Виробництво азотної кислоти

ЗМІСТ

Вступ

1. Окислювання аміаку

1.1 Технологічні розрахунки

1.1.1 Завдання 1

1.1.2 Завдання 2

1.1.3 Завдання 3

2. Окислювання окису азоту

2.1 Технологічні розрахунки

2.1.1 Завдання 4

2.1.2 Завдання 5

2.1.3 Завдання 6

3. Абсорбція оксидів азоту

3.1 Технологічні розрахунки

3.1.1 Завдання 7

3.1.2 Завдання 8

4. Очищення викидних газів

4.1 Технологічні розрахунки

4.1.1 Завдання 9

4.1.2.Завдання 10

Література

Вступ

Тема контрольної роботи «Виробництво азотної кислоти» з дисципліни «Технологія основного неорганічного синтезу».

Дисципліна «Технологія основного неорганічного синтезу» вивчається в з метою засвоєння основних теоретичних основ технологій і методів одержання продуктів основного неорганічного синтезу.

Вивчення даної дисципліни ґрунтується на знаннях, одержаних при вивченні таких дисциплін: «Загальна і неорганічна хімія», «Фізична хімія», «Фізика», «Вища математика», «Теоретичні основи технології неорганічних речовин», «Кінетика і каталіз», «Процеси та апарати хімічної технології», «Основи наукових досліджень і наукова інформація» та інших.

Задачею вивчення курсу являється засвоєння фізико-хімічних основ промислових процесів та їх апаратурного оформлення, вивчення технологічних схем промислових виробництв зв’язаного азоту, вміння виконувати технологічні розрахунки.

Мета роботи – ознайомлення з теоретичними питаннями пов’язаними з виробництвом азотної кислоти та вирішення практичних завдань.

Азотну кислоту одержують окислюванням аміаку повітрям з наступною переробкою окислів азоту.

Перша стадія процесу - окислювання аміаку - описується рівнянням реакції:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O + 905,8 кДж/моль (1)

Одночасно з основною реакцією протікають побічні реакції, що приводять до дефіксації азоту й виражаються сумарним рівнянням:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O + 1266,96 кДж/моль (2)

При охолодженні нітрозного газу окис азоту окисляється киснем до двоокису:

2NО + O₂= 2NO₂ + 112,4 кДж/моль (3)

При цьому протікає також реакція:

2NО₂ + NО = N₂O₃ (4)

Всі вищі окисли азоту реагують із водою з утворенням азотної й азотистої кислот:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ + 115,9 кДж/моль (5)

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ + 59,06 кДж/моль (6)

N₂O₃ + H₂O = HNO₂ + 55,6 кДж/моль (7)

Малостійка азотиста кислота розпадається на азотну кислоту й окис азоту:

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O – 75,7 кДж/моль (8)

Сумарне балансове рівняння виробництва азотної кислоти з аміаку має вигляд:

NH₃ + 2O₂ = НNО₃ + H₂O + 420,5 кДж/моль (9)

1. Окислювання аміаку

Каталізатором при окислюванні аміаку служать сплави платини з родієм або палладієм, що мають форму сітки. Застосовують також неплатинові каталізатори на основі окислів заліза з добавками кобальту й хрому.

Напруженість каталізатора характеризують кількістю аміаку (кг) окисленого на 1 м² активній поверхні каталізатора за добу, тобто кг/(м²∙ добу.):

(10)

де - годинна витрата аміаку, кг/година;

- активна поверхня каталізаторної сітки, м².

Для платинових сіток активна поверхня 1 м² розраховується по рівнянню:

(11)

де d – діаметр дроту сітки, см;

– число плетив на 1 см² площі сітки.

На практиці застосовують сітки, що мають діаметр 0,25-0,1 мм і число плетив 1000-4000 на 1 см².

Розміри контактного апарата залежать в основному, від необхідної площі каталізаторної сітки. Для визначення площі спочатку знаходять необхідний вільний об'єм Vв каталізатора в м³:

(12)

де Wг – об'ємна швидкість газу в умовах контакту, м³/сек.;

τ - час контакту газу з каталізатором, сек..;

або

(13)

де m – число сіток, складених разом;

f - відношення вільного об'єму сіток до їхнього загального об'єму;

(14)

де 1d – загальний об'єм сіток у см³, віднесений до 1 см² площі сіток;

- об'єм дроту сіток, віднесений до 1 см² площі сіток.

Об'ємну швидкість газу (у м³/сек..) в умовах контакту розраховують по формулі:

(15)

де W₀ – об'ємна швидкість газу при н.у., м³/сек..;

Тк – температура контакту, К;

Рк – тиск у контактному апарату, Па або атм;

Р – атмосферний тиск, Па або атм.

Підставивши в рівняння значення Vв і Wг і вирішуючи його відносно S одержимо необхідну площу каталі заторної сітки:

(16)

азотний кислота аміак оксид

де 1,1 - коефіцієнт, що враховує збільшення часу контакту за рахунок подовження ниток сітки при провисанні.

Діаметр сітки:

(17)

Оптимальний час контакту залежить від природи каталізатора й температури. Для 900⁰С при ступені перетворення 90-98% час контакту газу з каталізатором можна визначити по формулі:

(18)

де - ступінь перетворення NH₃ в NO, %.

Підвищення температури внаслідок виділення теплоти при окислюванні аміаку киснем повітря можна визначити по формулі:

(19)

де - ступінь перетворення, частки одиниці;

х - зміст аміаку в аміачно-повітряної суміші, об. частки;

Р_Н2О– парціальний тиск водяних пар у суміші;

Р – загальний тиск газу.

Вищенаведена формула справедлива при наступних значеннях мольних теплоємкостей компонентів суміші, кДж/(кмоль*град):

С(О₂) – 32,3 С(Н₂О) – 37,4 C(N₂) – 30,8 C(NO) – 31,6

При виборі температури конверсії аміаку необхідно враховувати зростання питомих втрат платинового каталізатора, які сильно збільшуються вище 950⁰С. Питомі втрати платинового каталізатора можна визначити по емпіричному рівнянню:

(20)

де - питомі втрати платини, г/т;

Т – температура конверсії, К.

1.1 Технологічні розрахунки

1.1.1 Завдання 1

Скласти матеріальний і тепловий баланси стадії окислювання аміаку на 1 т азотної кислоти. Ступінь окислювання NH₃ до NO – 0,97; NO до NO₂ 0,99 і ступінь абсорбції 0,97. Зміст аміаку в аміачно-повітряній суміші 7,5 % мас. Температура АВС на вході в контактний апарат 270⁰С, втрати тепла становлять 5% від загального приходу тепла. Визначити температуру нітрозних газів на виході з контактного апарата.

Рішення:

Визначимо витрату аміаку з сумарного рівняння:

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O (І)

1. Теоретична витрата NH₃ на 1 т HNO₃ складе: