Технология производства азотной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Кафедра физического воспитания

КУРСОВОЕ ЗАДАНИЕ

по дисциплине Химическая технология

по теме Технология производства азотной кислоты

Мишина А.Ю.

Липецк, 2020г.

Содержание

азотный кислота технологический

1. Физические свойства азотной кислоты

2. Используемое сырье и технические требования к нему

3. Способы получения азотной кислоты

4. Современный метод получения азотной кислоты

5. Этапы производства

5.1 Окисление аммиака до оксида азота (II)

5.2 Окисление оксида азота (II)

5.3 Абсорбция оксидов азота

6. Принципиальная схема производства азотной кислоты

7. Технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты под повышенным давлением

8. Основной аппарат

9. Требования к полученному продукту

10. Применение азотной кислоты

11. Охрана окружающе й среды

12. Патент

Список литературы

Приложение



1. Физические Свойства Азотной Кислоты

Азотная кислота (HNO₃) -- бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, имеет резкий запах, легко испаряется. Молярная масса HNO₃ = 63,012 г/моль. Температура плавления = ?41,59°C. Температура кипения = 82,6°C (при нормальном атмосферном давлении). Плотность = 1,513 г/см³.



2. Используемое сырье и технические требования к нему

Сырьем для получения азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода.

o Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло. Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака.

o Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, а затем в двухступенчатом фильтре.

o Вода используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты требуется чистый паровой конденсат.

Для производства азотной кислоты используется аммиак марки А. Для этой марки должны соблюдаться следующие требования:

- массовая доля аммиака не менее 99,9%;

- массовая доля воды не более 0,1%;

- массовая концентрация масла не более 2 мг/дм³;

- массовая концентрация железа не более 1 мг/дм³.

Вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать:

- свободного аммиака и твердых взвесей;

- содержание хлорид - иона должно быть не более 2 мг/л;

- масла не более 1мг/л;

- NH₄NO₃ - не более 0,5 г/л.

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

- жесткость карбонатная, мэкв/кг не более 3,6;

- содержание взвешенных веществ, мг/кг не более 50;

- значение pH 6,5-8,5.

Воздух: для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [%, об.]: N₂ - 78,1; О₂ - 21,0; Ar₂ - 0,9; Н₂О - 0,1-2,8. В воздухе могут присутствовать также следы SO₂, NH₃, CO₂. В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO₂, SO₃, H₂S, С₂H₂, Cl₂ и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5-1,0 мг/м³.



3. Способы получения азотной кислоты

1) Впервые о получении азотной кислоты было написано Гебером в 778 году. Он предложил способ перегонки смеси селитры с квасцами.

2) В 1648 году И.Глаубер получил азотную кислоту нагреванием селитры с серной кислотой.

3) В конце 18 века был осуществлен крупномасштабный промышленный способ производства азотной кислоты разложением нитрата натрия концентрированной серной кислотой при температуре 150-170°C.

4) В начале 19 века были произведены первые исследования процесса получения азотной кислоты из аммиака.

5) С начала 20 века началось производство азотной кислоты из синтетического аммиака.

6) В середине 20 века был разработан способ прямого синтеза концентрированной азотной кислоты взаимодействием жидкого тетраоксида азота с водой и кислородом.



4. Современный метод получения азотной кислоты

В настоящее время азотная кислота в промышленных масштабах производится только из аммиака. Поэтому структура сырья азотнокислотного производства совпадает со структурой сырья для производства аммиака. Основную массу кислоты получают из синтетического аммиака, получаемого конверсией природного газа. Для окисления аммиака используют кислород воздуха. Поглощение оксида азота (IV) осуществляется водой.



5. Этапы производства

5.1 Окисление аммиака до оксида азота (II)

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6 H₂0 - ДH

4NH₃ + 4H₂ = 2N₂O + 6 H₂O - ДH

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6 H₂O - ДH

4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O - ДH

Из первых трех реакций термодинамически наиболее вероятная третья, так как она протекает с максимальным выделением тепла. Поэтому в отсутствие катализатора окисление аммиака идет преимущественно до элементарного азота.

Для ускорения целевой реакции окисления до оксида азота (II) применяется селективно действующие катализаторы. В современных условиях применяют платиновые катализаторы в виде пакета сеток из сплава платины с 7,5% родия или двухступенчатые катализаторы в виде слоя таблетированной смеси оксидов железа (III) и хрома (II).

Оптимальный режим процесса на этой стадии должен обеспечивать селективность окисления аммиака, минимальные потери катализатора и автотермичность процесса. Этим требованиям удовлетворяют следующие условия: температура 800 °C, давление 0,1 - 1,0 МПа, отношении О₂: NH₃ = 1,8 - 2,0, время контактирования 1 - 2*10^-4 с. Исходная аммиачно-воздушная смесь имеет состав: аммиака 10-11,5% (об.); кислород 18-19% (об.); азот 70-72% (об.). Получаемые нитрозные газы содержат 8-11% (об.) оксида азота (II).



5.2 Окисление оксида азота (II)

Нитрозные газы, полученные на стадии окисления аммиака, содержат оксид азота (II), азот, кислород и пары воды. При окислении оксида азота (II) в оксид азота (IV) протекает три параллельных реакции:

2NO + O₂ = 2NO₂ - ДH

2NO₂ = N₂O₄ - ДH

NO₂ + NO = N₂O₃ - ДH

Реакции обратимы, протекают в гомогенной системе с выделением тепла и уменьшением объема. Из-за этого происходит понижение температуры и повышение давления, что сдвигает их равновесие вправо.

Нитрозные газы, выходящие из реактора окисления аммиака, имеют температуру около 800°C, и оксид азота (IV) в них практически отсутствует. Для превращения оксида азота (II) в оксид азота (IV) нитрозные газы охлаждают. Обычно переработку нитрозных газов ведут при температуре 10-50°C.

Если в нитрозном газе наряду с оксидом азота (IV) присутствует оксида азота (II), то возможно протекание третьей реакции. Эта реакция обратима и скорость ее очень велика.

5.3 Абсорбция оксидов азота

Все оксиды азота, входящие в состав нитрозных газов, нерастворимы в воде, кроме оксида азота (II). Взаимодействие их с водой сопровождается реакцией хемосорбции:

2NO₂ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ - ДH

N₂O₄ + H₂O = HNO₃ + HNO₂ - ДH

N₂O₃ + H₂O = 2HNO₂ - ДH

Образующаяся нестойкая азотистая кислота разлагается:

3HNO₂ = HNO₃ + 2NO + H₂O + ДH

Суммарные реакции образования азотистой кислоты имеют вид:

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO - ДH

3N₂O₄ + 2H₂O = 4HNO₃ + 2NO - ДH

Согласно данным реакциям из трех молей оксида азота (IV) образуются два моля азотной кислоты и один моль оксида азота (II), который возвращается на окисление до оксида азота (IV).

Концентрация получаемой азотной кислоты зависит от температуры, давления, парциального давления оксида азота (IV) в поглощаемой газовой смеси и концентрации образовавшейся кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышении давления степень абсорбции оксида азота (IV) водной азотной кислотой возрастает. При атмосферном давлении и температуре 25°C абсорбция оксида азота почти прекращается, когда концентрация кислоты достигает 65% (мас.).

Возможность получения азотной кислоты концентрацией более 60% (мас.) ограничена температурой и давлением процесса абсорбции и содержанием оксида азота (IV) в нитрозных газах.

В реальных условиях производства при температуре 40°C и давлении 0,1 МПа и понижении содержания оксида азота вследствие его поглощения из газа концентрация получаемой кислоты не превышает 50% (мас.) Повышение давления способствует поглощению оксида азота (IV) и увеличению концентрации кислоты: 58% (мас.) - 0,7 МПа; до 62% (мас.) - 1,1 МПа.

Для количественных расчетов процесса целесообразно пользоваться балансовым уравнением превращения аммиака в азотную кислоту:

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O



6. Принципиальная схема производства азотной кислоты

Независимо от конкретной технологии схема производства азотной кислоты включает пять основных стадий.

Очищенные от примесей аммиак и воздух смешиваются и направляются на стадию окисления аммиака. Так как окисление оксида азота (II) производится при низких температурах, нитрозные газы после окисления аммиака подвергаются охлаждению в котле-утилизаторе, где происходит частичное окисление оксида азота (II). Дальнейшее окисление его происходит одновременно с образованием азотной кислоты в процессе абсорбции оксида азота (IV) водой. Отходящие газы очищаются от остатка оксида азота (IV), не вступившего в реакцию, нейтрализацией раствором карбоната натрия.

