Курсова робота отримання азотної кислоти
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, які використовуються в промисловості і сільському господарстві:
· Близько 40% її витрачається на отримання складних і азотних мінеральних добрив;
· Азотна кислота використовується для виробництва
· Лікарських синтетичних речовин і ін .;
· 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.
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. Зараз азотну кислоту отримують з синтетичного аміаку і переробляють головним чином в азотні добрива.
Характеристика вихідної сировини
Сировиною для отримання азотної кислоти служать аміак, повітря і вода.
Синтетичний аміак в більшій чи меншій мірі забруднений домішками. Такими домішками є катализаторная пил, мастило (при стисканні поршневим компресором). Для отримання чистого газоподібного аміаку служать випарні станції і дистиляційні відділення рідкого аміаку. Подальша очищення здійснюється в фільтрах, які з сочевицеподібних елементів, що фільтрує в яких служить бавовняна замша. Тонкої очистки аміачно-повітряна суміш піддається в фільтрі з поролітовимі трубками.
Атмосферне повітря, застосовуваний у виробництві азотної кислоти, забирається на території заводу або поблизу його. Цей 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 в ній солей. Для отримання реактивної азотної кислоти потрібно чистий паровий конденсат, який додатково очищають від можливих домішок. [А.М. Кутепов, стр.397]
Безвода азотна кислота HNO3 представляє важку безбарвну рідину, пл.1,52 (при 15 ºС), димлять на повітрі. Вона замерзає при -41 і кипить при 86 ºС. Кипіння кислоти супроводжується частковим розкладанням:
4HNO3 - 2H2 + 4NO2 + O2 - 259,7 кДж
Вирізняється діоксид азоту, розчиняючись в кислоті, забарвлює її в жовтий або червоний (в залежності від кількості NO2) колір. З водою азотна кислота змішується в будь-яких співвідношеннях. Виділення теплоти при розведенні азотної кислоти водою свідчить про утворення гідратів (HNO3 × H2O, HNO3 × 2H2O).
Азотна кислота - сильний окислювач. Метали, за винятком Pt, Rh, Ir, Au, переводяться концентрованою азотною кислотою до відповідних оксиди. Якщо останні розчинні в азотній кислоті, то утворюються нітрати. [Мухленов, стор.99]
Хімічна концепція методу
Процес виробництва розведеної азотної кислоти складається з трьох стадій:
конверсія аміаку з метою отримання оксиду азоту
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (4.1)
окислення оксиду азоту до діоксиду
абсорбція оксидів азоту водою
4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3 (4.3)
Окислення аміаку киснем повітрям без каталізатора можливо тільки до N2.
На каталізаторі між аміаком і киснем протікають наступні реакції:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O; # 61508; H = - 946кДж (4.1)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O # 61508; H = - 1328кДж (4.4)
Реакції окислення аміаку супроводжуються значною збитком вільної енергії, протікають з великою швидкістю, практично необоротно. Теплоти, що виділяється під час реакції, цілком достатньо, щоб процес йшов автотермічно.
Каталітичне окислення аміаку - багатостадійний гетерогенно-каталітичний процес, що протікає в внешнедіффузіонной області та лімітуються дифузією аміаку до поверхні каталізатора.
Каталізатори, застосовувані для окислення аміаку, повинні володіти виборчими властивостями, тобто прискорювати тільки одну реакцію. Найбільш активним і селективним каталізатором є платина. Вона також має низьку температуру запалювання
200 ºС, хорошу пластичність, тягучість. Але її недолік - це швидке руйнування при високих температурах при впливі великих швидкісних потоків реагентів і каталізаторних отрут. Це призводить до втрат дорогого каталізатора і виходу оксиду азоту, що стало причиною використання сплавів платини з іншими металами. Найбільшого поширення набули такі каталізатори (ГОСТ 3193-59): Pt + 4% Pd + 3,5% Rh - для роботи при атмосферному тиску і Pt + 7,5% Rh - при підвищеному тиску. Каталізатори виготовляють у вигляді сіток. Така форма зручна в експлуатації і пов'язана з мінімальними витратами металу.
Каталізатори дуже чутливі до ряду домішок, що містяться в аміаку і повітрі, особливо до з'єднань фтору і сірки. Домішки помітно знижують селективність каталізатора. Для підтримки стабільної ступеня конверсії необхідна ретельна очистка АВС [1] і від механічних домішок, особливо від оксидів заліза і пилу залізного каталізатора синтезу аміаку. Термін служби до 14 місяців при атмосферному тиску і до 9 при підвищеному.
Температура має найбільший вплив на вихід оксиду азоту (II). При підвищенні температури вихід NO зростає, причому існує оптимальна температура (для чистої платини 900 - 920 ºС), при якій досягається максимальний вихід. Велике значення має температура запалювання каталізатора, яка залежить в основному від його складу. На платині реакція починається при 195 ºС. Вихід досягає значення 96% на чистій платині і 99% на сплавах. Проведення процесу при високих температурах крім збільшення виходу монооксиду азоту має і інші переваги: зростає швидкість реакції окислення аміаку і зменшується час контактування. Але при підвищенні температури збільшуються втрати дорогої платини, тобто погіршуються економічні показники процесу.
З ростом тиску спостерігається зниження виходу оксиду азоту (II). Разом з тим використання високого тиску дозволяє підвищити продуктивність агрегату, зменшити розміри апаратів. Процес здійснюється під тиском 0,41 - 0,73 МПа. Основною умовою отримання високих виходів NO під тиском є підвищення температури і часу контактування (збільшення числа сіток).
При стехиометрическом співвідношенні кисню і аміаку O2: NH3 = 1,25 навіть при атмосферному тиску вихід оксиду азоту не перевищує 60 - 80%. Крім того, довелося б працювати в області вибухонебезпечних концентрацій. При збільшенні співвідношення O2: N до 1,7 що відповідає змісту аміаку в суміші 11,5%, вихід NO возрастает.д.ля отримання високого виходу NO необхідний 30% -ний надлишок кисню понад стехіометричного. Це пов'язано з тим, що поверхня платинового каталізатора повинна постійно бути покрита киснем, інакше вже при 500 ºС аміак починає розкладатися на азот і кисень.
Окислення оксиду азоту (II)
2NO + O2 2NO2; # 61508; H = - 124 кДж (4.2)
оборотна, протікає зі зменшенням обсягу і супроводжується виділенням тепла. Отже, зниження температури і підвищення тиску сприяє утворенню NO2. При температурах до 100 ° С рівновага реакції практично повністю зрушено в праву сторону.
2NO (NO) 2; # 61508; # 61512; # 61472; # 61500; # 61472; # 61488; (4.5)
# 61519; 2 + (NO) 2 2NO2; # 61508; # 61512; # 61500; # 61488; (4.6)
Таким чином, зменшення швидкості окислення оксиду азоту в діоксид з підвищенням температури можна пояснити сильним зниженням концентрації димера. Зазвичай переробку нітрозних газів ведуть при температурах 10 - 50 ºС, при яких частина діоксиду полімеризуються в N2 # 61519; 4. Отже, нітрозні гази, що надходять на абсорбцію, містять NO2, N2O4, NO, N2O, N2, N2O3.
Абсорбція діоксиду азоту
Всі оксиди азоту, за винятком NO, реагують з водою з утворенням азотної кислоти. Азотистая кислота є малостійким з'єднанням і розпадається на азотну кислоту, оксид азоту (II) і воду. Абсорбція протікає за схемою:
2NO2 + H2O HNO3 + HNO2; # 61508; # 61512; # 61472; # 61501; # 61472; # 61485; # 61489; # 61489; # 61494; кДж (4.7)
3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O; # 61508; # 61512; # 61472; # 61501; # 61472; # 61495; # 61494; кДж (4.8)
Сумарно взаємодія NO2 з водою можна представити рівнянням реакції:
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO; # 61508; # 61512; # 61472; # 61501; # 61472; # 61485; # 61489; # 61491; # 61494; кДж (4.9)
У прикордонному шарі газ-рідина відбувається перехід NO2 в рідку фазу. Потім після розчинення NO2 відбувається хімічна реакція (3), яка в порівнянні з процесом дифузії протікає відносно швидко. Далі в рідкій фазі відбувається порівняно повільне розкладання азотистої кислоти по реакції (4). Утворений NO частково окислюється киснем в розчині, але більша частина - в газовій фазі. Повільним процесом, що визначає швидкість поглинання оксидів азоту, є дифузія їх в газову фазу.
Ступінь поглинання діоксиду азоту водними розчинами азотної кислоти визначається такими факторами, як температура, тиску, 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. Також ступінь перетворення NO в NO2 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.
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 Рецикл. Застосування підвищеного тиску сприяє зменшенню розмірів апаратів і збільшення продуктивності, але при цьому збільшується температура і кількість сіток каталізатора. Для забезпечення виходу оксиду азоту більш 98% при тисках 0,41 - 0,71 МПа необхідна температура вище 950 ºС, 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.
Обгрунтування вибору технологічних параметрів
АВС, 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 ° С 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 NO2 починають проводити при температурі 170 ° С, достатньої для забезпечення гарного виходу і швидкості. За рахунок теплоти реакції відбувається розігрів до 300 ºС. Ступінь окислення становить близько 85%. Абсорбцію діоксиду азоту ведуть при температурі 35 - 40 ºС, оскільки це сприяє зсуву рівноваги вправо, концентрація кислоти на виході досягає 55-58%.
Функціональна схема отримання азотної кислоти.
У 1960-их роках розроблений 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% -ної HNO3. Технологічна схема цього виробництва в спрощеному варіанті представлена на малюнку 2.
Атмосферне повітря проходить ретельне очищення в двухступенчатом фільтрі 1. Очищене повітря стискають двоступінчастим повітряним компресором. У першій ступені 18 повітря стискають до 0,35 МПа, при цьому він нагрівається до 165-175 ° С за рахунок адіабатичного стиснення. Після охолодження повітря направляють на другу сходинку стиснення 16, де його тиск зростає до 0,716 МПа.
Основний потік повітря після стиснення нагрівають в підігрівачі повітря 12 до 250-270 ºС теплотою нітрозних газів і подають на змішання з аміаком в змішувач 6.
Конверсія аміаку протікає на платинородієвих сітках при температурі 870 # 8209; 900 ºС, причому ступінь конверсії складає 96%. Нітрозні гази при 890-910 ° С надходять в котел-утилізатор 15, розташований під контактним апаратом. В котлі за рахунок охолодження нітрозних газів до 170 ºС відбувається випаровування хімічно очищеної деаерірованной води, що живить котел-утилізатор; при цьому отримують пар з тиском 1,5 МПа і температурою 230 ° 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 зі скловолокна для уловлювання платинового каталізатора. Частково окислення нітрозних газів відбувається вже в котлі-утилізатори (до 40%). У окислителе 13 ступінь окислення зростає до 85%. За рахунок реакції окислення нітрозні гази нагріваються до 300-335 ºС. 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 ° С і нагрівання вихлопних (хвостових) газів до 110-125 ºС. Потім нітрозні гази направляють в холодильник-конденсатор 7, охолоджуваний зворотному водою. При цьому конденсуються водяні пари 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 охолоджене парової конденсат. Утвориться в 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 продувну 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.
Таким чином, даний агрегат повністю автономний по енергії. Енергія рекуперується в результаті установки на одній осі з турбокомпресором газової турбіни. [Кутепов, стр.410-411].
Розрахунок матеріального балансу ХТС
4. Мухленов І.П. та ін. Загальна хімічна технологія: Учеб. для хіміко-техн. спец. вузів. У 2-х т. Т.2. Найважливіші хімічні виробництва / М. Вища. шк. 1984 - 263 с.
[1] АВС - аміачно-повітряна суміш.
[2] НГ - нітрозні гази.