1.1История создания промышленного способа получения разбавленной азотной кислоты

Содержание

Введение

1.Аналитический обзор

1.1История создания промышленного способа получения разбавленной азотной кислоты

1.2Стадии реакции синтеза разбавленной азотной кислоты

1.3Оптимальные условия синтеза азотной кислоты

1.4 Синтез разбавленной азотной кислоты при повышенном давлении

2 Цели и задачи работы

3 Основная часть

3.1 Материальный баланс

3.2 Расчет равновесных концентраций и равновесной степени превращения

3.3 Анализ скорости синтеза разбавленной азотной кислоты

3.4 Расчет фактической степени превращения

3.5 Выбор режима реактора и определение оптимальных условий проведения процесса

3.6 Тепловой баланс

4 Выводы по работе

Список литературных источников

Введение

Химические и смежные с ней отрасли промышленности, основанные на закономерностях химии и химической технологии, развиваются опережающими темпами. Одновременно с увеличением масштабов производства химических продуктов разрабатываются новые более совершенные способы производства, высокоэффективные технологические процессы и аппараты. Поэтому в современных условиях особенно возрастает значение теоретических основ химической технологии в подготовке инженера химика-технолога широкого профиля, способного управлять комбинированным производством, обобщать технологический опыт различных производств.

Химическая технология - интегрирующая наука, базирующаяся на фундаментальных основах химии, физики, механики, математики, управления, экономики. Целями освоения дисциплины являются общее ознакомление с химическими производствами, рассмотрение общих проблем синтеза и анализа химических производств с целью создания высокоэффективных ресурсосберегающих производств.

Основными методами исследования в ОХТ являются математическое моделирование химико-технологических процессов и химических аппаратов, опирающееся на закономерности химико-физических явлений, процессов массо - и теплопереноса, а также системный анализ технологических систем и взаимодействий элементов. Изучение курса «Общая химическая технология» позволяет овладеть теоретическими основами химической технологии и основными инженерными расчетами.

В курсе «Общая химическая технология» дается общее представление о химическом производстве как химико-технологической

системе, рассматриваются основные методы и приемы разработки эффективных химико-технологических систем, уделяется внимание проблемам сырья, энергии и водоподготовки в химической технологии. На примере некоторых конкретных химических производств предметно демонстрируются теоретические положения курса. Таковым моим примером является окисление оксида азота в производстве разбавленной азотной кислоты при повышенном давлении. Именно этот вопрос я рассматриваю в своей курсовой работе.

1.Аналитический обзор

Азотная кислота́ (HNO3), — сильная одноосновная кислота, очень важное и нужно вещество. Азотная кислота является окислительной минеральной кислотой, физические и химические свойства которой делают ее одним из наиболее ценных неорганических минералов. По общему объему производства она уступает только серной. В промышленном производстве используется 2 сорта:

Разбавленная (содержит 50-60% HNO3);

Концентрированная (содержит 96-98% HNO3).

Азотная кислота широко используется в промышленности, наиболее распространенными являются производство взрывчатых веществ, азотных удобрений и красителей.

Методика получения разбавленной азотной кислоты путём сухой перегонки селитры с квасцами и медным купоросом была, по-видимому, впервые описана трактатах Джабира (Гебера в латинизированных переводах) в VIII веке. Этот метод с теми или иными модификациями, наиболее существенной из которых была замена медного купороса железным, применялся в европейской и арабской алхимии вплоть до XVII века. В XVII веке Глаубер предложил метод получения летучих кислот реакцией их солей с концентрированной серной кислотой, в том числе и азотной кислоты из калийной селитры, что позволило ввести в химическую практику концентрированную азотную кислоту и изучить её свойства. Метод Глаубера применялся до начала XX века, причём единственной существенной модификацией его оказалась замена калийной селитры на более дешёвую натриевую (чилийскую) селитру. Во времена М. В. Ломоносова азотную кислоту называли крепкой водкой.

Первый завод по производству HNO3 из аммиака коксохимического производства был пущен в России в 1916 г. В 1928 г. было освоено производство азотной кислоты из синтетического аммиака. Различают производство слабой (разбавленной) азотной кислоты и производство концентрированной азотной кислоты. Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

1) конверсии аммиака с целью получения оксида азота

4NH3 + 5О2 → 4NO + 6Н2О;

2) окисления оксида азота до диоксида азота

2NO + О2 → 2NO2;

3) абсорбции оксидов азота водой

4NO2 + О2 + 2Н2О → 4HNO3;

Суммарная реакция образования азотной кислоты выражается:

NH3 + 2О2 → HNO3 + Н2О.

Производство азотной кислоты по схеме АК-72. В основу схемы АК-72, разработанной в СССР, положен замкнутый энерготехнологический цикл с двухступенчатой конверсией аммиака и охлаждением нитрозных газов под давлением 0,42–0,47 МПа и абсорбцией оксидов азота при давлении 1,1—1,26 МПа; продукция выпускается в виде 60%-ной HNO3. Первый агрегат АК-72 мощностью 380 тыс. т/год был пущен в 1976 г

Принципиальная технологическая схема процесса приведена на рисунке 1.1.

Воздух забирают из атмосферы через трубу 25, очищают от пыли в фильтре 24, сжимают воздушным компрессором 23 до 0,42 МПа и, разделив на два

потока, подают в контактный аппарат и подогреватель аммиака. Жидкий аммиак (парожидкостная смесь) через ресивер 1 поступает в испаритель 2, где испаряется при 10–16 °С и давлении 0,6 МПа. После испарителя газообразный аммиак очищают от масла и механических примесей в фильтре 3 и направляют в подогреватель аммиака 4, где он нагревается до 80–120 °С воздухом. Очищенный воздух и аммиак поступают в смесительную камеру 22 контактного аппарата 20. Образующаяся аммиачно-воздушная смесь содержит 9,6–10,0% NH3

Рисунок 1.1 –Технологическая схема производства азотной кислоты АК-72:

1 – ресивер; 2 – испаритель; 3, 24 – фильтры; 4, 15 – подогреватели; 5 – рекуперационная турбина; 6 – реактор каталитической очистки; 7 – смеситель; 8 – топочное устройство; 9 – продувочная колонна; 10 – абсорбционная колонна, II, 14 – водяные холодильники; 12, 23 – компрессоры; 13 – газовый промыватель; 16, 18 – холодильники нитрозных газов; 17 – деаэрационная колонна; 19 – котел-утилизатор; 20 – контактный аппарат; 21 – барабан с сепарационным устройством; 22 – смесительная камера; 25 – труба для забора воздуха

Пройдя тонкую очистку в фильтре, встроенном в контактный аппарат, аммиачно-воздушная смесь поступает на двухступенчатый катализатор, состоящий из трех платиноидных сеток и слоя неплатинового катализатора.

Нитрозные газы при температуре 840–860 °С поступают в котел-утилизатор 19, расположенный под контактным аппаратом, где за счет их охлаждения получают пар давлением 40 МПа с температурой 440 °С. Котел питают химически очищенной водой, деаэрированной в колонне 17. Деаэрированная вода проходит теплообменник 16, где нагревается нитрозными газами до 150 °С, экономайзер 18 и затем поступает в барабан котла-утилизатора 21. Производство слабой азотной кислоты под повышенным давлением. В 1960-х годах разработан агрегат по производству азотной кислоты мощностью 120 тыс. т год под давлением 0,716 МПа с использованием высокотемпературной каталитической очистки выхлопных газов, выпускающий продукцию в виде 53-58%-ной HNO3 [1]. При разработке этой схемы были пересмотрены вопросы экономической эффективности производства по схеме АК-72, в результате чего уменьшена мощность установки с 380 тыс. тонн до 120 тыс. тонн в год и снижено давление во всей схеме. В частности, абсорберы работают при давлении 0,5–0,7 МПа. Улучшена схема очистки хвостовых газов.

На синтез азотной кислоты оказывают влияние следующие факторы: влияние температуры, давления и катализаторов на равновесие и скорость окисления аммиака.

Поскольку окисление аммиака может протекать в нескольких направлениях, то для получения требуемого продукта — N0 — необходимо применение катализаторов, обладающих селективным (избирательным) действием. Таким катализатором является платиноидный катализатор, изготовленный из сплава платины с палладием и родием.. При окислении аммиака до оксида азота аммиачно-воздушная смесь должна пройти через слой катализаторов. Время соприкосновения газов с катализатором должно быть совершенно определенным для достижения заданной степени окисления аммиака.

Для расчета времени контакта пользуются уравнением:

τ=Vсв/Vr

где: τ — время пребывания в зоне катализа, с; Vсв — свободный объем катализатора, м3; Vr — объемная скорость газа в условиях конверсии, м3/с.

Практикой показано, что оптимальное время пребывания в зоне катализа аммиачно-воздушной смеси равно 10-4—10-5 с. Увеличение времени пребывания в зоне катализа, т. е. уменьшение скорости газового потока, ведет к образованию элементарного азота. Увеличение скорости газа выше оптимальной уменьшает время пребывания газовой смеси в зоне катализа, что ведет к проскоку аммиака в поток нитрозного газа. Аммиак, проскочивший в поток нитрозного газа, реагирует с оксидом азота, образуя элементарный азот; взаимодействует с диоксидом азота с образованием нитрита и нитрата аммония; при высокой температуре он может также разлагаться до элементарного азота и N2O. Все указанные реакции ведут к потере аммиака. Кроме того, часть аммиака, проскочившего через катализаторные сетки, может сохраняться до зоны пониженных температур, где образующиеся нитрит и нитрат аммония, попадая на трущиеся поверхности, могут вызвать взрыв. Применение давления для реакции окисления аммиака до оксида азота позволяет увеличить производительность агрегата, уменьшить размеры аппарата. Однако одновременно с этим при увеличении давления процесса снижается степень окисления аммиака до оксида азота и возрастают потери катализатора. Как указано выше, увеличение давления на стадии окисления аммиака снижает выход оксида азота N0 и увеличивает потери платины. В связи с этим применяют комбинированные системы, в которых окисление аммиака ведут при атмосферном или небольшом избыточном давлении, а абсорбцию — при повышенном давлении, что особенно благоприятно влияет на реакцию

окисления оксида азота N0 до диоксида. Применение повышенного давления в производстве азотной кислоты дает возможность получить более концентрированный продукт, а также увеличить степень использования оксидов азота, что ведет к уменьшению выбросов оксида азота в атмосферу и повышению степени рекуперации энергии, затрачиваемой на сжатие газов.

Реакция окисления N0 в N02 является равновесной, обратимой и идет с выделением тепла:

2NO + О2 = 2NO2 + 112,3 кДж

По принципу Ле-Шателье с повышением температуры равновесие реакции сдвигается влево, что приводит к снижению выхода NO2. Для ускорения этой реакции целесообразно применять повышенные давления, пониженные температуры, а также повышенные концентрации N0 и О2. Скорость реакции пропорциональна квадрату концентрации N0 в газовой смеси и концентрации O2.

2.Цели и задачи работы

1.Рассчитать материальный баланс реактора.

2.Рассчитать равновесные концентрации и равновесную степень превращения в зависимости от температуры и давления.

3.Проанализировать изменение скорости окисления оксида азота(II)

от температуры и степени превращения при давлении Р1=2ат., Р2=5ат.

4.Рассчитать фактическую степень превращения, достигаемую в реакторе РПС объёмом 20 м³ при изотермическом и адиабатическом режиме работы в зависимости от температуры смеси на входе в реактор при давлении Р1=2ат., Р2=5ат.

5.Выбрать режим работы реактора и определить оптимальные условия проведения процесса, т.е. температуру входа и давление в реакторе, указать фактическую степень превращения при этих условиях.

6.Рассчитать тепловой баланс реактора.

3 Основная часть

3.1 Материальный баланс

2NO+O2=2NO2(N2)

aA + bB=cC I

Выход продукта

Расходные коэфф.

3.2 Расчет равновесных концентраций и равновесной степени превращения

3.3 Анализ скорости синтеза разбавленной азотной кислоты

3.6 Тепловой баланс

2NO+O2=2NO2(N2)

aA + bB=cC I

---

Дата добавления: 2015-11-04