В настоящее время в промышленности используют несколько методов производства разбавленной азотной кислоты. Рассмотрим технологию получения разбавленной азотной кислоты при повышенном давлении (0,8 - 1 МПа).



7. Технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты под повышенным давлением

Атмосферный воздух после отчистки в фильтре 3 сжимается в турбокомпрессорной установке 4 до заданного давления. При этом он нагревается до температуры 110-120^оС. Газообразный аммиак, полученный испарением жидкого продукта в испарителе 1, смешивается с воздухом в смесителе 2. Полученная аммиачно-воздушая смесь, содержащая 10-12% (об.) аммиака, после отчистки в фильтре 5 поступает в контактный аппарат 6.

Контактный аппарат диаметром 1,6-2 м выполнен в виде двух соединенных частей: верхней - конусообразной и нижней - цилиндрической. В нижней части контактного аппарата находится котел-утилизатор 7, где температура нитрозных газов после катализаторных сеток понижается от 900 до 170^оС. В результате охлаждения около 40% оксида азота (II) окисляется до оксида азота (IV). В доокислителе 8 степень окисления оксида азота (II) достигает 8,5%. После охлаждения в холодильнике-кондесаторе 9 и отделения сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 10 нитрозные газы поступают в нижнюю часть абсорбционной колонны 11. Туда же направляется сконденсировавшаяся азотная кислота, а сверху подается вода.

Абсорбционная колонна барботажного типа диаметром 3,2 м и высотой 45 м снабжена сетчатыми тарелками, между которыми расположены змеевики, охлаждаемые водой для обеспечения необходимого теплового режима абсорбции. На выходе из абсорбционной колонны концентрация азотной кислоты достигает 55-58% (мас.). В продувочной колонне 12 из азотной кислоты удаляется растворенный оксид азота (IV) барботированием подогретого воздуха, что позволяет снизить содержание азота (IV) в азотной кислоте с 1 до 0,2% (об.). Отбеленная азотная кислота поступает на склад, а воздух, выходящий из продувочной колонны, направляется в абсорбционную колонну для поглощения оксидов азота.



8. Основной аппарат

Абсорбционная колонна состоит из нескольких десятков ситчатых тарелок. Типичная тарельчатая колонна имеет от 20 до 70 тарелок в качестве ступеней контакта газовой и жидкой фаз. Для отвода тепла реакции на тарелках снизу уложены змеевики, по которым циркулирует охлаждающая оборотная вода. Сверху на тарелки подается вода. Образующаяся азотная кислота перетекает на нижележащие тарелки, двигаясь навстречу потоку нитрозного газа. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты увеличивается и на выходе из абсорбционной колонны составляет не ниже 55,0%, причем содержание растворенных в ней оксидов азота достигает 1%.

Благодаря пенному режиму на тарелках обеспечивается хороший тепломассообмен. Пенный режим возникает при увеличении скорости газа, когда его пузырьки, выходящие из прорезей или отверстий, сливаются в струи, которые вследствие сопротивления барботажного слоя разрушаются (на некотором расстоянии от места истечения) с образованием большого числа мелких пузырьков. При этом на тарелке образуется газожидкостная система - пена, которая является нестабильной и разрушается мгновенно после прекращения подачи газа. Основной поверхностью контакта фаз в такой системе является поверхность пузырьков, а также струй газа и капель жидкости над газожидкостной системой, которые образуются при разрушении пузырьков газа в момент их выхода из барботажного слоя. Поверхность контакта фаз при пенном режиме наибольшая, поэтому пенный режим обычно является наиболее рациональным режимом работы тарельчатых абсорберов.



9. Требования к полученному продукту

Требования к полученной разбавленной азотной кислоте представлены в ГОСТ Р 53789-2010 «Кислота азотная неконцентрированная».



10. Применение азотной кислоты

Азотная кислота применяется в производство азотных и комбинированных удобрений (натриевой, аммиачной, кальциевой и калиевой селитры, нитрофоса, нитрофоски), различных сернокислых солей, взрывчатых веществ (тринитротолуола), органических красителей.

