Технология производства азотной кислоты

 

Міністерство  освіти і науки, молоді і спорту України

Дніпродзержинський  державний технічний університет

 

Кафедра хімічної технології неорганічних речовин

Академічна  група  ХТНР-09-1д

Дисципліна  Кислоти та луги

 

 

 

Курсова робота

на тему: «»

 

 

 

 

Виконав         О.С. Гуска

Керівник роботи        Я.М. Черненко

Захист відбувся

Оцінка

 

 

 

Дніпродзержинськ

2012

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

Пояснювальна записка: 22 c., 2 рис., 4 бібліогр.

Об′єкт опису – виробництво  азотної кислоти.

В курсовій роботі розглянуті технологія азотної кислоти і фізико-хімічні основи виробництва.

Описана технологічна схема виробництва  азотної кислоти під

підвищеним тиском та апаратурне оформлення контактного апарату.

Виконаний матеріальний баланс . 

 

 

 

 

АЗОТНА КИСЛОТА, АМІАК, АМІАЧНО-ПОВІТРЯНА СУМІШ, КАТАЛІЗАТОР, НІТРОЗНИЙ ГАЗ, КОНТАКТНИЙ АПАРАТ 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Зміст      с

Вступ . . . . . . . . . 5

1. Загальна частина

1.1 Технологія азотної кислоти . . . . . 6

1.2 Фізико-хімічні основи виробництва . . .  7

2. Технологічна частина

2.1 Технологічна схема виробництва  азотної кислоти під

підвищеним тиском . . . . . . . . 12

2.2 Апаратурне оформлення контактного апарату . . 14

3. Розрахункова частина

3.1 Технологічні розрахунки . . . . . . 

Висновки . . . . . . . . . 21

Перелік літератури . . . . . . . 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступ

Азотна кислота відома з давніх часів. Починаючи з XVII ст азотну кислоту готували за допомогою  перегонки суміші селітри з сірчаною кислотою. До початку XX в. природна селітра  була єдиним джерелом отримання азотної  кислоти.

Розкладення природної селітри  сірчаною кислотою проводили в чавунних ретортах, що обігріваються топковими  газами. Азотну кислоту, яка випаровувалась, конденсували в холодильниках і  збирали в балони. При застосуванні 95-97%-вої сірчаної кислоти і 96%-вої  селітри отримували концентровану  азотну кислоту (до 96-98% НNО₃). Решта продукту розкладання пропускали через ряд балонів з водою або вапняним молоком для поглинання окислів азоту. Після відгонки азотної кислоти кислий сірчанокислий натрій випускали з реторти в рідкому вигляді.

Найбільш вдосконалений  метод отримання азотної кислоти  полягав у тому, що розкладання  селітри сірчаною кислотою проводили під вакуумом (до 650 мм вод. ст.). При цьому температура розкладання селітри знижувалася до 80-160 °, час відгону кислоти скорочувалася до 6 год. і вдавалося домогтися виходу азотної кислоти, близького до теоретичного. Витрата палива становив близько 120 кг / т НNО₃.

Цей спосіб отримання азотної  кислоти, цілком залежний від імпорту  чилійської селітри, залишений після  розробки і здійснення методу виробництва  азотної кислоти контактним окисленням аміаку.

На початку XX ст. була вирішена виключно важлива проблема зв'язування атмосферного азоту, що дало людству нове невичерпне джерело сировини для виробництва сполук азоту. Відомо, що над кожним квадратним кілометром земної поверхні в повітрі знаходиться близько 7500 тис. т азоту. Завдання перетворення цього недіючого азоту в хімічно активний вирішена послідовними зусиллями багатьох вчених. В 1901 покладено початок зв'язуванню азоту повітря за допомогою полум'я електричної дуги (дуговий метод). У 1906 р. в заводському масштабі здійснений ціанамідний метод зв'язування атмосферного азоту. Ціанамід кальцію являє собою гарне добриво і може служити сировиною для отримання аміаку. Нарешті, в 1913 р. на основі багатьох робіт було налагоджено синтетичне виробництво аміаку з елементів, яке отримало бурхливий розвиток і в даний час посіло головне місце у виробництві пов'язаного азоту. Одночасно було вирішено й питання про отримання азотної кислоти з аміаку. [2]

 

 

 

1. Загальна частина

1.1 Технологія азотної кислоти [1]

Азотна кислота є одним  з найважливіших багатотоннажних  продуктів хімічної промисловості. Вона займає друге місце за обсягом  виробництва після сірчаної кислоти. Азотна кислота широко застосовується для виробництва багатьох продуктів, які використовуються в промисловості  і сільському господарстві. Так, 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  та інших найважливіших продуктів.

Перший завод з виробництва  НNО₃ з аміаку коксохімічного виробництва був пущений в Росії в 1916 р. У 1928 р було освоєно виробництво азотної кислоти з синтетичного аміаку.

Процес виробництва розведеної азотної кислоти складається  з трьох стадій:

1) конверсії аміаку з  метою отримання оксиду азоту

4NH₃+5O₂ = 4NO+6H₂O

2) окислення оксиду азоту  до діоксиду азоту

2NO+ O₂ ^←_→ 2NO₂

3) абсорбція оксидів азоту  водою

4NO₂+ O₂+2H₂O = 4НNО₃

Сумарна реакція утворення  азотної кислоти виражається  рівнянням

NH₃+2O₂ = НNО₃+H₂O

1.1.1 Сировина для  виробництва азотної кислоти.

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

Синтетичний аміак в більшій  чи меншій мірі забруднений домішками. Такими домішками є каталізаторний пил, мастило (при стисненні поршневим компресором). Для отримання чистого газоподібного аміаку служать випарні станції і дистиляційні відділення рідкого аміаку. Подальше очищення

здійснюється у фільтрах, що складаються з чечевицеподібних елементів, фільтруючим матеріалом в яких служить бавовняна замша. Тонкої очистки аміачно-повітряна суміш піддається в фільтрі з поролітовими трубками.

Атмосферне повітря,яке 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 двоступінчатому фільтрі.

Вода, що застосовується для  технологічних потреб, піддається спеціальній  підготовці: відстою від механічних домішок, фільтруванню та хімічному очищенню від розчинених у ній солей. Для отримання реактивної азотної кислоти вимагається чистий паровий конденсат, який додатково очищають від можливих домішок.

1.2 Фізико-хімічні основи виробництва

1.2.1 Процес конверсії аміаку.

 Окислювання аміаку  киснем повітря без каталізатора  можливе тільки до N₂.

На каталізаторі між аміаком  і киснем протікають наступні паралельні реакції:

4NH₃+5O₂ = 4NO+6H₂O; ΔH= −946 кДж    (1.2.1)

4NH₃+3O₂ = 2N₂+6H₂O;  ΔH= −1328 кДж    (1.2.2)

4NH₃+4O₂ = 2N₂O+6H₂O; ΔH= −1156 кДж    (1.2.3)

Одночасно з цими реакціями  можуть протікати (паралельно і послідовно) побічні реакції:

4NH₃+6NO = 5N₂+6H₂O       (1.2.4)

2NH₃ = N₂+3H₂         (1.2.5)

2NO = N₂+  O₂         (1.2.6)

Наведені рівняння каталітичного  окислення аміаку є сумарними  і не відображають дійсного механізму  процесу.

Реакції окислення аміаку супроводжуються значним спадом вільної енергії, протікають з великою  швидкістю, практично необоротно (до кінця). Теплоти, що виділяється в  результаті реакції, цілком достатньо, щоб процес протікав автотермічно. 

Каталізатори, які застосовуються для окислення аміаку, повинні

володіти виборчими властивостями, тобто прискорювати тільки одну з  усіх можливих реакцій, а саме реакцію (1.2.1) окислення аміаку до оксиду азоту (II). Найбільш селективним і активним каталізатором даної реакції виявився платиноїдний каталізатор, що представляє собою сплав платини з паладієм і родієм.

Каталітичне окислення аміаку - багатостадійний гетеро-генно-каталітичний процес, що протікає в зовнішньодифузійній області і лімітуються дифузією аміаку до поверхні каталізатора. Ряд гіпотез щодо механізму окислення аміаку на платиноїдних каталізаторах зводиться до припущень про утворення в процесі окислення NH₃ нестійких проміжних сполук, які в результаті розпаду і перегрупування дають оксид азоту (II) і елементний азот.

Швидкість каталітичного  окислення аміаку по реакції (1.2.1) 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 в залежності від обраних технологічних параметрів - температури, тиску, лінійної швидкості газу, вмісту аміаку в аміачно-повітряній суміші, напруги каталізатора, числа сіток і деяких інших чинників.

Вплив температури. Температура  надає найбільший вплив на вихід  оксиду азоту (II). При підвищенні температури вихід N0 зростає, причому існує оптимальна температура (для чистої платини 900-920 ⁰С), при якій досягається максимальний вихід.

Велике значення має температура  запалювання каталізатора, яка залежить від складу каталізатора і в меншій мірі від складу а аміачно-повітряної суміші. На платині реакція окислення аміаку починається при 195 ⁰С. Особливістю окислення є те, що спочатку відбувається так зване м'яке окислення аміаку до молекулярного азоту. Помітна кількість оксиду азоту (II) починає з'являтися при 300 ⁰С. Зі зростанням температури вихід оксиду азоту (II) зростає, досягаючи максимального значення 96 % на чистій платині і 99% на сплавах Рt-Рd-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 ⁰С час контактування скорочується з 5 • 10^-4 до 1,1 • 10^-4 с. 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, ⁰С  780-800  850-870  880-920

Підвищення температури  з 780 до 850 ⁰С призводить до збільшення прямих втрат каталізатора майже вдвічі.

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

Вплив тисків. З ростом тиску  спостерігається зниження виходу оксиду азоту (II). Тому проектування та спорудження  установок з використанням підвищеного  тиску на стадії конверсії аміаку стримувалися. Разом з тим використання високого тиску при окисленні  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 NО під тиском вище атмосферного є підвищення температури і часу контактування (збільшення числа сіток).

Для забезпечення виходу оксиду азоту (II) більше 98% при тисках 0,41 0,71 МПа необхідні температури вище 950 ^ОС.

Підвищенням тиску в процесі  конверсії можна збільшити лінійну  швидкість газу і напруженість каталізатора, що в свою чергу пов'язано зі збільшенням числа каталізаторних сіток. Збільшення числа сіток веде до підвищення ступеня конверсії аміаку і лінійної швидкості газу. Очевидно, що такі параметри, як тиск, лінійна швидкість газу, напруженість каталізатора, тісно пов'язані між собою і при виборі режиму окислення для отримання високого виходу N0 повинні підбиратися з особливою ретельністю.

Вплив концентрації аміаку. Для окислення аміаку, як уже вказувалося, застосовують повітря. Тому концентрація NH₃ в аміачно-повітряній суміші визначається в тому числі вмістом кисню в повітрі. Згідно рівнянню реакції 4NH₃+5O₂ = 4NO+6H₂O для повного окислення 1 моль аміаку необхідно 1,25 моль кисню. Виходячи з цього, визначимо максимально можливий вміст аміаку в аміачно-повітряній суміші (об'ємні частки,%)

(1.2.7)

Однак при співвідношенні O₂ : NH₃  1,25 навіть при атмосферному тиску вихід оксиду азоту (ІІ) не перевищує 60-80%. Крім того, при вмісті в

суміші 14,4% NH₃ довелося б працювати в області вибухонебезпечних концентрацій. Нижня межа вибуховості аміачно-повітряної суміші при атмосферному тиску становить 13,8% NH₃.