Процесс синтеза аммиака

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический Университет)

Кафедра общей Химии

Учебная дисциплина: Общая химическая технология

КУРСОВАЯ РАБОТА

Тема: Процесс синтеза аммиака

Студентка: Баева И.Г.

Руководитель: Плетаханов Н.Н.

Санкт-Петербург

2009

Содержание

Задание на курсовой проект

Введение

Расчетная часть

Заключение

Список используемой литературы

Задание на курсовой проект

Вариант №17

1.1 Исследовать влияние давления Р на процесс в изотермическом режиме идеального вытеснения и полного смешения. Сравнить изменение соотношения объемов реакторов в различных режимах.

1.2 Построить графики зависимости:

Некоторые условия и исходные данные:

· Исходная смесь состоит из азота и водорода в соотношении 1:3.

· Диапазон изменения давления Р = 300 - 400 ат.

· Температура газа на входе в реактор Т0 = 700 - 925 К.

· Линейная скорость газа W = 1 м/с.

· Принять конечную степень превращения Х2 = 0,9*Хр.

К01 = 0.184 К02 = 4.56 * 1010

Е01 = 57000 Е02 = 210000 (кДж/кмоль)

U = K1 * P1 * (P23 / P32)0,5 - K2 * (P3 2/ P23)0,5

Введение

Аммиамк -- NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях -- бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит.

Физические свойства.

Под обычным давлением аммиак сжижается при -33 °С и затвердевает при -78 °С. Теплота плавления NH3 составляет 6 кДж/моль. Критическая температура аммиака 132 °С, критическое давление - 112 атм.

Растворимость аммиака в воде больше, чем всех других газов: один объём воды поглощает при 0 °С около 1200, а при 20 °С - около 700 объёмов NH3. Продажный концентрированный раствор имеет обычно плотность 0,91 г/см3 и содержит 25 вес. % NH3 (т.е. близок к составу NH3·3H2O).

С ассоциацией жидкого аммиака связана его большая теплота испарения (23,4 кДж/моль). Так как критическая температура аммиака лежит высоко (+132 °С) и при испарении его от окружающей среды отнимается много тепла, жидкий аммиак может служить рабочим веществом холодильных машин.

Жидкий аммиак является хорошим растворителем для очень большого числа органических соединений, а также многих неорганических.

Характерным свойством аммиака как ионизирующего растворителя является его резко выраженное выравнивающее влияние на диссоциацию различных электролитов.

Химические свойства.

Аммиак является хорошим горючим реактивного топлива. Подобно воде, жидкий аммиак сильно ассоциирован, главным образом за счёт образования Н-связей. Однако они сравнительно слабы (около 4,2 кДж/моль). Вязкость жидкого аммиака почти в семь раз меньше вязкости воды. Его плотность (0,68 и 0,61 г/см3 соответственно при -33 и +20 °С) также значительно меньше, чем у воды. Электрический ток жидкий аммиак практически не проводит, так как электролитическая диссоциация ничтожно мала: ионное произведение [NH4+] [NH2-] = 2·10-33 (при -50 °С).

Выше 0 °С (под давлением) жидкий аммиак смешивается с водой в любых соотношениях. На крепких растворах воды в аммиаке при 30 °С было показано, что её ионизация мала.

Для химической характеристики аммиака основное значение имеют реакции трёх типов: присоединения, замещения водорода и окисления.

Получение.

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота:

N2(г) + 3H2(г) - 2NH3(г) + 45,9 кДж

Это так называемый процесс Габера (немецкий физик, разработал физико-химический основы метода).

Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье, реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях -- тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700 °C устанавливается слишком медленно для практического её использования.

Применение катализатора (пористое железо с примесями Al2O3 и K2O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения аммиака проводят при следующих условиях: температура 500 °C, давление 350 атмосфер, катализатор. Выход аммиака при таких условиях составляет около 30 %. В промышленных условиях использован принцип циркуляции -- аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления.

Биологическая роль.

Аммиак является конечным продуктом азотистого обмена в организме человека и животных. Он образуется при метаболизме белков, аминокислот и других азотистых соединений. Он высоко токсичен для организма, поэтому большая часть аммиака в ходе орнитинового цикла конвертируется печенью в более безвредное и менее токсичное соединение -- карбамид (мочевину). Мочевина затем выводится почками, причём часть мочевины может быть конвертирована печенью или почками обратно в аммиак.