В органическом синтезе широко применяется смесь концентрированной азотной кислоты и серной кислоты - «нитрующая смесь».

В металлургии азотная кислота применяется для растворения и травления металлов, а также для разделения золота и серебра. Также азотную кислоту применяют в химической промышленности, в производстве взрывчатых веществ, в производстве полупродуктов для получения синтетических красителей и других химикатов.

Кислота азотная техническая используется при никелировании, гальванизации и хромировании деталей, а также в полиграфической промышленности. Широко используется кислота азотная в молочной, электротехнической промышленности.



11. Охрана окружающей среды

Среднесуточная ПДК оксидов азота в атмосферном воздухе населенных мест составляет 0,04 мг/м³, максимальная разовая - 0,2 мг/м³, что соответствует 3-му классу опасности.

ПДК азотной кислоты и оксидов азота:

- в воде (NO₃) - 45 мг/л;

- в воде (NO₂) - 3,3 мг/л;

- в воде рыбохозяйственных водоемов (NO₃) - 40 мг/л;

- в воде рыбохозяйственных водоемов (NO₂) - 0,08 мг/л;

- в почве (NO₃) - 130 мг/кг.

Хвостовые газы производства азотной кислоты содержат после абсорбционных колонн от 0,05 до 0,2% оксидов азота, которые по санитарным требованиям без дополнительной очистки запрещено выбрасывать в атмосферу.

Радикальное решение проблемы очистки хвостовых газов - каталитическое восстановление оксидов азота горючими газами - водородом, природным газом, оксидом углерода, аммиаком. Условия проведения процесса и тип используемого катализатора определяются видом применяемого газа. Восстановление оксидов азота снижает их содержание в очищенном газе до 0,001-0,005%, что обеспечивает санитарные нормы по содержанию оксидов азота в приземном слое воздуха.

Одним из наиболее реальных способов утилизации оксидов азота, обеспечивающих санитарные нормы содержания оксидов азота приземном слое атмосферы после рассеивания их из выхлопной трубы, является абсорбционно-десорбционный метод, в котором используется непрерывно циркулирующий сорбент (силикагель). Также разработаны способы абсорбции на молекулярных ситах, промывки кислым раствором мочевины и другими промывными жидкостями.



12. Патент

Патент Российской Федерации № 2 201 892 C2.

Изобретение относится к области технологии получения неконцентрированной азотной кислоты и может быть использовано в производствах концентрированной азотной кислоты, нитрит-нитратных солей и калийных удобрений.

Способ получения азотной кислоты включает стадии окисления аммиака, подготовки и переработки нитрозного газа, в том числе абсорбцию, при этом подготовку и переработку нитрозного газа осуществляют, применяя дополнительное окисление оксида азота (II) в оксид азота (IV) раствором азотной кислоты промежуточной концентрации с одновременным обогащением нитрозного газа оксидом азота (IV) при определенной температуре до выделения реакционной влаги из нитрозного газа и проводя процесс абсорбции в присутствии раствора десорбированной и раскисленной азотной кислоты.

Способ позволяет эффективно использовать энергию нитрозного газа, повысить содержание оксида азота в нитрозном газе перед абсорбционной колонной, улучшить экономичность процесса в целом при улучшении и сохранении основных технологических показателей процесса на известном уровне.



Список литературы

1. Кондауров Б.П., Общая химическая технология: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений/ Б.П. Кондауров, В.И. Александров, А.В. Артемов - М: Изд. центр «Академия», 2005 - С. 185-201.

2. Интернет-ресурс: https://studwood.ru/1661968/matematika_himiya_fizika/syryo_proizvodstva_azotnoy_kisloty

3. ГОСТ 6221-82 «Аммиак безводный сжиженный».

4. ГОСТ 20995-75 «КОТЛЫ ПАРОВЫЕ СТАЦИОНАРНЫЕ ДАВЛЕНИЕМ ДО 3,9 МПа. Показатели качества питательной воды и пара»

5. ГОСТ Р 53789-2010 «Кислота азотная неконцентрированная».

