Азотна кислота

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати


МОСКОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

ТОНКОЇ ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ ім. М.В. ЛОМОНОСОВА

КАФЕДРА ЗХТ

КУРСОВИЙ ПРОЕКТ

Студент Ходаков Д.А.

ГруппаХТ-409

ПреподавательСмірнова С.Н.

Москва 2000

Вихідні дані

Зміст NH 3 в аміачно-повітряної суміші,% (за об'ємом)

________________________________10

Ступінь перетворення NH 3 в NO,% (решті аміак окислюється до азоту) ________________________________97

Ступінь переробки нітрозних газів в HNO 3,%

_______________________________98, 5

Концентрація HNO 3,% (по масі)

________________________________58

Вміст у вихлопних газах,% (за об'ємом):

Кисню

_______________________________3, 2

Води _______________________________2, 7

Базис розрахунку, кг HNO 3 в продукті

______________________________2500

Введення

Азотна кислота - одна з найважливіших мінеральних кислот. За обсягом виробництва в хімічній промисловості вона займає друге місце після сірчаної кислоти. Азотна кислота широко застосовується для виробництва багатьох продуктів, що використовуються в промисловості та сільському господарстві:

  • близько 40% її витрачається на отримання складних і азотних мінеральних добрив;

  • азотна кислота використовується для виробництва

  • синтетичних барвників,

  • вибухових речовин,

  • нітролаків,

  • пластичних мас,

  • лікарських синтетичних речовин і др.;

  • залізо добре розчиняється в розведеною азотної кислоти. Концентраційна азотна кислота утворює на поверхні заліза тонкий, але щільний шар нерозчинного в концентрованій кислоті оксиду, що захищає метал від подальшого роз'їдання. Ця здатність заліза пасивуватися використовується для захисту його від корозії.

Концентровану азотну кислоту (особливо з додаванням 10% H 2 SO 4) перевозять звичайно в сталевих цистернах. Багато органічних речовин (зокрема тварини і рослинні тканини) при дії HNO 3 руйнуються, а деякі з них від зіткнення з дуже концентрованою кислотою можуть запалюватися. У лабораторній практиці зазвичай застосовується азотна кислота, що містить близько 65% HNO 3 (пл.1, 40). У промисловості застосовують два сорти азотної кислоти: розведену з вмістом 50-60% HNO 3 та концентровану, що містить 96-98% HNO 3.

Раніше, коли не існувало виробництва синтетичного аміаку, азотну кислоту отримували дією сірчаної кислоти на чилійську селітру. Обсяги виробництв були дуже невеликими, і кислота використовувалася тільки для виробництва вибухових речовин, барвників і деяких інших хімічних продуктів.

Вихідна сировина

Сировиною для отримання азотної кислоти служать аміак, повітря і вода.

Синтетичний аміак більшою чи меншою мірою забруднений домішками. Такими домішками є катализаторной пил, мастило (при стисканні поршневим компресором). Для отримання чистого газоподібного аміаку служать випарні станції і дистиляційні відділення рідкого аміаку. Подальша очищення здійснюється у фільтрах, що складаються з сочевицеподібні елементів, фільтруючим матеріалом в яких служить бавовняна замша. Тонкою очищенню аміачно-повітряна суміш піддається в фільтрі з поролітовимі трубками.

Атмосферне повітря, що застосовується у виробництві азотної кислоти, забирається на території заводу або поблизу його. Це повітря забруднене газоподібними домішками і пилом. Тому він піддається ретельному очищенню щоб уникнути отруєння каталізатора окислення аміаку. Очищення повітря здійснюється, як правило, в скрубері, зрошуваному водою, потім в двухступенчатом фільтрі.

Вода, що застосовується для технологічних потреб, піддається спеціальній підготовці: відстою від механічних домішок, фільтрування та хімічному очищенню від розчинених у ній солей. Для отримання реактивної азотної кислоти потрібно чистий паровий конденсат, який додатково очищають від можливих домішок. [1, стр.397]

Характеристика цільового продукту

Безводна азотна кислота HNO 3 являє важку безбарвну рідину, пл.1, 52 (при 15 º С), що димить на повітрі. Вона замерзає при -41 і кипить при 86 º С. Кипіння кислоти супроводжується частковим розкладанням:

4HNO3 à 2H2 + 4NO2 + O2 - 259,7 кДж

Вирізняється діоксид азоту, розчиняючись в кислоті, забарвлює її у жовтий або червоний (залежно від кількості NO 2) колір. З водою азотна кислота змішується в будь-яких співвідношеннях. Виділення теплоти при розведенні азотної кислоти водою свідчить про утворення гідратів (HNO 3 × H 2 O, HNO 3 × 2 H 2 O).

Азотна кислота - сильний окислювач. Метали, за винятком Pt, Rh, Ir, Au, переводяться концентрованої азотної кислотою у відповідні оксиди. Якщо останні розчиняються в азотній кислоті, то утворюються нітрати. [2, стор.99]

Фізико-хімічне обгрунтування основних процесів виробництва цільового продукту

Хімічна концепція методу

Процес виробництва розведеною азотної кислоти складається з трьох стадій:

конверсія аміаку з метою отримання оксиду азоту

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

окислення оксиду азоту до діоксиду

2 NO + O 2 Û 2 NO 2

абсорбція оксидів азоту водою

4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3

Конверсія аміаку

Основна реакція:

4NH3 + 5O2 = 4NO +6 H2O + 946 кДж (1)

Поряд з основною реакцією протікають і побічні реакції (в основному паралельні) окислення аміаку до молекулярного азоту і оксиду азоту (I):

4NH3 + 3O2 = 2N2 +6 H2O + 1328 кДж (2)

4NH3 + 4O2 = 2N2O +6 H2O + 1156 кДж (3)

У таблиці 1 наведені термодинамічні характеристики цих реакцій, з яких можна бачити, що серед реакцій окислення аміаку киснем найбільшу термодинамічну ймовірність має реакція (2), що характеризується найбільшим зміною анергії Гіббса. Ймовірність реакції (1) з підвищенням температури зростає майже вдвічі, а реакції (2) майже не змінюється.

Реакція

D H 298

кДж / моль

D G, кДж / моль, при температурі

Кр, при температурі



298 К

1173 До

500

1000

1

- 226.00

- 246.21

- 414.55

1075

1051

2

- 317. 20

- 326.85

- 335.22

1095

1062

3

- 276.11

- 274.75

-

1083

1056

Реакції окислення аміаку супроводжуються значною зменшенням вільної енергії. Реакції (1) - (3) практично незворотні, про це говорять константи рівноваги цих реакцій в інтервалі температур 500 - 1000 оС, тому що ці константи значно більше констант оборотних реакцій (10-2 - 102). При збільшенні температури до 1000 оС значення констант падає на декілька порядків (так як реакції екзотермічні), але навіть при 1000 оС реакції (1) - (3) практично повністю зміщені в бік продуктів реакції.

Оскільки всі реакції протікають з виділенням тепла і збільшенням обсягу, то відповідно до принципу Ле-Шательє нам не вдасться за допомогою варіювання температури і тиску сильно зрушити головну реакції в праву сторону не зрушуючи туди ж і побічні реакції. Збільшення концентрації кисню теж не дозволить селективно змістити рівновагу основної реакції.

Отже, окислення аміаку процес складний, і, значить вибір умов проведення процесу визначається необхідністю направити взаємодія вихідних речовин по шляху утворення оксиду азоту (II).

Відповідно до вищесказаного єдиним шляхом отримання великих виходів NO є збільшення швидкості основної реакції по відношенню до побічних. У відповідності з рівнянням Арреніуса збільшення константи швидкості можна домогтися за допомогою збільшення температури або зменшення енергії активації реакції. Константа швидкості буде швидше рости у тих реакцій, у яких більше енергія активації.

Зниженню енергії активації сприяє застосування каталізаторів. У нашому випадку потрібні каталізатори активно адсорбуючі на своїй поверхні кисень, так як окислення аміаку до оксиду азоту (II) в обсязі навіть при високих температурах не відбувається.

Каталізатори, застосовувані для окислення аміаку, повинні володіти виборчими властивостями, тобто прискорювати тільки одну з усіх можливих реакцій, а саме реакцію (1) окислення аміаку до оксиду азоту (II). Найбільш селективним і активним каталізатором даної реакції виявився платіноідний каталізатор, який представляє собою сплав платини з паладієм і родієм.

Каталітичне окислення аміаку - багатостадійний гетерогенно-каталітичний процес, що протікає в внешнедіффузіонной області та лімітуються дифузією аміаку до каталізатора. Ряд гіпотез щодо механізму окислення аміаку на платіноідних каталізаторах зводиться до припущень про утворення в процесі окислення NH 3 нестійких проміжних сполук, які в результаті розпаду і перегрупування дають оксид азоту (II) і елементний азот.

Швидкість каталітичного окислення аміаку за реакцією (1) дуже висока. За десятитисячні частки секунди ступінь перетворення аміаку в оксид азоту (II) досягає 97-98% при атмосферному тиску і 95-96% під тиском до 0,88-0,98 МПа. Однак вихід оксиду азоту (II) може бути різним на одному і тому ж каталізаторі залежно від обраних технологічних параметрів - температури, тиску, лінійної швидкості газу, вмісту аміаку в аміачно-повітряної суміші, напруженості каталізатора, числа сіток і деяких інших факторів.

Вплив температури. Температура впливає на вихід оксиду азоту (II). Залежність виходу NO від температури на платиновому каталізаторі показана на рис.1. При підвищенні температури вихід NO зростає, причому існує оптимальна температура (для чистої платини 900-920 С), при якій досягається максимальний вихід.

Велике значення має температура запалювання каталізатора, яка залежить від складу каталізатора і в меншій мірі від складу аміачно-повітряної суміші. На платині реакція окислення аміаку починається при 195 ° С. Особливістю окислення є те, що спочатку відбувається так зване м'яке окислення аміаку до молекулярного азоту. Помітне кількість оксиду азоту (II) починає з'являтися при 300 ° С. Зі зростанням температури вихід оксиду азоту (II) зростає, досягаючи максимального значення 96% на чистій платині і 99% на сплавах Pt - Pd - Rh. Проведення процесу при високих температурах крім збільшення виходу оксиду азоту (II) має й інші переваги: ​​зростає швидкість реакції окислення аміаку і зменшується час контактування. Так, при підвищенні температури з 650 до 900 ° С час контактування скорочується з 5.10 -4 до 1,1 · 10-4 c. Але при підвищенні температури збільшуються втрати дорогої платини, тобто погіршуються економічні показники процесу. Для економічного проведення окислення аміаку рекомендуються наступні умови:

Тиск, МПа

0.1

0.304-0.51

0.71-1.011

Температура, ° С

780-800

850-870

880-920

Підвищення температури з 780 до 850 ° С, призводить до збільшення прямих втрат каталізатора майже вдвічі.

При виборі температури конверсії необхідно також враховувати наявність домішок в аміачно-повітряної суміші. Температура повинна бути тим вище, чим більше домішок міститься у вихідній суміші.

Вплив тиску. Зі зростанням тиску спостерігається зниження виходу оксиду азоту (II). Тому проектування і спорудження установок з використанням підвищеного тиску на стадії конверсії аміаку стримувалися. Разом з тим використання високого тиску при окислюванні аміаку дозволяє підвищити продуктивність агрегату, зменшити розміри апаратів. Цей факт у зв'язку з прагненням до збільшення одиничної потужності агрегатів набуває все більшого значення. На сучасних великих агрегатах виробництва азотної кислоти процес окислення аміаку здійснюється під тиском 0,41 - 0,73 МПа.

Основною умовою отримання високих виходів NO під тиском вище атмосферного є підвищення температури і часу контактування (збільшення числа сіток).

Підвищенням тиску в процесі конверсії можна збільшити лине йную швидкість газу та інтенсивність каталізатора, що в свою чергу пов'язано зі збільшенням числа каталізаторних сіток. Очевидно, що такі параметри, як тиск, лінійна швидкість газу, інтенсивність каталізатора, тісно пов'язані між собою і при виборі режиму окислення для отримання високого виходу NO повинні підбиратися з особливою ретельністю.

Вплив концентрації аміаку. Для окислення аміаку, як уже зазначалося, застосовують повітря. Тому концентрація NH 3 в аміачно-повітряної суміші визначається в тому числі вмістом кисню в повітрі. Відповідно до рівняння реакції 4 NH 3 + 5 O 2 = 4 NO +6 H 2 O для повного окислення 1 моль аміаку необхідно 1.25 моль кисню. Виходячи з цього, визначимо максимально можливий зміст аміаку в аміачно-повітряної суміші (об'ємні частки,%).

Однак при співвідношенні O 2: NH 3 = 1,25 навіть при атмосферному тиску вихід оксиду азоту (II) не перевищує 60-80%. Крім того, при вмісті в суміші 14.4% NH 3, довелося б працювати в області вибухонебезпечних концентрацій. Нижня межа вибуховості аміачно-повітряної суміші при атмосферному тиску складає 13,8% NH 3.

Межі вибуховості аміачно-повітряних сумішей показані на рис.2. При збільшенні співвідношення O 2: NH 3 до 1,7, що відповідає змісту аміаку в суміші 11,5%, вихід NO зростає. При подальшому збільшенні співвідношення O 2: NH 3 шляхом зниження концентрації аміаку вихід оксиду азоту (II) змінюється незначно.


Таким чином, при використанні повітря максимально можливою концентрацією аміаку в аміачно-повітряної суміші, при якій досягається високий вихід NO, є 11,0-11,5%, і співвідношення O 2: NH 3 = 1,7 при температурах 870 - 920 ° С. На рис.3 представлена ​​залежність виходу NO від співвідношення O 2: NH 3, в аміачно-повітряної суміші. Для отримання високого виходу NO необхідний приблизно 30%-ний надлишок кисню понад стехіометричного. Це пов'язано з тим, що поверхня платинового каталізатора повинна бути постійно насичена киснем (у відсутність кисню аміак вже при 500 ° С починає розкладатися на азот і кисень).

Каталізатори. Перевага платини по активності та селективності над усіма іншими видами каталізаторів було показано в 1902 р. Оствальдом. Характерно, що активність до реакції окислення аміаку проявляє переважна більшість металів та їх сполук, але високий вихід NO (вище 90%) забезпечують дуже мало хто з них.

Володіючи високою активністю і селективністю, платина має низьку температуру запалювання ~ 200 ° С, хорошу пластичність, тягучість. Недолік платини - її швидке руйнування при високих температурах під впливом великих швидкісних потоків реагентів і катав ізаторних отрут. Це призводить до втрат дорогого каталізатора і зниження виходу NO, що і стало причиною пошуків каталітично активних сплавів платини з іншими металами.

Проведені промислові випробування показали стабільну роботу каталізаторів з платини з добавками паладію, а також з потрійного сплаву Pt - Rh - Pd, це і послужило підставою для їх промислової реалізації. Найбільшого поширення набули такі каталізатори окислення аміаку (ГОСТ 3193-59):

Pt + 4% Pd + 3.5% Rh - для роботи при атмосферному тиску і Pt + 7,5% Rh - при підвищеному тиску.

Використовувані для контактного окислення NH 3 каталізатори виготовляють у вигляді сіток. Така форма каталізатора зручна в експлуатації, пов'язана з мінімальними витратами металу, дозволяє застосовувати найбільш простої і зручний в експлуатації тип контактного апарату. У Росії застосовуються сітки з дроту діаметром 0,09 мм (ГОСТ 3193-74), розмір сторони чарунки 0,22 мм, число клітинок на 1 см довжини - 32, на 1 см2 - 1024.

Платинородієві (ГИАП-1) і платінородіевопалладіевие (сплав № 5) каталізатори вельми чутливі до ряду домішок, які містяться в аміаку та повітрі. До таких домішок відносяться гідриди фосфору і миш'яку, фтор та його сполуки, дихлоретан, мінеральні масла, ацетилен, діоксид сірки, сірководень та ін Найбільш сильними отрутами каталізатора є сполуки сірки і фтору. Домішки помітно знижують селективність каталізатора, сприяють збільшенню втрат платини. Для підтримки стабільної ступеня конверсії аміаку необхідна ретельна очистка аміачно-повітряної суміші і від механічних домішок, особливо від оксидів заліза і пилу залізного каталізатора синтезу аміаку. Пил і оксиди заліза, потрапляючи на каталізаторних сітки, засмічують їх. зменшуючи поверхню дотику газів з поверхнею каталізатора, і знижують ступінь окислення аміаку.

Чистоту вихідних речовин у виробництві азотної кислоти забезпечують двома шляхами - здійсненням далекого забору повітря та удосконаленням систем очищення повітря та аміаку.

В процесі реакції окислення аміаку поверхню платіноідних сіток сильно розпушується, еластичні нитки сіток стають крихкими. При цьому поверхня сітки збільшується приблизно в 30 разів Спочатку це веде до підвищення каталітичної активності каталізатора, а потім до руйнування сіток. Практикою встановлено наступні терміни роботи каталізаторних сіток: для роботи під атмосферним тиском - до 14 міс. під тиском 0,73 МПа 8-9 міс.

Час контактування. Реакція окислення аміаку відбувається під внешнедіффузіонной області, і тому збільшення об'ємної швидкості робить позитивний вплив на інтенсивність процесу. З підвищенням, до певної межі, об'ємної швидкості потік газової суміші стає більш турбулентним, що збільшує швидкість дифузії вихідних речовин до поверхні каталізатора. Поряд з цим зменшується час зіткнення газової суміші з гарячими стінками апаратів, що знижує можливість окислення аміаку до азоту. Зі зменшенням часу контактування вихід NO збільшується і при t = 1.10 -4 з досягає максимуму (рис. 4). При подальшому зростанні об'ємної швидкості (зменшенні t) можливий проскакування аміаку, який за контактною зоною перетворюється на елементарний азот при окисленні киснем. Не виключена також можливість утворення азоту при взаємодії аміаку з оксидом азоту (II).

У заводських умовах в залежності від якості каталізатора і точності дотримання заданого технологічного режиму досягається значна селективність процесу, і вихід оксиду азоту (II) складає 98%. За оптимальних умов проведення процесу і правильному підборі конструкційних матеріалів побічні реакції не мають істотного значення.


