Отримання азотної кислоти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. 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 каталізаторної пил, мастило (при стисканні поршневим компресором). Для отримання чистого газоподібного аміаку служать випарні станції та дистиляційні відділення рідкого аміаку. Подальша очищення здійснюється в фільтрах, які з чечевицеподібних елементів, фільтруючим матеріалом у яких служить бавовняна замша. Тонкою очищенню аміачно-повітряна суміш піддається в фільтрі з поролітовимі трубками.

Атмосферне повітря, що застосовується 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 двоступеневому фільтрі.

Вода, що застосовується для технологічних потреб, піддається спеціальній підготовці: відстою від механічних домішок, фільтруванню і хімічне очищення від розчинених у ній солей. Для отримання реактивної азотної кислоти потрібно чистий паровий конденсат, який додатково очищають від можливих домішок. [А.М. Кутєпов, стр. 397]

2. Характеристика цільового продукту

Безводна азотна кислота HNO3 представляє важку безбарвну рідину, пл. 1, 52 (при 15 єС), що димлять на повітрі. Вона замерзає при -41 і кипить при 86 єС. Кипіння кислоти супроводжується частковим розкладанням:

4HNO3 а 2H2 + 4NO2 + O2 - 259,7 кДж

Виділяється диоксид азоту, розчиняючись в кислоті, забарвлює її в жовтий або червоний (залежно 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 Ч H2O, HNO3 Ч 2H2O).

Азотна кислота - сильний окислювач. Метали, за винятком Pt, Rh, Ir, Au, переводяться концентрованої азотної кислотою у відповідні оксиди. Якщо останні розчиняються в азотній кислоті, то утворюються нітрати. [Мухленов, стор. 99]

Фізико-хімічне обґрунтування основних процесів виробництва цільового продукту

3. 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

2NO + O2 2NO (4.2)

абсорбція оксидів азоту водою

4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3 (4.3)

Фізико-хімічні основи процесу конверсії аміаку

Окислення аміаку киснем повітрям без каталізатора можливо тільки до N2.

На каталізаторі між аміаком і киснем протікають такі реакції:

H = - 946кДж (4.1)4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;

H = - 1328кДж (4.4)4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O

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 автотермично.

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 єС, 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 вельми чутливі до ряду домішок, що містяться в аміаку та 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 єС), при якій досягається максимальний вихід. Велике значення має температура запалювання каталізатора, що залежить в основному від його складу. На платині реакція починається при 195 єС. 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 стехіометричному 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 єС аміак починає розкладатися на азот і кисень.

4. Окислення оксиду азоту (II)

Реакція окислення

2NO + O2 H = - 124 кДж (4.2)2NO2;

оборотна, протікає зі зменшенням обсягу і супроводжується виділенням тепла. Отже, зниження температури і підвищення тиску сприяє утворенню NO2. При температурах до 100 єС рівновагу реакції практично повністю зрушено в праву сторону.

Окислення діоксиду азоту - найповільніша стадія отримання азотної кислоти. Вона сильно залежить від концентрації реагентів, тиску температури. Застосування повітря, збагаченого киснем (або чистого кисню) дозволяє отримувати НГ [2] з підвищеним вмістом оксиду азоту (II) і збільшити швидкість окислення NO у NO2. Реакція окислення NO у NO2 прискорюється при зниженні температури, а з підвищенням сповільнюється майже до повного припинення. Це пояснюється тим, окислення NO у NO2 йде через утворення проміжного продукту - димеру оксиду азоту (II):

2NO (4.5) (NO) 2;

2 + (NO) 2 (4.6) 2NO2;

Таким чином, зменшення швидкості окислення оксиду азоту в діоксид з підвищенням температури можна пояснити сильним зниженням концентрації димеру. 4.Зазвичай переробку нітрозних газів ведуть при температурах 10 - 50 єС, при яких частина діоксиду полімеризуються в N2 Отже, нітрозні гази, що надходять на абсорбцію, містять NO2, N2O4, NO, N2O, N2, N2O3.

5. Абсорбція діоксиду азоту

технологічний оксид адсорбція азот

Всі оксиди азоту, за винятком NO, реагують з водою з утворенням азотної кислоти. Азотистая кислота є малостійкі з'єднанням і розпадається на азотну кислоту, оксид азоту (II) і воду. Абсорбція протікає за схемою:

2NO2 + H2O кДж (4.7) HNO3 + HNO2;

3HNO2 кДж (4.8) HNO3 + 2NO + H2O;

Сумарно взаємодія NO2 з водою можна представити рівнянням реакції:

3NO2 + H2O кДж (4.9) 2HNO3 + NO;

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 у розчині, але більша частина - у 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 підвищення 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 розвитий поверхні поглинання.

6. Обґрунтування запропонованої технології

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 рециклом. Застосування підвищеного тиску сприяє зменшенню розмірів апаратів і збільшення продуктивності, але при цьому збільшується температура і кількість сіток каталізатора. Для забезпечення виходу оксиду азоту понад 98% при тисках 0,41 - 0,71 МПа необхідна температура вище 950 єС, зате час контактування стає менше 1,1 Ч 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.

Оскільки окислення оксиду азоту (II) протікає при низьких температурах суміш охолоджується водою, яка, перетворюючись на пару, йде на технологічні потреби, а це економічно вигідно. Абсорбція діоксиду азоту відбувається в колоні очищеною водою, причому ступінь абсорбції досягає 99%, а вміст оксидів азоту у вихлопних газах до 0,11%.

Размещено на Allbest.ru