Реферат: Технология неконцентрированной азотной кислоты

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Пермский государственный технический университет

Химико-технологический факультет

РЕФЕРАТ

по курсу технологии неорганических веществ на тему:

Технология неконцентрированной

азотной кислоты.

Выполнил:

студент группы ХТБ-95

Нагорный О.В.

Проверил:

Островский С.В

Пермь,1998

Содержание.

Введение...........................................................................................................................3

1.

Сырьевая базатехнологии..............................................................................................3

2.

Современное состояниетехнологии производства неконцентрированной

азотной кислоты..............................................................................................................5

3.

Обоснование оптимальныхпараметров основного технологического процесса......10

4.

Технологическая схемапроизводства, аппаратурное оформление

основных технологическихпроцессов.........................................................................14

5.

Перспективы развития исовершенствования технологии..........................................20

Список использованнойлитературы............................................................................22

ВВЕДЕНИЕ

Азотная кислота пообъему производства занимает среди других кислот второе место после сернойкислоты. Все возрастающий объем производства

HNO3 объясняется огромным значением азотной кислоты и ее солейдля народного хозяйства.

Азотная кислотаявляется одним из исходных продуктов для получения большинства азотсодержащихвеществ. До 70-80% ее количества расходуется на получение минеральныхудобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатыхвеществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; впромышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель вразличных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства.

Промышленностьювырабатывается некоцентрированная (до 60-62%

HNO3) и концентрированная (98-99% HNO3) кислота. В небольших объемах выпускается реактивная и азотная кислотаособой чистоты. В производстве взрывчатых веществ нитрованием толуола,уротропина, ксилола, нафталина и других органических продуктов применяютконцентрированную азотную кислоту. Для получения удобрений потребляется какправило разбавленная азотная кислота.

Основнымипроизводителями азотной кислоты являются США, Франция, ФРГ, Италия, Испания, иАнглия. На долю этих стран в 70-х годах приходилось свыше 75% всей выработаннойтогда кислоты. К 80 годам производство азотной кислоты в капиталистическихстранах стабилизировалось. Сейчас рост производства происходит за счетсовершенствования и обновления технологии, а также организации выпуска азотнойкислоты в развивающихся странах.

1.

СЫРЬЕВАЯ БАЗА ТЕХНОЛОГИИ.

Основным сырьем дляпроизводства неконцентрированной азотной кислоты в настоящее время являютсяаммиак, воздух и вода. Вспомогательными материальными и энергетическимиресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов,природный газ, пар и электроэнергия.

Аммиак

. В обычных условиях представляет собой безцветный газ срезким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми-и моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммиакаявилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода полученияводорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяныхгазах и продуктах нефтепереработки.

Содержание примесейв жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесямиявляются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония,растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиакепримеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(

II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемостиАВС.

Воздух.

Для технических расчетов принимают, что сухой воздухсодержит [%, об]: N2 — 78,1, О2 — 21,0, Ar2 — 0,9; Н2О- 0,1-2,8.

В воздухе могутприсутствовать также следы

SO2, NH3, CO2. В районе промышленныхплощадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а такжеразнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO2, SO3,H2S,С2H2, Cl2 и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5-1,0 мг/м3.

Вода.

Используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционнойколонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, дляохлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чащевсего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемахразрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случаевода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свободного аммиакаи твердых взвесей, содержание хлорид-иона должно быть не более 2мг/л, масла неболее 1мг/л, NH4NO3-не более 0,5 г/л. Химическиочищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям ГОСТ 20995-75.

Техническая вода,предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования(оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям:

Жесткостькарбонатная, мэкв/кг Неболее 3,6

Содержаниевзвешенных веществ, мг/кг Не более 50

Значение

pH 6,5-8,5

Кислород.

Применяется преимущественно в производствеконцентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельныхслучаях используется для обогащения АВС при получении неконцентрированнойазотной кислоты.

2.

СОВРЕМЕННОЕСОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА НЕКОНЦЕНТРИРОВАННОЙ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ.

Азотная кислота иглавным образом ее природная соль — натриевая селитра известны с давних времен.В 778 г. Арабский ученый Гебер описал способ приготовления “крепкой водки” (такназывалась тогда азотная кислота) путем перегонки селитры с квасцами. В Россиипервые прописи по производству азотной кислоты из селитры были составлены М.В.Ломоносовым.

До начала

XX века природная селитра была единственным источникомполучения азотной кислоты. Этот процесс основан на следующей реакции:

NaNO3 + H2SO4= HNO3 + NaHSO4

Усовершенствованныйвариант этого метода получения азотной кислоты состоял в том, что разложениеселитры серной кислотой производилось в вакууме (остаточное давление до 650 ммвод.ст.). При этом температура разложения селитры снижалась до 80-1600С;продолжительность отгонки кислоты сокращалась до 6 часов и достигался выходазотной кислоты близкий к теоретическому. Расход топлива для обогрева реакторасоставлял около 120 кг/т

HNO3. Такой способ получения азотнойкислоты, целиком зависящий от импорта чилийской селитры, впоследствии былоставлен.

В начале

XX века была решена исключительно важная проблемасвязывания атмосферного азота, что дало человечеству новый неисчерпаемыйисточник сырья для производства азотсодержащих соединений. Известно, что надкаждым квадратным километром земной поверхности в воздухе содержится около 8000тыс. т азота. Задача превращения инертного азота в химически активные вещества(NO, NO2, HNO3)решена врезультате последовательных усилий многих ученых.

Еще в 1781 г.Кэвендиш в результате электрического разряда в воздухе получил окислы азота. В1814 г. В.Н. Каразин внес предложение о “низведении электричества с верхнихслоев атмосферы для производства селитры”. Первый патент на способ полученияазотной кислоты при помощи электрического разряда в воздухе и превращенияокислов азота в нитриты и в нитраты был получен Лефебр в 1859 г.

В 1901 г. Былоположено начало фиксации азота воздуха в пламени электрической дуги (дуговойметод). В 1902 г. В США сооружен завод по фиксации атмосферного азота с помощьюэлектрической дуги, возникающей при пропускании между электродами тока силой0,75 а и напряжением 8000 в печи конструкции Брэдлея и Ловджоя. Из-за несовершенстваконструкции печи и большого расхода электроэнергии завод был закрыт в 1904 г.

Производствоазотной кислоты дуговым методом интересно тем, что в нем использовали дешевоеисходное сырье — воздух. Аппаратурное оформление процесса довольно несложно.Однако для его осуществления требовалось огромное количество электроэнергии,достигающее 70000 квт*ч на 1 т

N2(этосоответствует 64 т условного топлива)

Наконец, в 1913 г.на основе многочисленных работ был освоен промышленный метод синтеза аммиака изпростых веществ, который получил широкое развитие и в настоящее время занялглавное место в производстве связанного азота. Вскоре после этого удалосьрешить проблему получения азотной кислоты из аммиака.

В настоящее времяпромышленное производство азотной кислоты осуществляется на основе контактногоокисления синтетического синтетического аммиака. Процесс складывается из двухосновных стадий: получение окиси азота и переработка ее в азотную кислоту.

Стадия окисленияаммиака в окись азота в общем виде выражается уравнением

4

NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

Стадия окисленияокиси азота в высшие окислы азота и переработки их в азотную кислоту может бытьпредставлена уравнениями

2

NO + O2 = 2NO2

<img src="/cache/referats/3377/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1026">3NO2+ H2O = 2HNO3 + NO

Суммарную реакциюбез учета побочных реакций, проходящих с образованием элементарного азота идругих соединений, можно выразить уравнением

NH3 + 2O2= HNO3 + H2O +421,2

кдж

В соответствии споследовательностью этих стадий рассмотрим технологию производства азотнойкислоты.

Исследования показывают,что при окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условийведения процесса можно получить окись азота, элементарный азот и закись азота:

4

NH3 + 5O2 = 4NO +6H2O +907,3 кдж

4NH3 + 4O2= 2N2O + 6H2O +1104,9

кдж

4NH3 + 3O2= 2N2 + 6H2O +1269,1

кдж

Кроме того,возможны и другие побочные реакции, протекающие с образованием азота безучастия катализатора. К таким реакциям относятся разложение окиси азота ивзаимодействие аммиака с окисью азота. В газах после окисления аммиака можетнаходиться также непрореагированный аммиак.

Термодинамическиерасчеты изменения свободной энергии показывают, что приведенные выше основныереакции могут идти практически до конца. Таким образом, при окислении аммиакакак в процессе, могущем протекать в нескольких направлениях, состав конечныхпродуктов будет определяться прежде всего избирательной способностьюкатализатора. Соответственно подбирая катализатор и условия ведения реакции,можно изменить и состав получаемых продуктов.

