Xreferat.com » Рефераты по химии » Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти

ЗМІСТ


Вступ

1. Окислювання аміаку

1.1 Технологічні розрахунки

1.1.1 Завдання 1

1.1.2 Завдання 2

1.1.3 Завдання 3

2. Окислювання окису азоту

2.1 Технологічні розрахунки

2.1.1 Завдання 4

2.1.2 Завдання 5

2.1.3 Завдання 6

3. Абсорбція оксидів азоту

3.1 Технологічні розрахунки

3.1.1 Завдання 7

3.1.2 Завдання 8

4. Очищення викидних газів

4.1 Технологічні розрахунки

4.1.1 Завдання 9

4.1.2.Завдання 10

Література

Вступ


Тема контрольної роботи «Виробництво азотної кислоти» з дисципліни «Технологія основного неорганічного синтезу».

Дисципліна «Технологія основного неорганічного синтезу» вивчається в з метою засвоєння основних теоретичних основ технологій і методів одержання продуктів основного неорганічного синтезу.

Вивчення даної дисципліни ґрунтується на знаннях, одержаних при вивченні таких дисциплін: «Загальна і неорганічна хімія», «Фізична хімія», «Фізика», «Вища математика», «Теоретичні основи технології неорганічних речовин», «Кінетика і каталіз», «Процеси та апарати хімічної технології», «Основи наукових досліджень і наукова інформація» та інших.

Задачею вивчення курсу являється засвоєння фізико-хімічних основ промислових процесів та їх апаратурного оформлення, вивчення технологічних схем промислових виробництв зв’язаного азоту, вміння виконувати технологічні розрахунки.

Мета роботи – ознайомлення з теоретичними питаннями пов’язаними з виробництвом азотної кислоти та вирішення практичних завдань.

Азотну кислоту одержують окислюванням аміаку повітрям з наступною переробкою окислів азоту.

Перша стадія процесу - окислювання аміаку - описується рівнянням реакції:


4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 905,8 кДж/моль (1)


Одночасно з основною реакцією протікають побічні реакції, що приводять до дефіксації азоту й виражаються сумарним рівнянням:


4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1266,96 кДж/моль (2)

При охолодженні нітрозного газу окис азоту окисляється киснем до двоокису:


2NО + O2 = 2NO2 + 112,4 кДж/моль (3)


При цьому протікає також реакція:


2NО2 + NО = N2O3 (4)


Всі вищі окисли азоту реагують із водою з утворенням азотної й азотистої кислот:


2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 + 115,9 кДж/моль (5)

N2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 + 59,06 кДж/моль (6)

N2O3 + H2O = HNO2 + 55,6 кДж/моль (7)


Малостійка азотиста кислота розпадається на азотну кислоту й окис азоту:


3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O – 75,7 кДж/моль (8)


Сумарне балансове рівняння виробництва азотної кислоти з аміаку має вигляд:


NH3 + 2O2 = НNО3 + H2O + 420,5 кДж/моль (9)

1. Окислювання аміаку


Каталізатором при окислюванні аміаку служать сплави платини з родієм або палладієм, що мають форму сітки. Застосовують також неплатинові каталізатори на основі окислів заліза з добавками кобальту й хрому.

Напруженість каталізатора характеризують кількістю аміаку (кг) окисленого на 1 м2 активній поверхні каталізатора за добу, тобто кг/(м2∙ добу.):


Виробництво азотної кислоти (10)


де Виробництво азотної кислоти - годинна витрата аміаку, кг/година;

Виробництво азотної кислоти - активна поверхня каталізаторної сітки, м2.

Для платинових сіток активна поверхня 1 м2 розраховується по рівнянню:


Виробництво азотної кислоти (11)


де d – діаметр дроту сітки, см;

n – число плетив на 1 см2 площі сітки.

На практиці застосовують сітки, що мають діаметр 0,25-0,1 мм і число плетив 1000-4000 на 1 см2.

Розміри контактного апарата залежать в основному, від необхідної площі каталізаторної сітки. Для визначення площі спочатку знаходять необхідний вільний об'єм Vв каталізатора в м3:


Виробництво азотної кислоти (12)

де Wг – об'ємна швидкість газу в умовах контакту, м3/сек.;

τ - час контакту газу з каталізатором, сек..;

або


Виробництво азотної кислоти (13)


де m – число сіток, складених разом;

f - відношення вільного об'єму сіток до їхнього загального об'єму;


Виробництво азотної кислоти (14)


де 1d – загальний об'єм сіток у см3, віднесений до 1 см2 площі сіток;

Виробництво азотної кислоти - об'єм дроту сіток, віднесений до 1 см2 площі сіток.

Об'ємну швидкість газу (у м3/сек..) в умовах контакту розраховують по формулі:


Виробництво азотної кислоти (15)


де W0 – об'ємна швидкість газу при н.у., м3/сек..;

Тк – температура контакту, К;

Рк – тиск у контактному апарату, Па або атм;

Р – атмосферний тиск, Па або атм.

Підставивши в рівняння Виробництво азотної кислоти значення Vв і Wг і вирішуючи його відносно S одержимо необхідну площу каталі заторної сітки:


Виробництво азотної кислоти (16)

азотний кислота аміак оксид

де 1,1 - коефіцієнт, що враховує збільшення часу контакту за рахунок подовження ниток сітки при провисанні.

Діаметр сітки:


Виробництво азотної кислоти (17)


Оптимальний час контакту залежить від природи каталізатора й температури. Для 9000С при ступені перетворення 90-98% час контакту газу з каталізатором можна визначити по формулі:


Виробництво азотної кислоти (18)


де Виробництво азотної кислоти - ступінь перетворення NH3 в NO, %.

Підвищення температури внаслідок виділення теплоти при окислюванні аміаку киснем повітря можна визначити по формулі:


Виробництво азотної кислоти (19)


де Виробництво азотної кислоти - ступінь перетворення, частки одиниці;

х - зміст аміаку в аміачно-повітряної суміші, об. частки;

РН2О – парціальний тиск водяних пар у суміші;

Р – загальний тиск газу.

Вищенаведена формула справедлива при наступних значеннях мольних теплоємкостей компонентів суміші, кДж/(кмоль*град):


С(О2) – 32,3 С(Н2О) – 37,4 C(N2) – 30,8 C(NO) – 31,6


При виборі температури конверсії аміаку необхідно враховувати зростання питомих втрат платинового каталізатора, які сильно збільшуються вище 9500С. Питомі втрати платинового каталізатора можна визначити по емпіричному рівнянню:


Виробництво азотної кислоти (20)


де Виробництво азотної кислоти - питомі втрати платини, г/т;

Т – температура конверсії, К.


1.1 Технологічні розрахунки


1.1.1 Завдання 1

Скласти матеріальний і тепловий баланси стадії окислювання аміаку на 1 т азотної кислоти. Ступінь окислювання NH3 до NO – 0,97; NO до NO2 0,99 і ступінь абсорбції 0,97. Зміст аміаку в аміачно-повітряній суміші 7,5 % мас. Температура АВС на вході в контактний апарат 2700С, втрати тепла становлять 5% від загального приходу тепла. Визначити температуру нітрозних газів на виході з контактного апарата.

Рішення:

Визначимо витрату аміаку з сумарного рівняння:


NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O (І)


Теоретична витрата NH3 на 1 т HNO3 складе:


Виробництво азотної кислоти


Фактична витрата NH3 при значенні ступеня конверсії 97% і ступеня абсорбції оксидів азоту 99% складе:

Виробництво азотної кислоти


Об'єм цієї кількості аміаку складе:


Виробництво азотної кислоти


де 22,4 - мольний об'єм газу.

2. Визначимо об'єм повітря, необхідний для виробництва 1000 кг HNO3


Виробництво азотної кислоти


3. Приймаючи склад повітря О2 – 21% про.; N2 – 79% об. обчислимо об'єми цих газів:


Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти


4. По рівнянню окислювання аміаку:


4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O (ІІ)


утвориться:

- окису азоту: 370·0,97=359 м3 = Виробництво азотної кислоти

- води Виробництво азотної кислоти

витрата кисню складе:


Виробництво азотної кислоти


Результати розрахунків зведені в таблицю матеріального балансу:


Матеріальний баланс окиснення аміаку на 1 т азотної кислоти

Прихід кг м3 Витрата кг м3

Аміачно-повітряна суміш:

NH3

N2

O2


281

4506

1369


Виробництво азотної кислоти370

3604,7

958,3

Нітрозний газ

NH3

N2

O2

Н2О


11

4506

728

480

431


14,5

3604,7

509,6

359

538,5

Разом 6156

Виробництво азотної кислоти4933

Разом 5026,3 5026,3

Тепловий баланс

Визначимо фізичне тепло, внесене з АВС:


Виробництво азотної кислоти


де Сс = 29,74 - середня теплоємність повітряної-аміачно-повітряної суміші, кДж/(кмоль·град).