6. Интернет-ресурс: http://химбочка.рф/azotkisl.html

7. Пат. 2 201 892 C2 Российская Федерация МПК С01В 21/40. Способ получения азотной кислоты./ Зарубин В.М., Тёмная Н.Б., Барабаш И.И.; патентообладатель: Украинский гос. науч.-исслед. и проектный инст. азотной пром. и прод. орг. синтеза. - № 2001117964/12; заявление 2001.06.27; опубликовано 2003.04.10.



Приложение

Расчет материального и теплового баланса контактного аппарата

1. Расчет материального баланса

Расчет количества паров воды в воздухе, выходящем из аппарата для очистки воздуха. Разряжение в аппарате 200 мм воз.столба или 745-(200/13,6) = 730,8 мм рт.столба или 0,96 атм.

Упругость паров воды при 31^оС и 100% насыщении 33,4 мм рт. столба или 33,4/730,3 = 0,0457 атм или 4,57%.

Расчет контактного аппарата (расчет на 1 т НNО3).

Исходные данные для расчета:

o Выход по окислению аммиакам зк = 0,975

o Выход по абсорбции за = 0,985

o Общий выход з = зк * за = 0,975*0,985 = 0,96

o Содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси АNH3 = 11,0% объемн.

o Содержание водяных паров в воздухе (при условии насыщения при 31^оС на выходе из пенного промывателя воздуха) АH2O = 4,57% объемн.

Материальный расчет контактного аппарата (расчет ведется на нормальные условия 0^оС и 760 мм. рт. ст.)

1) Расход аммиака:

или



2) Количество аммиачно-воздушной смеси, поступающей на окисление:

В этом количестве аммиачно-воздушной смеси содержится воздуха:

3) Состав воздуха, поступающего на окисление аммиака:

а) содержание водяных паров:

б) содержание кислорода:

в) содержание азота:

4) Состав нитрозных газов, образующихся в результате окисления аммиака.

Основные реакции, протекающие в контактном аппарате:



4NH3 + 5O2 = 4NO2 + 6H2O + 216700 кал (1)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 303100 кал (2)

По первой реакции окисляется 97,5% NH3, по второй 2,5% Состав нитрозных газов определяется стехиометрическими соотношениями в этих реакциях:

а) количество образующейся окиси азота по первой реакции:

б) количество образующегося азота по второй реакции:

в) количество образующихся водяных паров (по 1-й и 2-й реакции):

г) количество расходуемого кислорода:

по 1-й реакции:

по 2-й реакции:



Таблица 1. Материальный баланс

	Приход	Расход
	состав по	состав по весу	состав по	состав по весу
	м3	%	кг	%	м3	%	кг	%
NH3	370,2	11	281	6,9	-	-	-	-
NO	-	-	-	-	360,96	10,44	483,7	11,98
O2	597,4	17,75	853,7	21	139,2	4,02	198,9	1,88
N2	2261,1	67,18	2826,3	69,4	2265,7	65,54	2832,1	69,57
H2O	136,9	4,07	110	2,7	692,2	20	556,8	13,66
Итого	3365,6	100	4071	100	3458,06	100	4071,5	97,09

2. Расчет теплового баланса

Исходные данные для расчета:

o Количество аммиака на 1т HNO₃ G(NH₃) = 281 кг

o Количество воздуха на 1т HNO₃ G(в) = 3790 кг

o Теплоемкость аммиака С(NH₃) = 0,509 кал/кг ^оС

o Теплоемкость воздуха С(в) = 0,246 кал/кг ^оС

o Расчетная температура поступающей в контактный аппарат аммиачно-воздушной смеси t = 70 ^оС.

Тепло, выделяющееся при окислении аммиака по 1- ой реакции:

Тепло, выделяющееся при окислении аммиака по 2- ой реакции:

Общее количество тепла:

Определим расход тепла Q₃ уходящими от сеток нитрозными газами при температуре 800 ^оС и принимаем следующие средние теплоемкости компонентов нитрозного газа в пределах 0 - 800 ^оС.

NH₃-31,9; O₂-32,6 [в кдж/(моль * град)]

N₂-31,0; H₂O-38,0

Потери тепла за счет излучения Q₄, вызывающие снижение температуры сеток, составляют 5,0%

Таблица 2. Тепловой баланс

	Приход, кал		Расход, кал
Q1	873000	Q3	861237
Q2	31300	Q4	43061,85
Итого	904300	Итого	904300

Размещено на Allbest.ru

...