При использовании вкачестве катализатора платины выход окиси азота в интервале температур 700-8500Сможет достигать 97-98%. Катализаторы из платиновых сплавов являются наилучшимидля избирательного окисления аммиака в окись азота.

Реакция окисленияаммиака до окиси азота идет с незначительным изменением объема, поэтомуизменение давления не оказывает существенного влияния на равновесный выходпродуктов взаимодействия. Большие величины константы равновесия этой реакции(1053 при 9000С) свидетельствуют о практической еенеобратимости при промышленных условиях осуществления процесса.

Платиновымкатализаторам придают сетчатую форму, что позволяет применять контактныеаппараты простого типа. Обычно катализаторные сетки изготовляют из проволокидиаметром 0,05-0,09 мм. Согласно ГОСТу 3193-59 для изготовления сетокприменяются сплавы следующего состава:

Pt+4%Pd+3,5%Rh (для контактных аппаратов, которые работают приатмосферном давлении) и Pt+7,5%Rh(дляконвертеров, работающих при повышенном давлении). При окислении аммиака податмосферным давлением устанавливают от 2 до 4 сеток (обычно 3 шт.). В аппаратыработающие под давлением 8 ат, закладывают от 16 до 18 сеток.

В оптимальныхусловиях степень превращения аммиака в окись азота на одной сетке можетдостигать 86-90%, на двух сетках — 95-97%, на трех — 98%.

На новых сеткахвысокая степень конверсии достигается не сразу, а в течение нескольких сутокработы при 6000С. Процесс активации сеток при 9000Сзаканчивается через 8-16 часов. Поверхность платиновых сеток в процессеэксплуатации сильно разрыхляются, гладкие блестящие нити становятся губчатыми иматовыми. В результате этого сильно развивается поверхность катализатора, чтоприводит к повышению его активности. С течением времени разрыхление поверхностиплатиновых сеток приводит к их сильному разрушению и большим потерям платины.Добавление к платине родия и палладияимеет двоякое значение: во-первых, повышается активность катализатора,во-вторых, уменьшаются потери катализатора

В промышленностинашли применение комбинированные катализаторы, в которых наряду с платинойиспользуются и другие, более дешевые материалы. Разработанный ГИАПомкомбинированный двухступенчатый катализатор состоит из сетки тройного сплава(первая ступень) и слоя неплатинового катализатора толщиной 50-65 мм (втораяступень). Применяя железохромовый катализатор, во второй ступени окисленияможно достигнуть 96%-ного превращения аммиака в окись азота.

Нитрозные газы,полученные контактным окислением аммиака, содержат в основном окись азота, изкоторой при дальнейшем окислении получаются высшие окислы азота. Образование ихпротекает по следующим уравнениям:

2NO + O2 = 2NO2

NO + NO2 = N2O3

2NO2 = N2O4

С понижениемтемпературы равновесие всех этих реакций смещается вправо. При низкихтемпературах, наличии избытка кислорода и времени достаточном для установленияравновесия, можно ожидать перехода всех окислов азота в четырехокись

N2O4. При недостатке кислорода илипри неустановившемся равновесии в нитрозных газах могут присутствовать одновременновсе указанные окислы (NO,N2O3,NO2 и N2O4)

Пятиокись азота

N2O5 из окислов при условияхокисления не образуется: закись азота N2O кислородом воздуха дальше неокисляется.

Окислы азотаперерабатывают в неконцентрированную азотную кислоту посредством их поглощенияиз газовой фазы водой или разбавленной азотной кислотой. Для этого нитрозныегазы охлаждают и направляют в поглотительные башни или абсорбционные колонны,где происходит окисление

NO и поглощение образовавшихсяокислов азота. В зависимости от условий охлаждения и окисления в газовой фаземогут присутствовать различные окислы азота, которые реагируют с водой пореакциям:

2

NO2 + H2O = HNO3 +HNO2 +27,73 ккал

N2O4 + H2O= HNO3 + HNO2 +14,13

ккал

N2O3 + H2O= 2HNO2 +13,3

ккал

С практическойточки зрения не имеет значения, что реагирует с водой — двуокись иличетырехокись азота, так как скорость их взаимного превращения очень велика, аколичество образующихся из

NO2и N2O4 азотистой и азотной кислотодинаково.

Процесс полученияазотной кислоты связан с растворением в воде

NO2, N2O4 и N2O3. В газовой фазе в результатевзаимодействия паров воды с окислами азота образуется также незначительноеколичество азотной и азотистой кислот.

Азотистая кислотамалоустойчива и разлагается с образованием азотной кислоты и окиси азота посуммарной реакции

3

HNO2 = HNO3 + 2NO+ H2O -18ккал

Расчеты показывают,что при обычных условиях равновесное содержание азотистой кислоты вразбавленной азотной кислоте очень мало. Скорость разложения азотистой кислотыс повышением температуры резко увеличивается, однако и при обычной температурескорость этой реакции очень велика.

Суммарные реакцииобразования азотной кислоты с учетом разложения азотистой кислоты описываютсяуравнениями

3

NO2 + H2O = 2HNO3+ NO

3N2O3+ H2O = 2HNO3 + 4NO

По литературнымданным, при степени окисления газа менее 50% растворы азотной кислоты поглощаютокислы азота в виде

NO+NO2.При высокойстепени окисления газа происходит поглощение окислов азота в виде NO2. Учитывая малое количество трехокиси азота в газе, обычно все расчетыпроводят исходя из уравнения реакции.

Расчет равновесногосостава окислов азота над азотной кислотой показывает, что при парциальномдавлении двуокиси азота 0.1 ат получение азотной кислоты, имеющей концентрациюболее 60%

HNO3, практически затруднительно.Присутствие в газовой фазе окиси азота смещает равновесие реакции влево.Поэтому в производственных условиях при атмосферном давлении трудно получитькислоту с концентрацией выше 50%, а при 8 ат — более 60%.

Главными факторами,определяющими высокую скорость образования азотной кислоты, являются проведениеабсорбции под давлением при пониженных температурах с применением богатых посодержанию окислов азота нитрозных газов и создание условий для более полногосоприкосновения газа с жидкостью.

3.

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХПАРАМЕТРОВ ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Все промышленныеспособы получения азотной кислоты основаны на контактном окислении аммиакакислородом воздуха с последующей переработкой оксидов азота в кислоту путемпоглощения их водой. Главными стадиями производства неконцентрированной азотнойкислоты являются очистка сырья, каталитическое окисление аммиака, утилизациятепла, вывод из нитрозного газа реакционной воды, доокисление окиси азота ввысшие окислы, абсорбция их водой или разбавленной азотной кислотой, очисткагазовых выбросов.

Оптимальные условия окисления аммиака:

1.

Температура. Реакция аммиака на платиненачинается при 1450С, но протекает с малым выходом NO и образованием преимущественно элементарного азота.Повышение температуры приводит к увеличению выхода окиси азота и росту скоростиреакции. В интервале 700-10000С выход NO может быть доведен до 95-98%. Время контактирования при повышениитемпературы от 650-до 9000С сокращается примерно в пять раз (от 5*10-4до 1,1*10-4сек).

Необходимыйтемпературный режим процесса может поддерживаться за счет тепла реакцийокисления. Для сухой аммиачно-воздушной смеси, содержащей 10%

NH3, при степени конверсии 96%теоретическое повышение температуры газа составляет примерно 7050Сили около 700С на каждый процент аммиака в исходной смеси. Применяяаммиачно-воздушную смесь, содержащую 9,5% аммиака, можно за счет тепловогоэффекта реакции достигнуть температуры порядка 6000С, для ещебольшего повышения температуры конверсии необходим предварительный подогреввоздуха или аммиачно-воздушной смеси. Следует учитывать, что подогреватьаммиачно-воздушную смесь можно только до температуры не выше 150-2000Спри температуре греющего газа не более 4000С. В противном случаевозможна диссоциация аммиака или его гомогенное окисление с образованиемэлементарного азота.

Верхний пределповышения температуры контактного окисления аммиака определяется потерямиплатинового катализатора. Если до 9200С потери платины в какой-томере компенсируются ростом активности катализатора, то выше этой температурырост потерь катализатора значительно опережает увеличение скорости реакции.

Согласно заводскимданным, оптимальная температура конверсии аммиака под атмосферным давлениемсоставляет около 8000С; на установках, работающих под давлением 9ат, она равна 870-9000С.

2.

Давление. Применение повышенногодавления при получении разбавленной азотной кислоты в основном связано состремлением увеличить скорость окисления окиси азота и переработки образующейсядвуокиси азота в азотную кислоту.

Термодинамическиерасчеты показывают, что и при повышенном давлении равновесный выход

NO близок к 100%. Однако высокая степень контактирования вэтом случае достигается лишь при большом количестве катализаторных сеток иболее высокой температуре.