Визначимо тепло, що виділяється при протіканні реакції:


Виробництво азотної кислоти


де 905800 – кількість тепла, що виділяється при утворенні 1 кмоль окису азоту.

Прихід тепла: Qпр = 1768343 + 3629265 = 5397613 кДж

Визначимо фізичне тепло, яке виноситься з нітрозними газами, позначивши через tк температуру на виході з апарата:


Виробництво азотної кислоти


Визначимо втрати тепла:


Q4= 5397613·0,05 = 269881 кДж


Витрата тепла: Qрасх = 269881 + 7234,3tк кДж

Дорівнюючи прихід теплоти витраті, визначаємо температуру нітрозних газів на виході з контактного апарата:


5397613 = 269881 + 7234,3 tк

tк= (5397613 – 269881)/7234,3 = 708,80С


1.1.2 Завдання 2

На окислювання надходить суха АВС, що містить 8,5% про. аміаку. Ступінь конверсії аміаку - 98%.

На скільки градусів підвищиться температура в результаті реакції, якщо тепловтратами зневажити?

Рішення:


Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти

1.1.3 Завдання 3

Розрахувати діаметр сітки платино-родієвого каталізатора для контактного апарата продуктивністю 70 т/добу HNO3.

Вихідні дані:

- ступінь конверсії аміаку (К1) – 97%;

- ступінь абсорбції (К2) – 99%;

- концентрація аміаку в АВС (К3) – 11%;

- тиск в апарату - 1 атм;

- напруженість каталізатора 600 кг/(м2∙ добу.)

Рішення:


m(NH3) = (70 ∙ 1000 ∙17)/(63 ∙0,97 ∙ 0,99)-19700 кг/добу

Виробництво азотної кислоти

600 = 19700/Fc Fc=19700/600=32,8 м2


Приймаємо: d = 0,009 см, число плетив в 1 см2 площі сітки – 1024 (як найпоширеніше в практиці) і знаходимо активну поверхню 1 м2 сітки:


Виробництво азотної кислоти

Fc =2 ∙ 3,14 ∙ 0,009 ∙Виробництво азотної кислоти = 1,81 м2


Звичайно при окислюванні при атмосферному тиску укладають разом 3 сітки.


Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти

2. Окислювання окису азоту


Залежність константи рівноваги реакції


2NО + O2 = 2NO2 + 112,4 кДж/моль (21)


від температури виражається рівнянням


Виробництво азотної кислоти (22)


позначивши через:

2а й b - початкові концентрації NO і O2, % об.;

Р - загальний тиск газу;

2α - ступінь окислювання окису азоту, частки одиниці;

одержимо наступне вираження для парціальних тисків компонентів, що входять у рівняння (1):


Виробництво азотної кислоти Виробництво азотної кислоти Виробництво азотної кислоти


Тоді вираження для константи рівноваги з використанням парціальних тисків буде мати вигляд:


Виробництво азотної кислоти (23)


Швидкість окислювання окису азоту киснем виражається рівнянням:


Виробництво азотної кислоти (24)

Це рівняння справедливо при температурах нижче 1000С. У цьому випадку дисоціацією NO2 можна зневажити. При температурах вище 1000С необхідно враховувати протікання зворотної реакції.

Виразивши через х частку зменшення концентрації кисню за час τ і підставивши прийняті раніше позначення концентрацій компонентів у рівняння (2), а потім проінтегрувавши його, одержимо рівняння для визначення швидкості окислювання:


Виробництво азотної кислоти (25)


де константа Виробництво азотної кислоти, кмоль/л

τ - час, хв.

Якщо зменшення концентрації кисню виразити через ступінь окислювання Виробництво азотної кислоти, то можна одержати наступне рівняння для визначення швидкості окислювання:


Виробництво азотної кислоти (26)


При вираженні концентрації компонентів у частках одиниці або через парціальні тиски рівняння (3) прийме вид:


Виробництво азотної кислоти (27)


Кержавін, позначивши Виробництво азотної кислоти й підставивши в рівняння (3.26) Виробництво азотної кислотиВиробництво азотної кислоти, одержав рівняння


Виробництво азотної кислоти (28)

На підставі якого побудував номограму для визначення часу окислювання окису азоту. При Виробництво азотної кислоти ступінь окислювання залежить тільки від значення добутку Виробництво азотної кислоти. Ця номограма дозволяє легко визначити значення α для різних умов.

