Strategiczne rozwiązywanie problemów organizacyjnych i technologicznych

Interaktywne narzędzie typu scenario‑based learning (gra decyzyjna)

Dowiedz się więcej na temat rozwiązywania problemów związanych z organizacją i przebiegiem procesów technologicznych otrzymywania saletry amonowejSaletra amonowasaletry amonowej, uniwersalnego nawozu azotowego (nawóz mineralny), z gazowego amoniakuAmoniakamoniaku i kwasu azotowego lub kwasu azotowego z węglanem amonu na poszczególnych jego etapach.

Spis treści

1. Proces otrzymywania saletry amonowej - część teoretyczna11. Proces otrzymywania saletry amonowej - część teoretyczna
1.1. Wstęp1.1.1.1. Wstęp
1.2. Neutralizacja1.2.1.2. Neutralizacja
1.3. Odparowanie wstępne1.3.1.3. Odparowanie wstępne
1.4. Homogenizacja1.4.1.4. Homogenizacja
1.5. Odparowanie końcowe i odpylanie1.5.1.5. Odparowanie końcowe i odpylanie
1.6. Granulacja1.6.1.6. Granulacja
1.7. Sortowanie, chłodzenie i kondycjonowanie1.7.1.7. Sortowanie, chłodzenie i kondycjonowanie
2. Proces otrzymywania saletry amonowej - część praktyczna22. Proces otrzymywania saletry amonowej - część praktyczna

1. Proces otrzymywania saletry amonowej - część teoretyczna

1.1. Wstęp

Azotan (V) amonu nazywany saletrą amonową jest uniwersalnym nawozem stosowanym w rolnictwie. Stanowi bazowy składnik wielu mieszanek nawozowych np. saletrosiarczanu. Przykładowy proces produkcji saletry amonowej składa się z następujących etapów:

1. Neutralizacja kwasu azotowego (V) amoniakiem

2. Odparowanie wstępne

3. Homogenizacja

4. Odparowanie końcowe i odpylanie

5. Granulacja

6. Sortowanie, chłodzenie i kondycjonowanie

7. Pakowanie i załadunek

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.2. Neutralizacja

Jednym ze sposobów wytwarzania azotanu (V) amonu jest przeprowadzenie reakcji zobojętniania (neutralizacji) kwasu azotowego (V) amoniakiem, na skutek której z układu uwalniana jest energia cieplna.

R1Ie2UKYPAerb

${\mathrm{HNO}}_3 + {\mathrm{NH}}_3 \to {\mathrm{NH}}_4\mathrm{NO}3 ∆= - 146 \mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$

W procesie neutralizacji wytwarzany jest roztwór azotanu (V) amonu o stężeniu około 78%. Reakcja neutralizacji przebiega w reaktorze chemicznym, do którego doprowadzane są trzy strumienie reagentów. Dwa z nich to: gazowy amoniak oraz roztwór kwasu azotowego (V) o stężeniu z zakresu od  50 do 56% masowych. Trzeci strumień, którym doprowadzany jest roztwór powrotny produktu, odpowiada za stabilizację temperatury i szybkości procesu.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.3. Odparowanie wstępne

W wyparkach próżniowych o przepływie opadającym przeprowadzane jest zatężanie wstępne pozyskanego we wcześniejszym etapie azotanu (V) amonu, który w warunkach nadciśnienia (wynoszącego ok. 0,37MPa) transportowany jest do zbiornika naporowego. Tam ulega on rozprężeniu do ciśnienia atmosferycznego, po czym spływa do pionowo zamontowanego wymiennika ciepła, odpowiadającego za odparowanie. Temperatura, jaka panuje w wyparkach, waha się między 130 a 150℃. 

W celu zatężenia roztworu NH4NO3 należy dostarczyć ciepło do układu. Czynnikiem doprowadzającym ciepło do wymienników może być np. woda, olej techniczny, nasycona para wodna (wytwarzana na potrzeby procesu) lub para technologiczna (wytworzona w procesie jako produkt uboczny).

W separatorze znajdującym się w dolnej części wyparek dochodzi do oddzielenia oparów od zatężonego do 95% masowych roztworu azotanu (V) amonu, który następnie przekazywany jest do homogenizatora.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.4. Homogenizacja

W kolejnym etapie zatężony roztwór azotanu (V) amonu zostaje zhomogenizowany z pyłami tej samej substancji oraz roztworem azotanu (V) magnezu. Homogenizacja to proces polegający na uzyskaniu jednorodnej mieszaniny z substancji, które w warunkach normalnych nie ulegają wymieszaniu.

Jednorodna mieszanina otrzymywana jest na skutek ciągłego mieszania mechanicznego z równoczesnym ogrzewaniem parą alkaliczną, która przyspiesza rozpuszczanie się pyłów azotanu (V) amonu i homogenizację roztworu.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.5. Odparowanie końcowe i odpylanie

W procesie odparowywania końcowego stosuje się 2 rodzaje wyparek cienkowarstwowych, zwanych filmowymi: wyparki statyczne, stosowane na pierwszej i drugiej linii oraz wyparki mechaniczne, które stosuje się na linii trzeciej.

Zhomogenizowany roztwór azotanu (V) amonu o temperaturze od 130 do 150℃ i stężeniu wynoszącym ok. 95% masowych jest transportowany na tace rozlewcze, gdzie za pomocą elementów konstrukcyjnych zwanych kielichami, rozprowadzany jest po powierzchni grzewczej wyparki statycznej.

Natomiast w wyparkach mechanicznych roztwór rozprowadzany jest za pomocą łopatek obracanych przez napędzany silnikiem elektrycznym wirnik, zwany również rotatorem.

Nośnikiem ciepła odpowiadającym za podgrzewanie roztworu w wyparkach jest średniociśnieniowa para nasycona. Wartość ciśnienia tego medium wynosi ok. 1,2 MPa.
W przeciwprądzie względem spływającego pionowo roztworu azotanu (V) amonu do wyparek wprowadzane jest powietrze o wysokiej temperaturze wynoszącej od 165 do 180℃. To bardzo gorące powietrze charakteryzuje się wysoką chłonnością wilgoci, co pozytywnie wpływa na proces zatężania, usuwania oparów i innych niepożądanych składników.

Medium zraszająco‑płuczącym wykorzystywanym w procesie odpylania zapylonego powietrza z wyparek statycznych jest roztwór cyrkulacyjny. Roztwór ten wtłaczany jest do dysz mgłowych w środkowej części skrubera, aparatury, w której odbywa się odpylanie. Proces ten ma na celu nawilżanie powietrza i oczyszczanie go z pyłów azotanu (V) amonu. 

Przegrody o kształcie rynien odpowiadają za wydłużenie czasu kontaktu zapylonego powietrza z roztworem cyrkulacyjnym i intensyfikację wymiany masy w ramach kontaktu międzyfazowego. Dzięki cyrkulacji roztwór zatęża się do ok. 20%, po czym jest on odprowadzany ze skruberów wprost do zbiorników roztworu powrotnego.

Zanieczyszczone powietrze powstające na skutek intensywnego odparowywania roztworu w wyparkach mechanicznych kierowane jest do chłodnic, gdzie na ożebrowanych powierzchniach zapylone powietrze oczyszczane jest z pyłów. W wyniku oziębienia powietrza dochodzi do kondensacji pary wodnej i wydzielenia się pyłów azotanu (V) amonu. Skroploną na ożebrowanej powierzchni cieczą jest rozcieńczony roztwór azotanu (V) amonu, który następnie transportowany jest do zbiornika roztworu powrotnego.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.6. Granulacja

Powstały na wyparkach stop azotanu (V) amonu o temperaturze ok. 175℃ i o stężeniu wynoszącym ok. 99,7% masowych wtryskiwany jest ze zbiornika naporowego do wieży granulacyjnej przy użyciu wibrogranulatora lub dysz granulacyjnych. Stop formowany jest w krople, które następnie opadając wzdłuż wieży granulacyjnej, obniżają swoją temperaturę do ok. 100℃ i ulegają krzepnięciu, przyjmując formę sferycznego granulatu.

Medium chłodzącym wykorzystywanym w tym procesie jest powietrze atmosferyczne przepuszczane w przeciwprądzie względem spływającego stopu z prędkością ok. 1,2 m/s.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

1.7. Sortowanie, chłodzenie i kondycjonowanie

Z wykorzystaniem przenośników taśmowych granulat azotanu (V) amonu transportowany jest do sita zgrubnego, gdzie odrzucane są ziarna o zbyt dużych średnicach, tak zwane nadziarna.

W następnym etapie frakcja właściwa trafia do chłodziarki fluidalnej, gdzie czynnikiem chłodzącym jest powietrze atmosferyczne, którego wilgotność względna nie przekracza 50% masowych. W wyniku ochładzania na kolejnych stopniach chłodziarki fluidalnej granulki uzyskują temperaturę poniżej 32℃. W procesie tym powietrze porywa z granulatów pył azotanu (V) amonu, dlatego po przepuszczeniu przez chłodziarkę fluidalną kierowane jest do odpylania w cyklonach, zanim zostanie wypuszczone z powrotem do atmosfery.

Po ochłodzeniu granulat wprowadzany jest na sita dokładne, gdzie od frakcji właściwej oddzielane są frakcje granulatu o zbyt małych średnicach zwane podziarnem. Średnica frakcji właściwej ma wartość od 1 do 4 mm i powinna stanowić co najmniej 95% masowych końcowego produktu. 

Nadziarno, podziarno i pyły azotanu (V) amonu zawracane są z powrotem na wcześniejsze etapy produkcji. Przed wprowadzeniem granulatu do linii pakowania jest on dodatkowo natryskiwany środkiem antyzbrylającym.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

2. Proces otrzymywania saletry amonowej - część praktyczna

1

Kliknij, aby rozwinąć instrukcję do interaktywnego narzędzia typu scenario‑based learning (gra decyzyjna)

Kliknij, aby rozwinąć instrukcję do interaktywnego narzędzia typu scenario‑based learning (gra decyzyjna)

Interaktywne narzędzie typu scenario‑based learning (gra decyzyjna), którego ekran początkowy prezentuje się następująco:

R19mOIVR7y7Pv

Ilustracja przedstawia planszę powitalną gry edukacyjnej: quiz wiedzy o procesie produkcji saletry amonowej – jak sobie poradzisz?

Aby rozpocząć Grę decyzyjną należy kliknąć na pole „włącz tryb pełnoekranowy”. Po  wybraniu trybu pełnoekranowego otrzymamy następujący widok:

RqqT4btQOcMtf

Ilustracja przedstawia ekran informacyjny gry edukacyjnej.

W celu rozpoczęcia należy kliknąć pole „rozpocznij nową grę”. Gra decyzyjna umożliwia również powrót do kontynuowania wcześniejszej edycji gry. Aby przejść do tego trybu, należy kliknąć pole „kontynuuj grę”.

Po rozpoczęciu Gry decyzyjnej, należy wybrać jedną rolę, w którą można się wcielić. W tym celu należy kliknąć na pole „rozpocznij”, które znajduje się poniżej opisu przedstawionych ról.

R1PQrg6rtDJcH

Ilustracja przedstawia ekran wprowadzający w grę edukacyjną - możliwość wyboru misji w grze.

Następnie zostaniemy przekierowani do pytań z zakresu roli, w którą się wcieliliśmy. Przykładowy widok pytań wygląda następująco:

R1MRwAfQk0vTQ

Ilustracja przedstawia przykładowe zadanie z gry edukacyjnej. Na planszy widoczna jest zapisana reakcja chemiczna oraz pytanie.

Po zaznaczeniu odpowiedzi oraz zatwierdzeniu jej poprzez kliknięcie w pole „zatwierdź odpowiedź”, po każdym pytaniu pojawi się informacja zwrotna dotycząca tego, czy zaznaczona odpowiedź jest poprawna. W przypadku prawidłowej odpowiedzi, otrzymamy następujący widok:

Rucp3EKZHp29S

Ilustracja przedstawia treść informacji pozytywnej, wyświetlanej po wprowadzeniu poprawnej odpowiedzi w grze edukacyjnej.

Natomiast w przypadku, gdy odpowiedź będzie nieprawidłowa, widok który pojawi się na ekranie to:

RZixrzJyysap2

Ilustracja przedstawia treść informacji negatywnej, wyświetlanej po wprowadzeniu niepoprawnej odpowiedzi w grze edukacyjnej.

Po przejściu testu, pojawi się plansza wraz z informacją o uzyskanym statusie oraz z wynikiem, która wygląda następująco:

RpwR4ylXatMlX

Ilustracja przedstawia ekran końcowy gry edukacyjnej z gratulacjami otrzymania wysokiego wyniku.

Istnieje możliwość powtórzenia misji, w przypadku, gdy misja nie została zaliczona. Jeżeli misja została zaliczona, można przejść do zakładki „zapisz wynik”, co spowoduje otrzymanie odznaki.

RstkyKDTChvDP

Ilustracja przedstawia ekran informacyjny gry edukacyjnej, w której uczestnik otrzymał odznakę Geniusza produkcji.

Kliknięcie w pole „graj dalej” spowoduje przejście do kolejnych etapów Gry decyzyjnej, natomiast kliknięcie pola „zobacz odznaki” spowoduje przejście do panelu „twoje odznaki”, który umożliwi weryfikację zdobytych już odznak podczas Gry decyzyjnej.

R1LTbO6uDcAsH

Ilustracja przedstawia ekran uczestnika gry, w której zgromadził zdobyte odznaki.