За последнее времяв промышленных условиях на многослойных катализаторах при тщательной очисткегазов и температуре 9000С удалось довести степень конверсии аммиакадо 96%. При выборе оптимального давления следует иметь в виду, что повышениедавления приводит к росту потерь платины. Это объясняется увеличениемтемпературы катализа, применением многослойных сеток и усилением ихмеханического разрушения под действием большой скорости газа.

3. Содержаниеаммиака в смеси. Для окисления аммиака обычно применяют воздух, поэтомусодержание аммиака в смеси определяется содержанием кислорода в воздухе. Пристехиометрическом отношении О2:

NH3=1,25 (содержание аммиака в смеси с воздухом составляет14,4%) выход окиси азота не значителен. Для увеличения выхода NO требуется некоторый избыток кислорода, следовательносодержание аммиака в смеси должно быть меньше 14,4%. В заводской практикесодержание аммиака в смеси поддерживают в пределах 9,5-11,5%, что соответствуетотношению O2:NH3=2¸1,7.

Суммарная реакция,определяющая потребность в кислороде при переработке аммиака в азотную кислоту

NH3+2O2=HNO3+H2O

дает отношение

O2:NH3=2, что соответствует содержанию аммиака в исходной смеси,равному 9,5%. Это говорит о том, что увеличение концентрации аммиака в смесивыше 9,5% в конечном итоге в конечном итоге не приведет к росту концентрации NO, так как в этом случае в адсорбционную систему придетсявводить дополнительный воздух.

Если в качествеисходных реагентов применять аммиачно-кислородную смесь, то в соответствии суравнением суммарной реакции можно было бы увеличить концентрацию в ней аммиакадо 33,3%. Однако применение высоких концентраций аммиака затруднено тем, чтоподобные смеси взрывчаты.

4. Влияниепримесей. Платиновые сплавы чувствительны к примесям, содержащимся ваммиачно воздушной смеси. В присутствии 0,0002% фосфористого водорода в газовойсмеси степень конверсии аммиака снижается до 80%. Менее сильными контактнымиядами являются сероводород, ацетилен, хлор, пары смазочных масел,. пыль,содержащая окислы железа, окись кальция, песок и др.

Предварительнаяочистка газов увеличивает продолжительность работы катализатора. Однако современем катализатор постепенно отравляется и выход

NO снижается. Для удаления ядов и загрязнений сетки периодически регенерируютпосредством обработки их 10-15% раствором соляной кислоты.

5.

Время контактирования. Оптимальное времяконтактирования определяется скоростью окисления аммиака. Чаще всего скоростьокисления определяют как количество окисленного аммиака (кг) на единицуповерхности (м2) в сутки (напряженность катализатора).Продолжительность соприкосновения газа с катализатором, или времяконтактирования определяют по уравнению

t

=Vсв/W

где

t — время пребывания газа в катализаторной зоне, сек;

Vсв- свободныйобъем катализатора, м3;

W — объемная скорость в условиях контактирования м3*сек-1.

Максимальнаястепень превращения аммиака в окись азота достигается при вполне определенномвремени контакта газа с катализатором. Оптимальным временем контактированияследует считать не то, при котором достигается максимальный выход

NO, а несколько меньшее, так как экономически выгодноработать при большей производительности даже за счет снижения выхода продукта.В практических условиях время контакта аммиака с катализатором колеблется впределах 1-2*10-4сек.

6. Смешениеаммиака с воздухом. Полная однородность аммиачно-воздушной смеси,поступающей в зону контактирования, является одним из основных условийполучения высокого выхода окиси азота. Хорошее смешение газов имеет большоезначение не только для обеспечения высокой степени контактирования, но ипредохраняет от опасности взрыва. Конструкция и объем смесителя должны в полноймере обеспечивать хорошее перемешивание газа и исключать проскок аммиакаотдельными струями на катализатор.

Оптимальные условия окисления окиси азота:

Зависимостьконстанты равновесия реакции 2

NO+O2=2NO

еще рефераты

Еще работы по технологии

Реферат по технологии

Проектирование цеха ремонта поршневых компрессоров

25 Июня 2015

Реферат по технологии

Электрооптические методы измерения высоких напряжений и больших токов

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Разработка и изготовление декоративной резной вазы с подставкой (3) (4))

29 Августа 2013

Реферат по технологии

Разработка и изготовление декоративной резной вазы с подставкой (4) (4))

29 Августа 2013