Окислення оксиду азоту (II)

Нітрозні гази, отримані при окисленні аміаку, містять оксид азоту (II), азот, кисень і пари води. При переробці нітрозних газів в азотну кислоту необхідно окислити оксид азоту (II) до діоксиду. Реакція окислення оборотна,

2NO + O2 Û 2NO2 + 124 кДж

протікає зі зменшенням обсягу і супроводжується виділенням теплоти. Отже, відповідно до принципу Ле Шательє, зниження температури і підвищення тиску сприяють зсуву рівноваги реакції вправо, тобто в бік утворення NO 2. Нижче наведені значення константи рівноваги реакції окислення для різних температур.

t, ° С

20

100

200

300

500

900

Kp

1.24 · 1013

1.82 · 107

7.41 · 103

45.5

8.5 · 10-2

1.51 · 10-4

З яких видно, що при температурах до 100 ° С рівновагу реакції практично повністю зрушено в бік утворення NO 2. При більш високій температурі рівновагу зміщується в ліву сторону і при температурі вище 700 ° С освіти діоксиду азоту практично не відбувається. У зв'язку з цим у гарячих нітрозних газах, що виходять з контактного апарату, NO 2 відсутній, і для його отримання газову суміш необхідно охолодити до температури нижче 100 ° С.

Як видно з рівняння для константи рівноваги при підвищенні парціального тиску кисню парціальний тиск оксиду азоту (IV) також збільшиться так як від загального тиску константа рівноваги залежить дуже мало.

Окислення оксиду азоту (II) - найповільніша стадія виробництва азотної кислоти. Швидкість реакції окислення, визначальну швидкість всього процесу, можна виразити таким чином:

Він a сильно залежить від концентрації реагентів, тиску і температури. Застосування у виробництві азотної кислоти повітря, збагаченого киснем, або чистого кисню дозволяє отримувати нітрозні гази з підвищеним вмістом оксиду азоту (II) і збільшити швидкість окислення NO в NO 2.

Реакція окислення NO в NO 2 прискорюється при зниженні температури, а з підвищенням температури сповільнюється майже до повного припинення. Для пояснення цього явища запропоновано кілька гіпотез, одна з яких, найбільш визнана, полягає в тому, що окислення NO в N О2 йде через освіту проміжного продукту - димера оксиду азоту (II):

2NO Û (NO) 2 + Q

O2 + (NO) 2 Û 2NO2 + Q

Освіта димера оксиду азоту - процес оборотний, що протікає з виділенням теплоти. Отже, підвищення температури викличе зміщення рівноваги цієї реакції в ліву сторону. При цьому константа рівноваги буде зменшуватися і рівноважна концентрація димера в газовій суміші буде знижуватися. Швидкість подальшого окислення димера в діоксид залежить від

концентрації димера Таким чином, зменшення швидкості окислення оксиду азоту в діоксид з підвищенням температури можна пояснити сильним зниженням концентрації димера.

В установках, що працюють під атмосферним тиском, окислюють оксид азоту приблизно на 92%, а залишився NO поглинають (спільно з NO 2) лугом, так як для окислення знадобилося б багато часу і відповідно великі обсяги апаратури. Зазвичай переробку нітрозних газів в розбавлену кислоту проводять при температурах 10-50 ° С, при яких частина діоксиду азоту полімеризується в N 2 O 4:

2 NO 2 Û N 2 O 4 + 57 кДж

Залежність ступеня полімеризації NO 2 від температури характеризується такими даними:

Температура, ° С

200

100

70

30

0

-20

Ступінь поли-, мерізаціі%

0.7

2.5

38

77.8

89

92

Швидкість полімеризації NO 2 дуже висока, тому в будь-який момент часу числове значення відношення NO 2: N 2 O 4 визначається умовами рівноваги, що встановлюється практично миттєво. Так як реакція протікає із зменшенням обсягу, то збільшення тиску сприяє утворенню N 2 O 4.

Нітрозні гази, що надходять на абсорбцію, містять NO 2;. N 2 O 4, NO, N 2 O, N 2, N 2 O 3 пари води.

Абсорбція діоксиду азоту

Всі оксиди азоту, за винятком NO, взаємодіють з водою з утворенням азотної кислоти. Поглинання оксидів азоту водою пов'язане з розчиненням в ній NO 2, N 2 O 4, N 2 O 3 та з утворенням азотної і азотистої кислот. Азотистая кислота є малостійкі з'єднанням і розпадається на азотну кислоту, оксид азоту (II) і воду. Абсорбція протікає за схемою

2NO2 + H2O Û HNO3 + HNO2 + 116 кДж (7)

3HNO2 Û HNO3 + 2NO + H2O - 76 кДж (8)

Сумарно взаємодія NO 2 з водою можна представити рівнянням реакції

3NO2 + H2O Û 2HNO3 + NO + 136 кДж (9)

яке є вихідним для всіх розрахунків процесу абсорбції. З нього випливає, що з 3 моль NO 2 утворюється 2 моль Н NO 3 і 1 моль NO, який знову окислюється до NO 2:

2NO + O2 Û 2NO2 (10)

Механізм утворення розведеної азотної кислоти можна представити таким чином. У газовій фазі NO 2 і N 2 O 4 постійно знаходяться в стані хімічної рівноваги та їх перенесення на поверхню дотичних фаз відбувається відповідно до законів молекулярної дифузії газів. У прикордонному шарі газ - рідина відбувається перехід NO 2 в рідку фазу. Потім після розчинення NO 2 відбувається хімічна реакція (7), яка в порівнянні з процесом дифузії протікає відносно швидко.