Физиологическое действие.

По физиологическому действию на организм относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при ингаляционном поражении вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы. Аммиак обладает как местным, так и резорбтивным действием. Пары аммиака сильно раздражают слизистые оболочки глаз и органов дыхания, а также кожные покровы. Пары аммиака вызывают обильное слезотечение, боль в глазах, химический ожог конъюктивы и роговицы, потерю зрения, приступы кашля, покраснение и зуд кожи. При соприкосновении сжиженного аммиака и его растворов с кожей возникает жжение, возможен химический ожог с пузырями, изъязвлениями. Кроме того, сжиженный аммиак при испарении поглощает тепло, и при соприкосновении с кожей возникает обморожение различной степени. Запах аммиака ощущается при концентрации 37 мг/мі. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны производственного помещения составляет 20 мг/мі. Следовательно, если чувствуется запах аммиака, то работать без средств защиты уже опасно. Токсический отёк лёгких развивается при воздействии аммиака в течение часа с концентрацией 1,5 г/мі. Кратковременное воздействие аммиака в концентрации 3,5 г/мі и более быстро приводит к развитию общетоксических эффектов. Предельно допустимая концентрация аммиака в атмосферном воздухе населённых пунктов равна: среднесуточная 0,04 мг/мі; максимальная разовая 0,2 мг/мі.

Применение.

Для производства:

· азотных удобрений (нитрат и сульфат аммония, мочевина)

· взрывчатых веществ

· полимеров

· азотной кислоты

· соды (по аммиачному методу) и других продуктов химической промышленности

Используется:

· в качестве растворителя

· в качестве холодильного агента (R717).

Расчетная часть

Химическое равновесие

Дано: N2 + 3H2 - 2NH3

Решение:

Рис.1 Kp = f (T)

Выводы: реакция является экзотермической т.к. Кр уменьшается с увеличением Т, а значит ? Е>0. Рассмотрим формулу Кр=Аe(Е2-Е1)/RT с ростом Т, (Е2-Е1)/RT уменьшается (Е2-Е1)>0, что приводит к уменьшению Аe(Е2-Е1)/RT, а, следовательно, и Кр уменьшается.

Рис.2 XR = f (T,P)

Вывод: рассмотрим формулу = zr3p-2/zr1zr2 с увеличением Т, (Е2-Е1)/RT уменьшается (Е2-Е1)>0, Аe(Е2-Е1)/RT уменьшается, а, следовательно, и Кр, но, чтобы сохранить равенство и zr3 должен уменьшаться, но т.к. zr3 пропорционален XR, значит и XR уменьшается с увеличением Т. Т.к. Кр не зависит от Р, то чтобы сохранить равенство с увеличением Р, zr3 тоже увеличивается, а т.к. XR= zr3, то XR, zr3, zr1 тоже увеличиваются.

Рис.3 Z прод = f (P,T)

Вывод: Рассмотрим формулу = =zr3p-2/zr1zr2 с увеличением давления (т.к. Кр =f(P) не явл. функцией дввления) чтобы сохранить равенство z продукт также увеличивается = =zr3p-2/zr1zr2.С увеличением Т, Кр уменьшается, и чтобы сохранить равенство, zr3 должно уменьшаться. реактор синтез аммиак

Рис.4. График зависимости степени превращения азота в реакторе от его парциального давления.

Вывод: кривые имеют нисходящий характер; это связано с тем, что с ростом давления уменьшается время нахождения в реакторе газовой смеси (при повышении давления концентрация газа возрастает и часть газа может конденсироваться в жидкость). А поскольку реакция протекает в газовой фазе, повышение давления ведет к уменьшению количества () газа в реакторе, и как следствие, уменьшается выход реакции, т.е. степень превращения азота в аммиак.

Кинетика

Дано:

Решение:

Рис. 5 U,U1,U2 = f(T)

Вывод: т.к. Е2>E1, U2 будет сильнее реагировать на увеличение Т, U2 будет сильнее изогнута кривой U1.