W trakcie Gry, w prawym górnym rogu panelu, istnieje możliwość skorzystania z trzech ikonek. Pierwsza z nich odpowiada za włączanie oraz wyłączanie dźwięku w Grze decyzyjnej. Aby wyłączyć dźwięk należy kliknąć na pole „wyłącz dźwięk tła”. W celu przywrócenia  poprzednich ustawień dźwięku, należy kliknąć ponownie na to samo pole.

R1G3GwSaFHykq

Ilustracja przycisk z ikoną głośnika, który służy do wyłączeniu dźwięku tła gry edukacyjnej.

Druga ikona umożliwia uzyskanie pomocy technicznej z zakresu Gry decyzyjnej.

R1eWX57ib7DFy

Ilustracja przycisk z ikoną znaku zapytania, który służy do uruchomienia ekranu pomocy gry edukacyjnej.

Umożliwia przejście do bazy „pytań i odpowiedzi”, dzięki którym użytkownik może uporządkować informacje dotyczące gry edukacyjnej.

Roi2PT8GR4k4j

Ilustracja przedstawia ekran z gry edukacyjnej: pytania i odpowiedzi.

Trzecia ikona odpowiada za natychmiastowe zamknięcie Gry decyzyjnej.

RCw0NqtnYDfJO

Ilustracja przedstawia przycisk z ikoną wyłącznika, który służy do zamknięcia gry edukacyjnej.

Zagraj w grę i naucz się więcej o procesie produkcji saletry amonowej.

RfsRWfRRBF06b

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/D12WELJ3g

Etapy produkcyjne:

Produkcja saletry amonowej.

Jesteś stażystom w zakładzie zajmującym się produkcją saletry amonowej. Masz możliwość na chwilę dołączyć do zespołu projektującego nowy proces produkcyjny.

Twoim zadaniem jest wykonywanie zadań zleconych przez pracowników zakładu. Mają one na celu zapoznać Cię z problemami występującymi zarówno podczas projektowania instalacji jak i w trakcie przeprowadzania procesu produkcyjnego.

Decyzje podjęte przez Ciebie w poszczególnych zadaniach będą konsultowane z zespołem, dzięki czemu przy każdym zadaniu otrzymasz informację zwrotną.

Zadania dotyczą  poszczególnych etapów produkcyjnych:

1. Neutralizacja

2. Odparowanie

3. Kondensacja oparów

4. Granulacja

5. Odpylanie

6. Frakcjonowanie

7. Pudrowanie

8. Magazynowanie

.Zapoznaj się z informacjami wprowadzającymi:

Azotan (V) amonu nazywany saletrą amonową jest uniwersalnym nawozem stosowanym w rolnictwie. Stanowi bazowy składnik wielu mieszanek nawozowych np. saletrosiarczanu.

Podczas realizacji procesów produkcyjnych, w których występuje NHIndeks dolny 4₄NOIndeks dolny 3₃ należy zachowywać szczególną ostrożność ze względu na  wybuchowe właściwości tego związku.

Jednym ze sposobów wytwarzania azotanu (V) amonu jest przeprowadzenie reakcji zobojętniania (neutralizacji).

HNOIndeks dolny 3₃ +  NHIndeks dolny 3₃ ->   NHIndeks dolny 4₄NOIndeks dolny 3₃ ΔdeltaH= -146 kJ/mol***

kwas azotowy (V)  + amoniak  ->  azotan(V) amonu

Reakcja przebiega w reaktorze chemicznym do którego doprowadzane są  trzy strumienie:

QvIndeks dolny 1₁ – roztwór kwasu azotowego (V) o stężeniu z zakresu  50- 56%

QvIndeks dolny 2₂ - gazowy amoniak

Qv

-?

R1emgvZ6hG6MY

Ćwiczenie 1

Wybierz odpowiednie sformułowania. Uzupełnij luki.

Wybierz odpowiednie sformułowania. Uzupełnij luki.

Rdr6fn6QBMN22

Ćwiczenie 2

Wybierz proponowane rozwiązanie przedstawionego problemu. Zaznacz prawidłową odpowiedź.
W celu zmniejszenia szybkości reakcji oraz powiązanego z nią ryzyka wybuch, należy:

W procesie neutralizacji wytworzony został roztwór azotanu (V) amonu o stężeniu około 78%. Uzyskany roztwór należy zatężyć przy użyciu wyparek, które mogą mieć różną budowę. Np. zespół dwóch wyparek, jedna z nich zawiera płaszcz grzewczy a druga wężownice. Roztwór znajdujący się w wyparkach posiada temperaturę z zakresu 140‑180Indeks górny o^oC. Ciepło dostarczone do procesu pozwala uzyskać roztwór  NHIndeks dolny 4₄NOIndeks dolny 3₃ o stężeniu 95‑97 W zależności od sposobu granulacji roztwór o podanym stężeniu może zostać  poddany dodatkowemu zatężaniu do stężenia 99%-99,5%. Proces ten prowadzony jest np. w wyparce filmowej.

R2ooQDfSOc5xT

Ćwiczenie 3

RQOgR3ZsB61Dh

Ćwiczenie 4

Zaznacz prawidłową odpowiedź. W celu obniżenia temperatury wrzenia roztworu znajdującego się w wyparce proponujesz:

Frakcjonowanie. Produkt pośredni wytworzony w granulatorze posiada odmienne średnice. W celu zwiększenia jakości produktu końcowego stosowane są sita. Dzięki zastosowaniu wymienionej aparaturze granule można rozdzielić na trzy frakcje:

1.       podziarno- granule o za małej średnicy(np. d<1 mm)

2.       ziarno właściwe – granule o właściwej średnicy (np. d <1‑5 mm>)

3.       nadziarno – granule o za dużej średnicy (np. d>1 mm)

Granule o pożądanej średnicy kieruje się wstępnie do chłodnicy a następnie do sekcji pudrowania.

R1ae4LX8iuaua

Ćwiczenie 5

Zaznacz prawidłową odpowiedź. Co proponujesz zrobić z frakcjami, których średnica nie odpowiada wymaganiom jakościowym?

Pudrowanie. Frakcja o pożądanych wymiarach po schłodzeniu poddawana jest pudrowaniu w bębnie obrotowym do którego dostarczany jest sypki produkt np. mączka wapienna. Przedstawiona operacja ma na celu zminimalizowanie ryzyka zbrylania się granulek saletry amonowej. Tak przygotowany produkt kierowany jest do sekcji pakowania, gdzie saletra amonowa umieszczana jest w workach wykonanych np. z  polietylenu lub polipropylenu. 

Magazynowanie. Produkt końcowy przechowywany jest w specjalnie zaprojektowanych magazynach lub jest bezpośrednio kierowany do odbiorców.

R1O20NtG5OAIK

Wnioski z błędów przyczyniających się do wypadków z udziałem NHIndeks dolny 4₄NOIndeks dolny 3₃

W przeszłości doszło do licznych wypadków związanych z wybuchowymi właściwościami saletry amonowej. Dzięki analizie przyczyn poszczególnych przypadków, stworzone zostały rozwiązania zapewniające większe bezpieczeństwo przeprowadzania zarówno procesów produkcyjnych jak i etapów związanych z magazynowaniem czy transportem saletry amonowej.

1.  Niemcy, Oppau - 21 września 1921

(liczba ofiar śmiertelnych: 561, rannych ponad 2000)

2.  Stany Zjednoczone, Teksas - 16 kwietnia 1947    

(liczba ofiar śmiertelnych: 581, rannych ponad 2800)

3.  Stany Zjednoczone, Teksas -17 kwietnia 2013 r.

(liczba ofiar śmiertelnych: 15, rannych: 260)

Informacja dodatkowa do podpunktu 1: Do wypadku doszło na terenie zakładu chemicznego BASF, podczas próby rozdrobnienia zbrylonej mieszanki azotanu (V) amonu i siarczanu (VI) amonu. W konsekwencji  śmierć poniosło 561 osób, natomiast tysiące osób zostało rannych. Dodatkowo zabudowania w promieniu 6,5 km od miejsca wypadku zostały uszkodzone.

Informacja dodatkowa do podpunktu 2: Wypadek dotyczył etapu transportu azotanu (V) amonu za pomocą statku. Ustalono, że główną przyczyną wybuchu był niedopałek papierosa pozostawiony w miejscu przechowywania saletry amonowej. Nieprzestrzeganie podstawowych zasad bezpieczeństwa doprowadziło do śmierci 581 osób, spowodowało również zniszczenia wielu zakładów przemysłowych oraz domostw znajdujących się w odległości do 65 km od miejsca wypadku.

Informacja dodatkowa do podpunktu 3: Wybuch doprowadził do śmierci 15 osób. Odszukanie przyczyn wypadku okazało się skomplikowanym procesem ujawniającym liczne zaniedbania dotyczące m.in. magazynowania azotanu (V) amonu. W konsekwencji w roku 2015 wprowadzono nowe rozwiązania prawne regulujące działalność zakładów nawozowych.

Powrót do spisu treści3Powrót do spisu treści

Powiązane ćwiczenia