Процес окислювання окису азоту до двоокису супроводжується утворенням димера N2O4


2NO2 = N2O4 + 56,8 кДж/моль, (29)


що необхідно враховувати при розрахунку процесу окислювання окису азоту.

Константа рівноваги реакції полімеризації NO2 виражається рівнянням:


Виробництво азотної кислоти (30)

в області низьких концентрацій NO2 визначається по формулі:


Виробництво азотної кислоти (31)


Якщо в нітрозному газі поряд з NO2 є присутнім і NO, то утвориться також і N2O3:


O + NO2 = N2O3 + 40,1 кДж/моль (32)


2.1 Технологічні розрахунки


2.1.1 Завдання 4

Розрахувати ступінь полімеризації NO2 для газової суміші в якій міститься 5 % об. NO2 у вихідному газі, якщо тиск газу становить 105 Па, а температура 400С. Константа рівноваги дорівнює 0,435. Розрахунок вести на 100 м3 вихідної газової суміші.

Рішення:

Для 100 м3 вихідні газові суміші, що містить 5 % про. NO2, зміна об'єму в результаті полімеризації складе: 2NO2 = N2O4

Позначимо об'єм полімеру, що утворився (Х), тоді об'єм NO2 складе (5 - 2Х) Виробництво азотної кислоти


Мольні частки в цьому випадку (Р = 105 Па) дорівнюють парціальним тискам мономера й димера в момент рівноваги:


Виробництво азотної кислоти Виробництво азотної кислоти

Виробництво азотної кислоти Виробництво азотної кислоти


Кількість двоокису азоту, який полімеризується складе:


Виробництво азотної кислоти


2.1.2 Завдання 5


Скласти матеріальний баланс холодильника-конденсатора у виробництві азотної кислоти продуктивністю 14,5 кг/година.

Газ, що надходить із теплообмінника в холодильник-конденсатор, має наступний склад:


Речовина кмоль % об. кг м3
2,87 1,8 86,06 64,26
NО2 13,07 8,19 601,12 292,72
О2 3,04 1,90 97,17 68,02
Н2О 26,56 16,65 477,82 594,62
N2 114,03 71,46 3192,79 2554,15
Усього 159,57 100,00 4454,96 3573,77

Рішення:

На підставі практичних даних приймаємо, що при охолодженні нітрозних газів з 160 до 500С під тиском 7,3 ата утвориться конденсат у вигляді 52,5 %-ної азотної кислоти. По діаграмі на мал.52 [1] це відповідає 42,5 %-ному ступеню перетворення окислів азоту в азотну кислоту. З огляду на неповноту конденсації, приймаємо, що в холодильнику 42,2 % окислів азоту при взаємодії з конденсатом перетворюються в азотну кислоту.

Об'єм сухого газу складе:


3573,77 – (594,62 + (64,26 + 292,72)*0,425) = 2827,43 м3


Надходить з газом пари води:


Виробництво азотної кислоти


де 0,0536 – парціальний тиск водяних пар над 52,5 % розчином азотної кислоти при t=500С, кгс/див2;

6,7 - тиск газу з урахуванням втрат на 0,1 у попередніх апаратах, кгс/см2.

Конденсується води:


594,62 – 22,80 = 571,82 м3 або 571,82*18/22,4 = 459,5 кг

Утвориться моногідрату:


Виробництво азотної кислоти Виробництво азотної кислоти

У перерахуванні на продуктивність агрегату це складе:


х = 438,61*14,5 = 6359,86 кг/година


Витрачається води на утворення моногідратату:


438,61/7 = 62,66 кг/т або 908,57 кг/год.


Витрачається води на розведення:


459,5 – 62,66 = 396,84 кг/т

або 5754 кг/год.


Склад конденсату:


HNО3 438,61 кг/т або 6359,86 кг/год. - 52,5%

Н2О 396,84 кг/т або 5754,18 кг/год. – 47,5%

Усього 835,45 кг/т або 12114,04 кг/год. – 100%


Витрачається NO2 на утворення моногідрату:


Виробництво азотної кислоти


При цьому регенерується NO у кількості:


233,93/3 = 77,98 м3


У газі залишається:

- оксиду азоту 77,98 + 64,26 = 142,24 м3

- диоксида азоту 292,72 – 233,93 = 58,79 м3


Газ, що виходить із холодильника-конденсатора, має наступний склад:

Речовина кмоль % об. кг м3
6,35 4,99 190,50 142,24
NО2 2,62 2,07 120,73 58,79
О2 3,04 2,39 97,17 68,02
Н2О 1,02 0,80 18,32 22,80
N2 114,03 89,75 3192,79 2554,15
Усього 127,06 100,00 3619,51 2846,00

2.1.3Завдання 6

Реакція окислювання NO проводиться на каталізаторі - активному й промотованому вугіллі. Вивчення кінетики цієї каталітичної реакції показало, що швидкість реакції можна описати емпіричним рівнянням


Виробництво азотної кислоти

де а = 16,19; b = 4,842·105; с = 135;


Об'ємна маса каталізатора Gкат = 480 кг/м3; Р = 3·105 Па. В вихідній газовій суміші міститься 1,5 % (моль.) NO, 98,5 % (моль) - повітря.

Визначити об'єм реактора продуктивністю 50 т/добу NO2, що забезпечує ступінь перетворення х=90% , ступінь заповнення реактора δ = 0,8.

Рішення:

Проводимо матеріальні розрахунки, необхідні для визначення парціальних тисків компонентів у кінцевому газі.

Для забезпечення заданої продуктивності, яка дорівнює:


Виробництво азотної кислоти

Потрібно NO при х=0,9:


Виробництво азотної кислоти


Масова витрата вихідної газоповітряної суміші становить:


Виробництво азотної кислоти


Склад кінцевої газоповітряної суміші:


N, мольні частки NO O2 NO2

P=N·P, Па 4,2·103 6,12·104 3,8·103


Визначаємо швидкість реакції по заданому рівнянню:


Виробництво азотної кислоти


Визначимо, необхідний об'єм каталізатору:


Виробництво азотної кислоти


При ступені заповнення реактора δ = 0,8, об'єм реактора складе:


Виробництво азотної кислоти

3. Абсорбція оксидів азоту


3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO (33)

3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO (34)


Зневажаючи малою кількістю оксиду азоту (IV) в газі, всі розрахунки звичайно проводять по рівнянню (33). Рівновага цієї реакції вивчалося багатьма дослідниками. Якщо розглядати константу рівноваги


Виробництво азотної кислоти(35)


як добуток двох приватних констант


К = К1∙ К2

тоді Виробництво азотної кислоти й Виробництво азотної кислоти


Якщо константа рівноваги До залежить, як звичайно, тільки від температури, то приватні константи рівноваги К1 і К2 залежать і від змісту кислоти в розчині.

Нижче наведений метод обчислення рівноважного складу окислів азоту над азотною кислотою заснований на наступних реакціях:


3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO (36)

2NO2 = N2O4 (37)

Виробництво азотної кислоти

Позначивши через а, b і с парціальні тиски компонентів початкового газу, знайдемо їхні парціальні тиски в кінцевому газі:

До поглинання Після поглинання


NО ..... а K1x3

NO2..... b х

N2O4…...c x2/K


де х – парціальний тиск двоокису вуглецю в момент рівноваги.

Значення К визначається по рівнянню


Виробництво азотної кислоти(38)


Відповідно до реакції, кількість оксиду (ІІ), що утвориться, у три рази менше кількості поглиненого оксиду азоту (IV). Розглядаючи N2O4 як 2NO2, одержимо


Виробництво азотної кислотиабо

Виробництво азотної кислоти(39)


Тоді ступінь поглинання окислів азоту складе ( в %):


Виробництво азотної кислоти (40)


Ступінь перетворення в азотну кислоту:


Виробництво азотної кислоти (41)

На практиці ступінь перетворення окислів азоту в азотну кислоту іноді розраховують по різниці парціальних тисків всіх окислів азоту в початковому й кінцевому газі.


Виробництво азотної кислоти (42)


Частка всіх окислів азоту, перетворених в азотну кислоту, складе (частки од.):


Виробництво азотної кислоти (43)


Кількість нітрозних газів, що поглинаються в абсорбційній колоні пропорційна зменшенню парціального тиску оксидів азоту внаслідок перетворення їх в азотну кислоту. Це зменшення

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: