси на величину дополнительно примешиваемой к готовому продукту части, а значит, и установленной мощности газодувки. Другим недостатком является усложнение системы регулирования из-за разветвления потока сырьевой смеси. В условиях получения технической окиси азота необходимости в использовании замкнутых потоков сырьевой смеси с профильтрованным - очищенным воздухом нет. К тому же на схеме Фиг.3 с совмещенными плазмокамерой и теплообменником реализован не результативный теплообмен, т.к. сырьевая смесь проходит теплообменник всего по одной центрально расположенной трубе. Основной параметр теплообмена - поверхность теплообмена - минимальна.
Целью предлагаемого технического решения является упрощение установки - системы регулирования за счет исключения обводной - байпасной перемычки, а значит и исключение разветвления потока сырьевой смеси. Уменьшение расхода электроэнергии при снижении установленной мощности газодувки. Снижается потребный расход напорного воздуха с исключением обводной - байпасной перемычки и разбавлением потока выходных газов с готовым продуктом не за счет работы газодувки, а путем подсоса атмосферного воздуха механической энергией движения потока. Повышение результативности теплообмена между сырьевой смесью и выходными газами.
Указанная цель достигается тем, что в установке получения оксидов азота для производства азотной кислоты, включающей плазмохимическую камеру, теплообменник для охлаждения выходных газов и подогрева сырьевой смеси, а также узел разбавления выходного продукта, узел разбавления выполнен с возможностью подсоса атмосферного воздуха. Узел разбавления с возможностью подсоса атмосферного воздуха выполнен в виде свободного стыка двух торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга с осевым зазором, причем торцевая часть подающего трубопровода выполнена с меньшим диаметром, а приемного - с большим. В узле разбавления, выполненном в виде свободного стыка торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга, подающий трубопровод меньшего диаметра частично размещен внутри приемного большего диаметра. В свободном стыке торцевые части трубопроводов большего и меньшего диаметров, размещенные напротив друг друга, снабжены конусными переходами. В торцевую часть подающего трубопровода вварена перегородка с присоединенными к, по меньшей мере, двумя осевыми патрубками, размещенными внутри торцевой части приемного трубопровода на длину, не превышающую половины его диаметра, причем общая длина патрубков составляет не менее трех диаметров патрубков, а зазор между краями торцевых частей - не менее десятой части диаметра приемного трубопровода. Свободный стык торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга, помещен в герметичную рубашку, снабженную штуцером для соединения с атмосферным воздухом. Узел разбавления выходного продукта подсосом атмосферного воздуха выполнен в виде вставленной в трубопровод инжекторной камеры со штуцером на корпусе для соединения межпатрубкового пространства с атмосферным воздухом. Корпус инжекторной камеры демонтирован, а межпатрубковым пространством инжекторной камеры является атмосферный воздух. Узел разбавления размещен между плазмохимической камерой и теплообменником. В случае размещения узла разбавления в виде инжекторной камеры перед принятым теплообменником кожухотрубчатого типа и направлении потока выходных газов в его трубное пространство инжекторная камера выполнена в виде форкамеры, образованной введением в теплообменник дополнительной перегородки, причем межтрубное пространство камеры соединено с атмосферным воздухом. К штуцерам инжекторной камеры или рубашки, соединяющим внутреннее пространство полостей с атмосферой, присоединена регулирующая арматура. В случае, если теплообменник выполнен единым корпусом с плазмохимической камерой, он снабжен внутренней спиральнонавитой трубой для потока выходных газов, выполненной как продолжение штуцера вывода выходных газов в плазмохимической камере, причем другой конец спиральнонавитой трубы соединен с узлом разбавления с возможностью подсоса атмосферного воздуха.
Предложенное решение иллюстрируется Фиг.1÷8.
На Фиг.1 представлена схема плазмокамеры, совмещенной с теплообменником, и узел разбавления выходных газов подсосом атмосферного воздуха через свободный стык торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга с осевым зазором.
На Фиг.2 приведен фрагмент теплообменника с узлом разбавления, где свободный стык торцевых частей двух трубопроводов, размещенных напротив друг друга, с подающим трубопроводом меньшего диаметра, частично размещенным внутри приемного трубопровода большего диаметра.
На Фиг.3 - тот же фрагмент, что и по Фиг.2, только торцевые части трубопроводов, размещенных напротив друг друга, снабжены конусными переходами для увеличения инжекции воздуха.
На Фиг.4 изображен фрагмент свободного стыка, с вваренной перегородкой и присоединенными к перегородке тремя осевыми патрубками, размещенными внутри торцевой части приемного трубопровода. Длина внутреннего размещения - не больше 0,5D приемного трубопровода. Общая длина патрубков составляет не менее трех диаметров патрубков d, а зазор между торцами - не менее 0,1D.
На Фиг.5 изображен фрагмент теплообменника со свободным стыком торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга и помещенных в герметичную рубашку.
На Фиг.6 представлен фрагмент узла разбавления в виде вставленной в трубопровод инжекторной камеры с штуцером на корпусе для соединения межпатрубкового пространства с атмосферным воздухом.
На Фиг.7 приведен фрагмент узла разбавления с инжекторной камерой, где к штуцеру подсоса атмосферного воздуха присоединена регулирующая арматура.
На Фиг.8 показана схема, где после плазмокамеры установлена инжекторная камера, выполненная в виде форкамеры перед теплообменником кожухотрубчатого типа.
Узел разбавления на фигурах условно размещен в пунктирной рамке.
Предложенная конструкция установки получения оксидов азота для производства азотной кислоты состоит из: плазмохимической камеры с корпусом 1 и днищем 2. (Подробно конструкция плазмохимической камеры описана в патенте ОАО «КуйбышевАзот» - РФ №2357922.) В днище 2 через изолятор 3 вставлен-закреплен стержневой излучатель 4, присоединенный к генератору электромагнитных импульсов (не показано) силовым кабелем 5. Корпус 1 плазмокамеры заземлен (не показано). В варианте на Фиг.1; 2; 3; 5; 7 корпус 1 плазмокамеры совмещен с корпусом 6 теплообменника. Внутренняя спиральнонавитая труба 7 корпуса 6 теплообменника выполнена как продолжение штуцера 8 - вывода выходных газов плазмокамеры. В варианте по Фиг.8 корпус 1 плазмокамеры и корпус 6 теплообменника выполнены раздельно. Варианты по Фиг.4 и 6 могут использоваться и к совмещенному и к несовмещенному исполнениям корпусов 1 и 6 установки. К корпусу 1 плазмокамеры присоединен штуцер 9 подачи подогретой смеси сырьевых газов тангенциальным вводом. Штуцер 10 - вывод подогретой сырьевой смеси из теплообменника 6. Штуцер 11 - ввод холодной сырьевой смеси в теплообменник 6. Трубопровод 12 - вывод разбавленных выходных газов с готовым продуктом из установки в варианте по Фиг.8. По Фиг.1 в совмещенном исполнении корпуса 1 плазмокамеры и корпуса 6 теплообменника штуцер вывода выходных газов с готовым продуктом из плазмокамеры и штуцер ввода в корпус 6 теплообменника совмещены внутри корпусов 1 и 6 и потому на Фиг.1 имеют одно обозначение 8. Штуцер 13 вывода выходных газов с готовым продуктом из корпуса 6 теплообменника по Фиг.1 на разбавление соединен с торцевой частью 14 трубопровода в узле разбавления, выполненном в виде свободного стыка. Узел разбавления на фигурах условно обведен пунктирной рамкой. Зазор А - расстояние от торцевой части 14 подающего трубопровода до торцевой части 15 приемного трубопровода, выполненной с большим диаметром. По варианту Фиг.3 узел разбавления в виде свободного стыка, где торцевые части 14 и 15 трубопропроводов дооснащены - снабжены конусными переходами 16 и 17 соответственно. В варианте на Фиг.4 с узлом разбавления в виде свободного стыка торцевых частей 14 и 15 трубопроводов, в торцевую часть 14 подающего трубопровода вварена перегородка 18 с размещенными в ней патрубками 19. На Фиг.5 свободный стык торцевых частей 14 и 15 трубопроводов заключен в рубашку 20 с присоединенным штуцером 21. Инжекторная камера по Фиг.6, 7, установленная на стыке торцевых частей 14 и 15 трубопроводов приемного и подающего трубопроводов узла разбавления, состоит из штуцера 22, перегородок 23 и 24 с патрубками 25. В патрубках выполнены сквозные каналы 26. К штуцеру 22 подсоединена регулирующая арматура 27. По варианту Фиг.8 штуцер 8 вывода выходных газов с готовым продуктом из корпуса 1 плазмокамеры соединен с торцевой частью 14 подающего трубопровода перед инжекторной форкамерой у корпуса 6 теплообменника, где патрубки инжекторной камеры продлены как трубки корпуса 6 теплообменника на всю его длину. Вывод разбавленных и охлажденных выходных газов по Фиг.8 произведен по трубопроводу 12.
Работа предложенной установки состоит в следующем. В начале включают генератор электромагнитных импульсов, подсоединенный к электроду-излучателю 4, размещенному на центральной оси корпуса 1 (генератор не показан). Между стержневым излучателем 4 и корпусом плазмокамеры 1 возникает напряжение. Подают смесь сырьевых газов азота с кислородом или воздуха с кислородом в эквимолярном соотношении азота с кислородом в штуцер 11 корпуса 6 теплообменника. В эксплуатационном режиме холодная сырьевая смесь по мере продвижения в теплообменнике подогревается обратным потоком выходящего из камеры потока выходных газов с готовым продуктом, следующим по спиральнонавитой трубе 7, Фиг.1; 2; 3; 5 и 7.
По Фиг.8 сырьевая смесь подогревается, следуя по прямолинейной трубчатке принятого кожухотрубчатого теплообменника с корпусом 6. На выходе из корпуса теплообменника 6 в штуцере 10 вывода подогретой сырьевой смеси, в идеальном случае, нагретая сырьевая смесь имеет температуру, равную температуре выходных газов, замеренную в штуцере 13 после корпуса 6 теплообменника. Причем температуры газов в штуцерах 10 и 13 равны и представляют условно располовиненную температуру выходных газов после плазмокамеры в штуцере 8. Затем через штуцер 9 подогретая смесь попадает в корпус 1 плазмокамеры. После попадания в плазмокамеру по тангенциальному вводу - штуцеру 9 поток исходной сырьевой смеси закручивается и движется по условной газовой спирали. При этом в различных микрообъемах сырьевой газовой смеси, вошедших и непрерывно продвигающихся через корпус 1 плазмокамеры, замыкаются (зажигаются) электромагнитные импульсные стримерные разряды наносекундной длительности. Разряды возникают в корпусе 1 между центральным электродом-излучателем 4 и внутренней поверхностью корпуса 1. В результате поглощения энергии разрядов однородно смешанная газовая масса переходит в состояние однородной химически активной плазмы. Реализуется реакция прямого окисления азота:
0,5N2+0,5O2↔NO
Несмотря на избирательность энергетического активирования именно химической активности газов внутри плазмокамеры, смесь разогревается до общей температуры около 800°C. После спирального прохождения потоком сырьевой газовой смеси всего объема плазмокамеры и выхода из корпуса 1, в варианте установки, приведенном на Фиг.1; 2; 3; 5; 7, т.е. в варианте совмещенных корпуса плазмокамеры 1 и корпуса теплообменника 6, поток выходных газов сразу попадает в корпус теплообменника 6, передавая тепло движущемуся в обратном направлении сырьевому потоку. Выходя из корпуса 6 теплообменника по штуцеру 13, все еще горячие выходные газы не готовы к подаче в абсорбционную колонну для соединения с водой (при орошении конденсатом или слабым раствором азотной кислоты), т.к. в идеальном случае имеют температуру, равную половине температуры выходных газов в корпусе 1 плазмокамеры: 800/2=400°C. Как известно, для нормального контакта воды с горячим газом необходимо, чтобы его температура не превышала 200°C. Таким образом, перед контактом горячих выходных газов с водяной фазой необходимо еще более понизить их температуру. Проходя свободный - открытый стык трубопровода с торцевыми частями 14 и 15, где возникает инжекционный подсос атмосферного воздуха к движущемуся потоку выходных газов с готовым продуктом, после их объединения температура общего - разбавленного потока резко скачкообразно снижается. По варианту Фиг.8 поток выходных газов из корпуса 1 плазмокамеры по штуцеру 8 и торцевой части 14 попадает сначала на разбавление в инжекторную форкамеру перед корпусом 6 теплообменника. Здесь поток сначала должен быть разбавлен атмосферным воздухом в соотношении 1:1. Соотношение может быть любым. В данном случае соотношение 1:1 принято для иллюстрации ранее приведенных оценочных выкладок. Приобретя после разбавления вместо температуры 800°C, располовиненную температуру 400°C. А затем в корпусе 6 теплообменника температура должна быть понижена до менее 200°C.
В инжекторной камере по Фиг.6; 7 и 8 - разбавление газового потока подсосом атмосферного воздуха осуществляется следующим образом. Поток выходных газов, поступающий через торцевую часть 14 подающего трубопровода, наталкивается на поперечную перегородку 23, разбивается на отдельные струи, входящие в патрубки 25. В местах входа в патрубки форма струй искривлена - имеется местное сжатие струи. В зонах такого сжатия -на расстоянии 0,5d от входной плоскости перегородки возникают своеобразные пристеночные пазухи с измененным давлением - вакуумные зоны. Через каналы 26 в образующиеся только при транзитном движении потока по патрубкам пристеночные вакуумные зоны подсасывается атмосферный воздух, разбавляя и скачком снижая температуру выходных газов с готовым продуктом. Температура разбавленного потока, попадающего в торцевую часть 15 по Фиг.1; 2; 3; 4; 5; 6; 7, уже понижена. По Фиг.8 инжекторная камера размещена на входе теплообменника как форкамера. При этом патрубки форкамеры непрерывно переходят в трубный пучок кожухотрубчатого теплообменника - как это схематично показано на Фиг.8. Окончательно охлажденные и разбавленные выходные газы по Фиг.8 выведены по трубопроводу 12. Возможно регулирование подсоса-инжекции воздуха использованием регулирующей арматуры 27, Фиг.7 и 8. Возможно, как вариант узла разбавления, осуществление подсоса по упрощенному безрегуляторному механизму - через свободный стык торцевых частей 14 и 15 приемного и подающего трубопроводов, Фиг.1; 2; 3; 4. Возможен подобный упрощенный безрегуляторный механизм подсоса и в конструктивном исполнении узла в виде инжекторной камеры Фиг.6, где сам трубный корпус инжекторной камеры демонтирован (на графических иллюстрациях условно не показан - как простое упрощение Фиг.6). В этом варианте с удаленным корпусом камеры подсос атмосферного воздуха происходит сразу непосредственно из окружающей атмосферы, т.к. патрубки 25 с каналами 26 открыты и межтрубное пространство является частью атмосферы. В этих безрегуляторных механизмах автомеханического подсоса ведется конструктивная настройка параметров: изменением зазора A; конусными переходами; диаметрами торцевых частей 14 и 15 трубопровода и диаметром патрубков 19 узлов разбавления в виде свободного стыка. В инжекторной камере безрегуляторная настройка производится диаметром патрубков 25, а также диаметром и числом каналов 26 в узле разбавления в виде инжекторной камеры.
В варианте узла разбавления по Фиг.4 инжекционное разбавление атмосферным воздухом осуществляется по несколько иному механизму, чем описанный для варианта инжекторной камеры по Фиг.6 или простого свободного стыка Фиг.1; 2; 3. Здесь поток выходных газов, поступающий по торцевой части 14 подающего трубопровода по Фиг.4, также как и поток по Фиг.6, наталкивается на поперечную перегородку 18 с патрубками 19, однако сверленых каналов в патрубках 19 не выполнено и инжекционный подсос атмосферного воздуха реализуется не вначале патрубков 19 (на месте отсутствующих каналов 26), а в их концах - в зонах, смежных с реактивными газовыми струями, вытекающими на конце патрубков 19 и размещенных с зазором внутри торцовой части 15 приемного трубопровода. Т.е. в торцовой части 15 приемного трубопровода возникают реактивные газовые струи, выходящие из патрубков 19, они и образуют разрежение в смежных со струями зонах, в которые из-за разности давлений сразу же начинает подсасываться атмосферный воздух. И таким образом, в торцовых частях 15 приемных трубопроводов, также как и после инжекторной камеры и простых свободных стыков торцов двух трубопроводов, размещенных напротив друг друга, подсасываемый холодный воздух скачком снижает температуру потока выходных газов с готовым продуктом. В варианте установки, показанном на Фиг.8, после выхода потока выходных газов через штуцер 8 и торцевую часть 14, при не совмещенных корпусе 1 плазмокамеры и корпусе 6 теплообменника, выходные газы направляются в узел разбавления, установленный перед корпусом 6 теплообменника.
Установка узла разбавления перед корпусом 6 теплообменника снижает температуру подогрева сырьевой смеси в теплообменнике, т.к. температура разбавленного воздухом потока выходных газов с готовым продуктом естественно ниже. Т.е. возврат - утилизация тепла естественно уменьшается. Однако при необходимости мгновенного - скачкообразного снижения температуры, например для так называемой закалки готового продукта, эта компоновочное решение оправданно. Такое решение оправдано и в случае, когда первичная реакция окисления азота до монооксида (NO) (I) полностью выработала свободный кислород и для реакции последующего окисления до (NO2) (II) необходимо дополнительное поступление кислорода. Наиболее рационально в этом случае узел разбавления выполнить в виде инжекторной камеры, объединенной с корпусом теплообменника 6 и являющейся своеобразной форкамерой на входе этого теплообменника. Хотя возможно выполнение узла разбавления в виде свободных стыков, размещенных перед корпусом 6 теплообменника. И наоборот, узел разбавления может быть выполнен в виде инжекторной камеры, также включаемой после теплообменника, Фиг.6. К тому же для схемы по Фиг.8 возможно использование серийно изготавливаемых кожухотрубчатых теплообменников, что позволяет температурный интервал до 600°C применения нержавеющей стали 12Х18Н12Т. Также пониженные действительные, а значит и расчетные температуры в кожухотрубчатых теплообменниках позволяют снизить их массу, т.к. с увеличением температуры допускаемые напряжения в металлах понижаются.
Из предложенных конструктивных вариантов исполнения узла разбавления, вариант с подсосом через инжекторную камеру по Фиг.6; 7 и 8 является несколько более трудоемким в изготовлении в сравнении с вариантами по Фиг.1; 2; 3; 4 и 5, т.е. с исполнениями свободного стыка в виде торцевых частей подающего и приемного трубопроводов, расположенных напротив друг друга. Однако вариантом с инжекторной камерой достигается наиболее результативное - быстрое и однородное по сечению трубопровода разбавление-смешивание выходных газов с атмосферным воздухом, т.к. соединение потоков реализуется по многопатрубковой - многоканальной системе. Обеспечивается практически мгновенное усреднение и температуры и состава у разбавленного потока выходных газов с атмосферным воздухом.
В случае, если максимальный возврат тепла требует передачи горячих выходных газов без разбавления, непосредственно после плазмокамеры наиболее целесообразно использовать теплообменник со спиральнонавитой трубой, в которую и подавать горячие выходные газы, что обеспечит наименьшую металлоемкость установки, при этом узел разбавления размещать после теплообменника, как это показано на Фиг.1; 2; 3; 5; 7.
Благодаря предложенному введению узла прямого разбавления потока выходных газов с готовым продуктом инжекционным подсосом атмосферного воздуха и скачкообразному охлаждению этого потока, выходные газы с готовым продуктом наиболее упрощенным путем подготовлены к контакту с водным раствором кислоты или конденсатом, т.е. для подачи, например в абсорбционную колонну.
В отличие от установки прототипа разбавление холодным воздухом по предложенному решению осуществлено с использованием нескольких эффектов самопроизвольной - не принудительной - не насосной инжекции. Разрежение возникает самопроизвольно от механической энергии движущегося потока выходных газов. Источники принудительного нагнетания - подачи холодного воздуха на разбавление - газодувки - не использованы. Отсутствует необходимость регулирования расходов, разделяющихся на контуры в конструкции прототипа - потоков сырьевой смеси.
Введение прямого разбавления подсосом атмосферного воздуха позволяет не только скачком понизить температуру выходных газов, но одновременно и ввести в объем-поток этих газов дополнительный свободный кислород, необходимый для доокисления монооксида азота, без чего нет подготовки к производству азотной кислоты. Таким образом, подготовка к образованию азотной кислоты в предложенной установке производится наиболее результативным путем, т.к. образование двуокиси азота NO2 - доокисление окиси азота стимулируется здесь одновременно достигаемыми обоими приемами: снижением температуры и увеличением содержания кислорода. Рационально разбавлять атмосферным воздухом выходные газы для скачкообразного их охлаждения при необходимости достижения эффекта закалки окиси азота. Для доохлаждения выходных газов могут быть использованы серийно выпускаемые кожухотрубчатые теплообменники с развитой поверхностью теплообмена из нержавеющей стали 12Х18Н10Т с пределом применения до 600°C или спиральнонавитые теплообменники, где высокие температуры в 800°C локализуются только в одном элементе - спиральнонавитой трубе.
ОАО «КуйбышевАзот» проводит экспериментальные работы по получению оксида азота в холодной неравновесной плазме для последующего получения азотной кислоты.
1. Установка получения оксидов азота для производства азотной кислоты, включающая плазмохимическую камеру; теплообменник для охлаждения выходных газов и подогрева сырьевой смеси и узел разбавления выходных газов, отличающаяся тем, что узел разбавления выполнен с возможностью подсоса атмосферного воздуха.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что узел разбавления с возможностью подсоса атмосферного воздуха выполнен в виде свободного стыка двух торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга с осевым зазором, причем торцевая часть подающего трубопровода выполнена с меньшим диаметром, а приемного - с большим.
3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в узле разбавления, выполненном в виде свободного стыка двух торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга, подающий трубопровод меньшего диаметра частично размещен внутри приемного большего диаметра.
4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в свободном стыке торцевые части трубопроводов, размещенные напротив друг друга большего и меньшего диаметров, снабжены конусными переходами.
5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что в свободном стыке трубопроводов в торцевую часть подающего трубопровода вварена перегородка с присоединенными к ней, по меньшей мере, двумя осевыми патрубками, размещенными внутри торцевой части приемного трубопровода на длину, не превышающую половины его диаметра, причем общая длина патрубков составляет не менее трех диаметров патрубков, а зазор между краями торцевых частей - не менее десятой части диаметра приемного трубопровода.
6. Установка по п.2, отличающаяся тем, что свободный стык торцевых частей трубопроводов, размещенных напротив друг друга, помещен в герметичную рубашку, снабженную штуцером для соединения с атмосферным воздухом.
7. Установка по п.1, отличающаяся тем, что узел разбавления выходного продукта подсосом атмосферного воздуха выполнен в виде вставленной в трубопровод инжекторной камеры со штуцером на корпусе для соединения межпатрубкового пространства с атмосферным воздухом.
8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что корпус инжекторной камеры демонтирован, а межпатрубковым пространством инжекторной камеры является атмосферный воздух.
9. Установка по п.1, отличающаяся тем, что узел разбавления размещен между плазмохимической камерой и теплообменником.
10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в случае размещения узла разбавления в виде инжекторной камеры перед принятым теплообменником кожухотрубчатого типа и направления потока выходных газов в его трубное пространство, инжекторная камера выполнена в виде форкамеры, образованной введением в теплообменник дополнительной перегородки, причем межтрубное пространство камеры соединено с атмосферным воздухом.
11. Установка по п.7, отличающаяся тем, что к штуцерам инжекторной камеры или рубашки, соединяющим внутреннее пространство полостей с атмосферой, присоединена регулирующая арматура.
12. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в случае, если теплообменник выполнен единым корпусом с плазмохимической камерой, он снабжен внутренней спиральнонавитой трубой для потока выходных газов, выполненной как продолжение штуцера вывода выходных газов в плазмохимической камере, причем другой конец спиральнонавитой трубы соединен с узлом разбавления с возможностью подсоса атмосферного воздуха.