Далі в рідкій фазі відбувається порівняно повільне розкладання азотистої кислоти по реакції (8). Утворений NO частково окислюється в розчині киснем, але його велика частина взаємодіє з киснем уже в газовій фазі по реакції (10). Одночасно з абсорбцією і протіканням хімічних реакції в розчині в газовій фазі частково відбуваються ті ж реакції, що призводять до утворення азотної кислоти. Повільним процесом, що визначає швидкість поглинання оксидів азоту, є дифузія їх в рідку фазу. При взаємодії парів води і діоксиду азоту в газовій фазі відбувається утворення кислотного туману, внаслідок цього створюється додаткове опору при поглинанні оксидів азоту.

Ступінь поглинання діоксиду азоту водними розчинами азотної кислоти визначається такими факторами, як температура, тиск, концентрація кислоти. При зниженні температури і концентрації кислоти і підвищенні тиску ступінь перетворення діоксиду азоту зростає. При концентрації азотної кислоти вище 65% поглинання майже припиняється. Концентрація одержуваної азотної кислоти визначається умовами рівноваги NO 2 над кислотою.

Слід зазначити, що ступінь окислення NO в NO 2 залежить від вільного об'єму, а кількість поглинаються оксидів азоту - від поверхні зіткнення газу з рідиною. Тому одне з основних вимог, що пред'являється до абсорбційної апаратурі, - створення максимального вільного об'єму при одночасно сильно розвиненою поверхні поглинання.

У промисловості використовують різні типи абсорбційних колон з ковпачковими тарілками, з сітчаті тарілками, переливними склянками і ін

Обгрунтування запропонованої технології

Сировиною служить недорогий і легко доступний синтетичний аміак, який при оптимально підібраних параметрах практично весь йде на отримання монооксиду азоту; реакція протікає необоротно і швидко і не вимагає рецикла. Застосування підвищеного тиску сприяє зменшенню розмірів апаратів і збільшення продуктивності, але при цьому збільшується температура і кількість сіток каталізатора. Для забезпечення виходу оксиду азоту понад 98% при тисках 0,41 - 0,71 МПа необхідна температура вище 950 0С, зате час контактування стає менше 1,1 × 10-4 с, а швидкість газу понад 160 л / хв. Взагалі, підвищення температури сприяє збільшенню виходу, але це призводить до великих прямих втрат дорогого каталізатора.

Оскільки окислення оксиду азоту (II) протікає при низьких температурах суміш охолоджується водою, яка, перетворюючись на пару, йде на технологічні потреби, а це економічно вигідно. Абсорбція діоксиду азоту відбувається в колоні очищеною водою, причому ступінь абсорбції досягає 99%, а вміст оксидів азоту у вихлопних газах до 0,11%.

Обгрунтування вибору технологічних параметрів

Аміачно-повітряна суміш, що подається в контактний апарат, не повинна містити більше 10%, інакше каталізатор не буде повністю покритий киснем і почнеться окислення аміаку до азоту. Хоча максимально можливої ​​концентрацією аміаку, при якій досягається високий вихід, є 11,0 - 11,5%, використовується більш низька, оскільки швидкість газу велика і необхідний запас на випадок проскакування. Конверсія протікає при температурах 870 - 900 0С і тиск 0,716 МПа. Ці параметри були підібрані на основі економічних показників, т. к. підвищення температури збільшує як вихід, так і прямі втрати платинового каталізатора.

Реакцію окислення NO в NO 2 починають проводити при температурі 170 0С, достатньої для забезпечення хорошого виходу і швидкості. За рахунок теплоти реакції відбувається розігрів до 300 0С. Ступінь окислення становить близько 85%. Абсорбцію діоксиду азоту ведуть при температурі 35 - 40 0С, оскільки це сприяє зсуву рівноваги вправо, концентрація кислоти на виході досягає 55-58%.

Функціональна схема отримання азотної кислоти.

Опис технологічної схеми процесу

У 1960-их роках розроблено агрегат з виробництва азотної кислоти потужністю 120 тис. т / рік під тиском 0,716 МПа з використанням високотемпературної каталітичного очищення вихлопних газів, що випускає продукцію у вигляді 53-58%-ной HNO 3. Технологічна схема цього виробництва у спрощеному варіанті представлена ​​на малюнку 5.



Рис.5 Схема виробництва азотної кислоти під тиском 0,716 МПа з приводом компресора від газової турбіни:

1 - фільтр повітря; 2 - реактор каталітичного очищення, 3 - топковий пристрій, 4 - підігрівач метану, 5 - підігрівач аміаку; 6 - змішувач аміаку і повітря з пролітовим фільтром; 7 - холодильник-конденсатор; 8 - сепаратор, 9 - абсорбційна колона ; 10 - продувальна колона; 11 - підігрівач відхідних газів; 12 - підігрівач повітря, 13 - посудина для окислення нітрозних газів; 14 - контактний апарат; 15 - котел утилізатор; 16,18 - двоступінчастий турбокомпресор, 17 - газова турбіна

Атмосферне повітря проходить ретельне очищення в двухступенчатом фільтрі 1. Очищене повітря стискають двоступінчастим повітряним компресором. У першій щаблі 18 повітря стискають до 0,35 МПа, при цьому він нагрівається до 165-175 º С за рахунок адіабатичного стиснення. Після охолодження повітря направляють на другий ступінь стиснення 16, де його тиск зростає до 0,716 МПа.

Основний потік повітря після стиснення нагрівають в підігрівачі повітря 12 до 250-270 º С теплотою нітрозних газів і подають на змішання з аміаком в змішувач 6.

Газоподібний аміак, отриманий шляхом випаровування ждкого аміаку, після очищення від вологи, масла й катализаторной пилу через підігрівач 5 при температурі 150 º С також направляють в змішувач 6. Змішувач суміщений в одному апараті з поролітовим фільтром. Після очищення аміачно-повітряну суміш із вмістом NH 3 не більше 10% подають в контактний апарат 14 на конверсію аміаку.

Конверсія аміаку протікає на платинородієві сітках при температурі 870-900 º С, причому ступінь конверсії становить 96%. Нітрозні гази при 890-910 º С надходять в котел-утилізатор 15, розташований під контактним апаратом. У котлі за рахунок охолодження нітрозних газів до 170 º С відбувається випаровування хімічно очищеної деаерірованной води, що живить котел-утилізатор; при цьому отримують пар з тиском 1,5 МПа і температурі 230 º С, який видається споживачеві.

Після котла-утилізатора нітрозні гази надходять в окислювач нітрозних газів 13. Він являє собою порожнистий апарат, у верхній частині якого встановлений фільтр з скловолокна для уловлювання платинового каталізатора. Частково окислення нітрозних газів відбувається вже в котлі-утилізаторі (до 40%). У окислювачі 13 ступінь окислення зростає до 85%. За рахунок реакції окислення нітрозні гази нагріваються до 300-33 5 º С. Ця теплота використовується в підігрівачі повітря 12. Охолоджені в теплообміннику 12 нітрозні гази надходять для подальшого охолодження в теплообмінник 11, де відбувається зниження їх температури до 150 º С і нагрівання вихлопних (хвостових) газів до 110 - 125 º С. Потім нітрозні гази направляють в холодильник-конденсатор 7, охолоджуваний зворотному водою. При цьому конденсуються водяні пари і і утворюється слабка азотна кислота. Нітрозні гази відокремлюють від сконденсировавшейся азотної кислоти в сепараторі 8, з якого азотну кислоту направляють в адсорбційну колону 9 на 6-7-ю тарілку, а нітрозні гази - під нижню тарілку абсорбційної колони. Зверху в колону подають охолодженим паровий конденсат. Настає у верхній частині колони азотна кислота низької концентрації перетікає на нижележащие тарілки. За рахунок поглинання оксидів азоту концентрація кислоти поступово збільшується і на виході досягає ~ 1%. Тому кислота направляється в продувальну колону 10, де підігрітим повітрям з неї віддувають оксиди азоту, і вибілена азотна кислота надходить на склад. Повітря після продувочной колони подається в нижню частину абсорбційної колони 9.

Ступінь абсорбції оксидів азоту досягає 99%. Вихідні з колони хвостові гази з вмістом оксидів азоту до 0,11% при температурі 35 º С проходять підігрівач 11, де нагріваються до 110-145 º С і надходять в топковий пристрій (камера спалювання 3 установки каталітичного очитски. Тут гази нагріваються до температури 390 -450 º С за рахунок горіння природного газу, підігрітого попередньо в підігрівачі 4, і направляються в реактор з двошаровим каталізатором 2, де першим шаром служить оксид алюмінію з нанесеним на нього паладієм, другим шаром - оксид алюмінію. Очищення здійснюють при 760 º С. Очищені гази надходять в газову турбіну 17 при температурі 690-700 º С; енергія, що виробляється турбіною за рахунок теплоти хвостових газів, використовується для приводу турбокомпресора 18. Потім гази направляють в котел-утилізатор і економайзер (на схемі не показані) і викидають в атмосферу . Зміст оксидів азоту в очищених вихлопних газах становить 0,005-0,008%, вміст CO 2 - 0,23%.

Розрахунок матеріального балансу ХТС.

Блок-схема

Рис.2. Структурна блок-схема виробництва азотної кислоти:

1 - блок підготовки сировини; 2 - блок окислення аміаку, 3 - блок абсорбції нітрозних газів.

Таблиця 1

Склади потоків

потоку

Індекс потоку

Од. вимір.

Вміст компонентів




NH 3

O2

N2

NO

H2O

HNO3

1

010

кмоль

100%






2

011

кмоль


21%

79%




3

12

кмоль

10%

18,9%

71,1%




4

23

кмоль


Кмоль

кмоль

кмоль

кмоль


5

030

кмоль





кмоль


6

031

кмоль


Кмоль

кмоль




7

301

кг





42%

58%

8

302

кмоль


3,2%

кмоль

кмоль

2,7%


Рівняння матеріального балансу ХТС.

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + Q

2NO + 1.5O2 + H2O = 2HNO3 + Q

Рівняння для блоку контактування:

По оксиду азоту:

По азоту:

По кисню:

По воді:

Рівняння для блоку абсорбції:

По оксиду азоту:

По воді:

По кисню:

Рівняння для потоку вихлопних газів:

Підготовка рівнянь для рішення на ЕОМ.

Таблиця 2

Відповідність змінних потокам

Найменування потоку

Умовне позначення

xi

Розмірність

Значення за розрахунком

Аміачно-повітряна суміш

N 12

x 1

кмоль

415.33

Оксид азоту в потоці 23

N23NO

x2

кмоль

40.29

Азот в потоці 23

N 23 N 2

x 3

кмоль

295.92

Кисень в потоці 23

N 23 O 2

x 4

кмоль

27. 20

Вода в потоці 23

N 23Н2О

x 5

кмоль

62.30

Вода в блок 3

N 030

х6

кмоль

68. 19

Вихлопні гази

N 302

х7

кмоль

373.07

Повітря в блок 3

N 031

х8

кмоль

69.03

Таблиця 3

Матриця коефіцієнтів

рівняння

bi при xi

Вільний член


х1

х2

х3

х4

х5

х6

х7

х8


1

0,079

-1

0

0

0

0

0

0

0

2

0,713

0

-1

0

0

0

0

0

0

3

0,187

-1,25

0

-1

0

0

0

0

0

4

-0,15

0

0

0

1

0

0

0

0

5

0

1

0

0

0

0

0

0

40,286

6

0

0

0

0

1

1

-0,027

0

120,416

7

0

0

0

1

0

0

-0,032

0,21

29,762

8

0

-0,015

-1

0

0

0

0,941

0,79

0

Вирішуємо систему за допомогою електронних таблиць EXCEL матричним способом: примножуючи зворотну матрицю на матрицю вільних членів.

Результати розрахунку.

Таблиця 4

Матеріальний баланс хіміко-технологічної системи виробництва азотної кислоти на 2500 кг

Введено

Отримано

Стаття приходу

Маса, кг

%

Стаття витрати

Маса, кг

%







Аміак

706,1

4,80

58% - ная азотна кислота:

4310,3

29,31

Повітря:

12771,1

86,85

Азотна кислота

2500

17,00

Кисень

2975,8

20,24

Вода

1810,3

12,31

Азот

9795,3

66,61

Вихлопні гази:

10394,2

70,69

Вода

1227,4

8,35

Оксид азоту

18,1

0,12




Азот

9812,7

66,73




Кисень

382,0

2,60




Вода

181,3

1,23

Всього:

14704,5

100

Всього:

14704,5

100

Потокова діаграма матеріального балансу

Масштаб: 1 см = кг

Розрахунок основних технологічних показників процесу

Витратні коефіцієнти по сировині (аміаку):

Теоретичний видатковий коефіцієнт:

Практичний видатковий коефіцієнт:

Конверсія аміаку.

(За умовою).

Вихід.

Селективність.

оскільки ступінь перетворення дорівнює 100%.

Список використаної літератури

  1. Кутєпов А.М., Бондарева Т.І., Беренгартен М.Г. Загальна хімічна технологія. - М.: Вища. шк., 1990. - 520 с.

  2. Мухленов І.П., Авербух А.Я., Кузнєцов Д.А. та ін Під ред. І.П. Мухленова. Загальна хімічна технологія: підручник для хіміко-технологічних спеціпльностей. Т.2. Найважливіші хімічні виробництва. - М.: Вища. шк., 1984. - 264 с.

  3. Атрощенко В.І., Каргин С.І. Технологія азотної кислоти. - М.: Хімія, 1970. - 496 с.


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Хімія | Курсова
104.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Азот азотна кислота
Соляна кислота
Сірчана кислота
Фолієва кислота
Глютамінова кислота
Фосфатна кислота та її солі
Нітратна кислота її властивості
Аспаргиновой кислота і гліцин
© Усі права захищені
написати до нас