Производство азотной кислоты

Министерство образования  и науки Украины

Сумский государственный университет

кафедра общей химии

 

 

 

К У Р С  О В А Я    Р А Б  О Т А

по дисциплине «Общая химическая технология»

на тему:

«Производство   азотной   кислоты»

 

 

 

 

 

Студент                                                      Ткаля О.Н.

Группа                                                        ХМ─11

Вариант                                                       6

Преподаватель                                           доц. Воробьева И.Г.

 

 

 

2004

ЗАДАНИЕ

Вследствие конденсации  части водяного пара, окисление NO до NO₂ и поглощение NO₂ конденсированной водою образуется 40% азотная кислота. Рассчитать состав нитрозного газа после охлаждения, количество полученной азотной кислоты и составить тепловой баланс холодильника для охлаждения нитрозных газов, поступающих из конвертора с температурой 180˚C, а выходящих с температурой 30˚C. Состав нитрозных газов на выходе из конвертора (%, об.):

NO – A; O₂ – B; N₂ – C; H₂O – D 

Температура азотной  кислоты, которая отводится из холодильника, равняется 30˚C. Теплозатраты составляют Х%. Расчет вести на 100 кмоль нитрозных газов.

Исходные данные: А=9%; В=7.1%; С=69%; D=14.9%; X=2%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

С о д е р ж а н и е

 

Введение…………………………………………………………………………..4

 Технологическая часть…………………………………………………………  6

1. Физико-химические основы производства азотной кислоты…………........ 6

         1.1Физико-химические  основы процесса конверсии аммиака…………..6

         1.2  Окисление  оксида азота(II)…………………………………………...10

         1.3   Абсорбция диоксида азота…………………………………………...11

2. Технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты.......14

3.  Схема контактного  аппарата………………………………………………...17

 Расчетная часть………………………………………………………………….19

1. Материальный баланс…………………………………………………19
2. Энергетический расчет……………………………………………......20

Литература……………………………………………………………………….24

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В в е д е н и  е

 

Химическая промышленность ─ одна из ведущих отраслей народного  хозяйства. Ей принадлежит определяющая роль в ускорении научно-технического прогресса, повышении эффективности производства, материального и культурного уровня жизни народа.

Химическая технология является научной  основой химической и смежных  с нею отраслей промышленности, а  базой технического прогресса этих отраслей ─ химическое машиностроение. Знание химии необходимо для плодотворной деятельности инженера любой отрасли народного хозяйства. В процессе изучения химии формируется диалектическое мышление, вырабатывается взгляд на мир в целом, расширяется  и углубляется мировоззрение. Химическая подготовка современного специалиста заключается не в накоплении фактических сведений о свойствах различных материалов, не в запоминании существующих технологических рекомендаций, а в создании химического мышления, помогающего решать вопросы качества, надежности и многие частные химико-технологические проблемы.

Основные тенденции  развития современной химической промышленности связаны, прежде всего, с решением глобальных проблем человечества. К ним относятся: продовольственные ресурсы земли; ресурсы минерального сырья для промышленности; энергетические ресурсы; предотвращение загрязнения биосферы. Все эти проблемы взаимосвязаны и должны решаться комплексно.

Конечной целью химической технологии является производство пищевых продуктов из минерального сырья, ресурсы которого практически неисчерпаемы. Это уменьшит зависимость человека от резких колебаний в отдельные годы производства продуктов питания биологическим путем.

Азотная кислота является одним из важнейших многотоннажных продуктов химической промышленности. Она занимает второе место по объему производства после серной кислоты. Азотная кислота широко применяется для производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве. Так, около 40% ее расходуется на получение сложных и азотных минеральных удобрений; азотная кислота используется для производства синтетических красителей, взрывчатых веществ, нитролаков, пластических масс, лекарственных синтетических веществ и других важнейших продуктов.

Сырьем для получения  азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода.

А м м и а к. Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло (при сжатии поршневым компрессором). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка

осуществляется в фильтрах, состоящих  из чечевицеобразных элементов, фильтрующим  материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно-воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.

В о з д у х. Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи его. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

В о д а. Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Т е х н о л о г и ч е с к а я   ч а с т ь

 

1. Физико-химические основы производства азотной кислоты

 

Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

► конверсия аммиака с целью получения оксида азота

      4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O

► окисление оксида азота до диоксида азота

       2NO+O₂ ↔ 2NO₂

► абсорбция оксидов азота водой

        3NO₂+H₂O = 2HNO₃+H₂O

Суммарная реакция образования  азотной кислоты выражается уравнением    NH₃+2O₂ = HNO₃+H₂O  

 

1. Физико-химические основы процесса конверсии аммиака

 

Окисление аммиака кислородом воздуха без катализатора возможно только до .

На катализаторе между аммиаком и кислородом протекают следующие  параллельные реакции:

4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O+946    кДж                                                           (1)

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

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

Одновременно с этими  реакциями могут протекать (параллельно  и последовательно) побочные реакции:

4NH₃+6NO=5N₂+6H₂O                                                                              (4)

2NH₃=N₂+3H₂                                                                                              (5)

2NO=N₂+O₂                                                                                                 (6)

Приведенные уравнения  каталитического окисления аммиака  являются суммарными и не отражают истинного механизма процесса.

Среди реакций окисления  аммиака кислородом наибольшую термодинамическую вероятность имеет реакция (2), характеризующаяся наибольшим изменением энергии Гиббса. Вероятность реакции (1) с повышением температуры возрастает почти вдвое, а реакция (2) почти не изменяется.

Реакции окисления аммиака  сопровождаются значительной убылью свободной  энергии, протекают с большой  скоростью практически необратимо (до конца). Теплоты, выделяющейся в  результате реакции, вполне достаточно, чтобы процесс протекал автотермично.

Катализаторы, применяемые  для окисления аммиака, должны обладать   

избирательными свойствами, т.е. ускорять только одну из трех возможных реакций, а именно реакцию (1) окисления аммиака до оксида азота(II).

Наиболее селективным  и активным катализатором данной реакции оказался платиноидный катализатор, представляющий собой сплав платины  с палладием и родием.

Каталитическое окисление  аммиака – многостадийный гетерогенно-каталитический процесс, протекающий во внешнедиффузионной области. Лимитирующей стадией процесса является диффузия аммиака к поверхности катализатора. Ряд гипотез относительно механизма окисления аммиака на платиноидных катализаторах сводится к предложениям об образовании в процессе окисления NH₃ нестойких промежуточных соединений, которые в результате распада и перегруппировки дабт оксид азота(II) и элементарный азот.

Скорость каталитического окисления аммиака по реакции (1) очень

высокая. За десятитысячные доли секунды  степень превращения аммиака в оксид азота (II) достигает 97 - 98% при атмосферном давлении и 95 - 96% под давлением до 0.88 - 0.98 МПа. Однако выход оксида азота (II)может быть различным на одном и том же катализаторе в зависимости от выбранных технологических условий – температуры, давления, линейной скорости газа, содержания аммиака в аммиачно-воздушной смеси, напряженности катализатора, числа сеток и некоторых других факторов.

В л и я н и е   т е м п е р а т у р ы. Температура оказывает наибольшее влияние на выходе оксида азота (II). При повышении температуры выход NO возрастает, причем существует оптимальная температура (для чистой платины 900 - 920˚C), при которой достигается максимальный выход.

Большое значение имеет температура  зажигания катализатора, которая  зависит от состава катализатора и в меньшей степени от состава аммиачно-воздушной смеси. На платине реакция окисления аммиака начинается при 195˚C. Особенностью окисления является то, что сначала происходит так называемое «мягкое» окисление аммиака до молекулярного азота. Заметное количество оксида азота (II) начинает появляться при 300˚C. С ростом температуры выход оксида азота (II) растет, достигая максимального значения 96% на чистой платине и 99% на сплавах Pt – Pd – Rh. Проведение процесса при высоких температурах, помимо увеличения выхода оксида азота (II), имеет и другие преимущества: растет скорость реакции окисления аммиака и уменьшается время контактирования. Так. При повышении температуры с 650 до 900˚C время контактирования сокращается с 5·10^-4 до 1.1·10^-4 с. Но при повышении температуры увеличиваются потери дорогостоящей платины, т.е. ухудшаются экономические показатели процесса. Для экономичного проведения процесса рекомендуются следующие условия:

 

Давление, МПа………      0.1             0.304 – 0.51        0.71 – 1.011

         

          Температура,˚C……    780 – 800          850 – 870   880 – 920

 

 

Повышение температуры  с 780 до 850˚C приводит к увеличению прямых потерь катализатора почти вдвое.

При выборе температуры конверсии  необходимо также учитывать наличие примесей в аммиачно-воздушной смеси. Температура должна быть тем выше, чем больше примесей содержится в исходной газовой смеси.

В л и я н и е   д а в л е н и я. С ростом давления наблюдается снижение выхода оксида азота (II). Поэтому проектирование и сооружение установок с использованием повышенного давления на стадии конверсии аммиака сдерживалось. Вместе с тем использование повышенного давления при окислении аммиака позволяет повысить производительность агрегата, уменьшить размеры аппарата. На современных крупных агрегатах производства азотной кислоты процесс окисления аммиака осуществляется под давлением 0.41 – 0.73 МПа.

Основным условием получения высоких  выходов NO под давлением выше атмосферного являются повышение температуры и времени контактирования (увеличение числа сеток). Так, для обеспечения выхода оксида азота (II) более 98% при давлениях 0.41 – 0.71 МПа необходимы температуры выше 950˚C.