U=К1Ро z01(1-хА(1+1/Кр)), ?С= Ро z01(1-хА(1+1/Кр)), с увеличением Т, Кр уменьшается, 1/Кр увеличивается, ?С уменьшается, Umax уменьшается.

Рис. 6 U = f(T,Р)

Вывод: с увеличением Т, U увеличивается и проходит через max Ui,j=K1i?P1j? ((P2j)3/(Р3j)2)0.5 -K2i? ((P3j)2/(Р2j)3)0.5, К=К0e-Е/RT, из формулы ?Р=Рт-РА*, РА* уменьшается, Рт увеличивается, значит U увеличивается.

Вычисления параметров для сравнения реакторов

Дано:

Решение:

Вычисления для реактора идеального вытеснения

Рис. 7 Vрив = f(P)

Вывод: 1. Рассмотрим формулу = =zr3p-2/zr1zr2 с увеличением давления (т.к. Кр =f(P) не явл. функцией дввления) zr3 также увеличивается, а т.к. объем реактора обратно пропорционален равновесной степени превращения, то Vрив. уменьшается с ростом Р.

2. U=К1Рz01(1-хА(1+1/Кр)) = К?С из нее следует, что с ростом Х, ?С убывает и скорость U убывает. Проанализировав формулу

получаем, что с увеличением скорости и Vрив. увеличивается.

Вычисления для реактора полного смешения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 8 Vрпс = f(P)

Вывод: 1. Рассмотрим формулу = =zr3p-2/zr1zr2 с увеличением давления (т.к. Кр =f(P) не явл. функцией давления) zr3 также увеличивается, а т.к. объем реактора обратно пропорционален равновесной степени превращения, то Vрпс. уменьшается с ростом Р.

2. U=К1Рz01(1-хА(1+1/Кр))= К?С из нее следует, что с ростом Х, ?С убывает и скорость U убывает. Проанализировав формулу

получаем, что с увеличением скорости и Vрпс. увеличивается.

Определение отношения объемов реакторов полного смешения и идеального вытеснения.

Обозначим данное отношение ?

Рис.9 Vрпс/Vрив = f(P)

Вывод: При увеличении Р наблюдается уменьшение объема реактора идеального вытеснения (Vрив.) и объема реактора полного смешения (Vрпс.) одинаково интенсивно, что видно из значений ?.

С увеличением Р разность между величинами объемов реакторов уменьшается.

Расчет высоты реактора построение графика

T = f(h)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10 T = f(h)

Вывод: имеем график зависимости высоты реактора от температуры газа в реакторе (данный параметр зависит от степени превращения), имеем в кривой перегиб, т.к. температура пропорциональна степени превращения, а высота реактора - времени пребывания газовой смеси -

Вычисления для реактора полного смешения.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.11 X = f()

Вывод: при увеличении суммарной скорости реакции, зависящей от степени превращения, для сохранения равенства должна увеличиваться равновесная концентрация, также от нее зависящая, а поскольку она уменьшается, чтобы равновесие сохранилось, время пребывания увеличивается. Изогнутость кривой объясняется тем, что скорость реакции проходит через максимум.

Заключение

В ходе работы были проанализированы и сравнены по определенным параметрам реактор полного смешения и реактор идеального вытеснения на примере синтеза аммиака. Изучено влияние на процесс синтеза аммиака такого параметра, как давление.

Для данного процесса с точки величины объема реактора более выгодным оказывается аппарат близкий по свойствам к реактору идеального вытеснения, т.к. при всех давлениях из заданного интервала (Р=300-400атм) он более экономичен.

Реактор полного смешения в применении к синтезу аммиака не подходит, т.к. имеет больший объем при тех же технологических параметрах процессах, следовательно, его использование менее экономично.

По полученным данным реактор, близкий по свойствам к реактору идеального вытеснения для достижения одной и той же степени превращения более экономичен.

Список используемой литературы

1. Луцко Ф.Н., Сороко В.Е., Прокопенко А.Н. Химико-технологические расчеты с применением MathCad/СПб: СПБГТИ (ТУ), 2006

2. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. в 2-х т. Т.1. Теоретические основы химической технологии/Мухленов И.П., Авербух А.Я., Тумаркина Е.С., Фурмер И.Э.--М: Высшая школа, 1984

3. http://www.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru