15

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

КАФЕДРА ОХТ

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

ПОЛУЧЕНИЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ

СтудентСпектор В.Ф.

ГруппаХТ-409

ПреподавательСмирнова С.Н.

Москва 2000

Введение

Азотная кислота - одна из важнейших минеральных кислот. По объему производства в химической промышленности она занимает второе место после серной кислоты. Азотная кислота широко применяется для производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве:

около 40% ее расходуется на получение сложных и азотных минеральных удобрений;

азотная кислота используется для производства

синтетических красителей,

взрывчатых веществ,

нитролаков,

пластических масс,

лекарственных синтетических веществ и др.;

железо хорошо растворяется в разбавленной азотной кислоте. Концентрационная азотная кислота образует на поверхности железа тонкий, но плотный слой нерастворимого в концентрированной кислоте оксида, защищающего металл от дальнейшего разъедания. Эта способность железа пассивироваться используется для защиты его от коррозии.

Концентрированную азотную кислоту (особенно с добавлением 10% H2SO4) перевозят обычно в стальных цистернах. Многие органические вещества (в частности животные и растительные ткани) при действии HNO3 разрушаются, а некоторые из них от соприкосновения с очень концентрированной кислотой могут воспламеняться. В лабораторной практике обычно применяется азотная кислота, содержащая около 65% HNO3 (пл.1,40). В промышленности применяют два сорта азотной кислоты: разбавленную с содержанием 50-60% HNO3 и концентрированную, содержащую 96-98% HNO3.

Раньше, когда не существовало производства синтетического аммиака, азотную кислоту получали действием серной кислоты на чилийскую селитру. Объемы производств были очень небольшими, и кислота использовалась только для производства взрывчатых веществ, красителей и некоторых других химических продуктов. Сейчас азотную кислоту получают из синтетического аммиака и перерабатывают главным образом в азотные удобрения.

Характеристика исходного сырья

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

Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло (при сжатии поршневым компрессором). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах, состоящих из чечевицеобразных элементов, фильтрующим материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно-воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи его. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

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, который дополнительно очищают от возможных примесей. [А.М. Кутепов, стр.397]

Характеристика целевого продукта

Безводная азотная кислота HNO3 представляет тяжелую бесцветную жидкость, пл.1,52 (при 15 єС), дымящую на воздухе. Она замерзает при -41 и кипит при 86 єС. Кипение кислоты сопровождается частичным разложением:

4HNO3 2H2 + 4NO2 + O2 - 259,7 кДж

Выделяющийся диоксид азота, растворяясь в кислоте, окрашивает ее в желтый или красный (в зависимости от количества NO2) цвет. С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях. Выделение теплоты при разбавлении азотной кислоты водой свидетельствует об образовании гидратов (HNO3H2O, HNO32H2O).

Азотная кислота - сильный окислитель. Металлы, за исключением Pt, Rh, Ir, Au, переводятся концентрированной азотной кислотой в соответствующие оксиды. Если последние растворимы в азотной кислоте, то образуются нитраты. [Мухленов, стр.99]

Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта

Химическая концепция метода

Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

конверсия аммиака с целью получения оксида азота

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O(4.1)

окисление оксида азота до диоксида

2NO + O2 2NO(4.2)

абсорбция оксидов азота водой

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

Физико-химические основы процесса конверсии аммиака

Окисление аммиака кислородом воздухом без катализатора возможно только до N2.

На катализаторе между аммиаком и кислородом протекают следующие реакции:

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

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

Реакции окисления аммиака сопровождаются значительной убылью свободной энергии, протекают с большой скоростью, практически необратимо. Теплоты, выделяющейся во время реакции, вполне достаточно, чтобы процесс шел автотермично.

Каталитическое окисление аммиака - многостадийный гетерогенно-каталитический процесс, протекающий во внешнедиффузионной области и лимитируемый диффузией аммиака к поверхности катализатора.

Катализаторы, применяемые для окисления аммиака, должны обладать избирательными свойствами, т.е. ускорять только одну реакцию. Наиболее активным и селективным катализатором является платина. Она также имеет низкую температуру зажигания 200 єС, хорошую пластичность, тягучесть. Но ее недостаток - это быстрое разрушение при высоких температурах при воздействии больших скоростных потоков реагентов и катализаторных ядов. Это приводит к потерям дорогостоящего катализатора и выхода оксида азота, что явилось причиной использования сплавов платины с другими металлами. Наибольшее распространение получили следующие катализаторы (ГОСТ 3193-59): Pt + 4% Pd + 3,5% Rh - для работы при атмосферном давлении и Pt + 7,5% Rh - при повышенном давлении. Катализаторы изготавливают в виде сеток. Такая форма удобна в эксплуатации и связана с минимальными затратами металла.

Катализаторы весьма чувствительны к ряду примесей, содержащихся в аммиаке и воздухе, особенно к соединениям фтора и серы. Примеси заметно снижают селективность катализатора. Для поддержания стабильной степени конверсии необходима тщательная очистка АВС АВС - аммиачно-воздушная смесь. и от механических примесей, особенно от оксидов железа и пыли железного катализатора синтеза аммиака. Срок службы до 14 месяцев при атмосферном давлении и до 9 при повышенном.

Температура оказывает наибольшее влияние на выход оксида азота (II). При повышении температуры выход NO растет, причем существует оптимальная температура (для чистой платины 900 - 920 єС), при которой достигается максимальный выход. Большое значение имеет температура зажигания катализатора, которая зависит в основном от его состава. На платине реакция начинается при 195 єС. Выход достигает значения 96% на чистой платине и 99% на сплавах. Проведение процесса при высоких температурах помимо увеличения выхода монооксида азота имеет и другие преимущества: растет скорость реакции окисления аммиака и уменьшается время контактирования. Но при повышении температуры увеличиваются потери дорогостоящей платины, т.е. ухудшаются экономические показатели процесса.

С ростом давления наблюдается снижение выхода оксида азота (II). Вместе с тем использование высокого давления позволяет повысить производительность агрегата, уменьшить размеры аппаратов. Процесс осуществляется под давлением 0,41 - 0,73 МПа. Основным условием получения высоких выходов NO под давлением являются повышение температуры и времени контактирования (увеличение числа сеток).

При стехиометрическом соотношении кислорода и аммиака O2: NH3 = 1,25 даже при атмосферном давлении выход оксида азота не превышает 60 - 80%. Кроме того, пришлось бы работать в области взрывоопасных концентраций. При увеличении соотношения O2: N до 1,7 что соответствует содержанию аммиака в смеси 11,5%, выход NO возрастает.д.ля получения высокого выхода NO необходим 30% -ный избыток кислорода сверх стехиометрического. Это связано с тем, что поверхность платинового катализатора должна постоянно быть покрыта кислородом, иначе уже при 500 єС аммиак начинает разлагаться на азот и кислород.

Окисление оксида азота (II)

Реакция окисления

2NO + O2 2NO2; ?H = - 124 кДж(4.2)

обратима, протекает с уменьшением объема и сопровождается выделением тепла. Следовательно, снижение температуры и повышение давления способствует образованию NO2. При температурах до 100 єС равновесие реакции практически полностью сдвинуто в правую сторону.

Окисление диоксида азота - самая медленная стадия получения азотной кислоты. Она сильно зависит от концентрации реагентов, давления температуры. Применение воздуха, обогащенного кислородом (или чистого кислорода) позволяет получать НГ НГ - нитрозные газы. с повышенным содержанием оксида азота (II) и увеличить скорость окисления NO в NO2. Реакция окисления NO в NO2 ускоряется при понижении температуры, а с повышением замедляется почти до полного прекращения. Это объясняется тем, окисление NO в NO2 идет через образование промежуточного продукта - димера оксида азота (II):

2NO (NO) 2; ??????(4.5)

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

Таким образом, уменьшение скорости окисления оксида азота в диоксид с повышением температуры можно объяснить сильным снижением концентрации димера. Обычно переработку нитрозных газов ведут при температурах 10 - 50 єС, при которых часть диоксида полимеризуются в N2?4. Итак, нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, содержат NO2, N2O4, NO, N2O, N2, N2O3.

Абсорбция диоксида азота

Все оксиды азота, за исключением NO, реагируют с водой с образованием азотной кислоты. Азотистая кислота является малоустойчивым соединением и распадается на азотную кислоту, оксид азота (II) и воду. Абсорбция протекает по схеме:

2NO2 + H2O HNO3 + HNO2; ????????? кДж(4.7)

3HNO2 HNO3 + 2NO + H2O; ??????? кДж(4.8)

Суммарно взаимодействие NO2 с водой можно представить уравнением реакции:

3NO2 + H2O 2HNO3 + NO; ????????? кДж(4.9)

В пограничном слое газ-жидкость происходит переход NO2 в жидкую фазу. Затем после растворения NO2 происходит химическая реакция (3), которая по сравнению с процессом диффузии протекает относительно быстро. Далее в жидкой фазе происходит сравнительно медленное разложение азотистой кислоты по реакции (4). Образующийся NO частично окисляется кислородом в растворе, но большая часть - в газовой фазе. Медленным процессом, определяющим скорость поглощения оксидов азота, является диффузия их в газовую фазу.

Степень поглощения диоксида азота водными растворами азотной кислоты определяется такими факторами, как температура, давления, концентрация кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышении давления степень превращения диоксида азота растет. При концентрации азотной кислоты выше 65% поглощение почти прекращается. Также степень превращения NO в NO2 зависит от свободного объема, а количество поглощаемых оксидов азота - от поверхности соприкосновения газа с жидкостью. Поэтому одно из основных требований, предъявляемое к абсорбционной аппаратуре, - создание максимального свободного объема при одновременно сильно развитой поверхности поглощения.

Обоснование предлагаемой технологии

Сырьем служит недорогой и легко доступный синтетический аммиак, который при оптимально подобранных параметрах практически весь идет на получение монооксида азота; реакция протекает необратимо и быстро и не требует рециклов. Применение повышенного давления способствует уменьшению размеров аппаратов и увеличению производительности, но при этом увеличивается температура и количество сеток катализатора. Для обеспечения выхода оксида азота более 98% при давлениях 0,41 - 0,71 МПа необходима температура выше 950 єС, зато время контактирования становится менее 1,110-4 с, а скорость газа более 160 л/мин. Вообще, повышение температуры способствует увеличению выхода, но это приводит к большим прямым потерям дорогостоящего катализатора.

Поскольку окисление оксида азота (II) протекает при низких температурах смесь охлаждается водой, которая, превращаясь в пар, идет на технологические нужды, а это экономически выгодно. Абсорбция диоксида азота происходит в колонне очищенной водой, причем степень абсорбции достигает 99%, а содержание оксидов азота в выхлопных газах до 0,11%.

Обоснование выбора технологических параметров

АВС, подаваемая в контактный аппарат, не должна содержать более 10%, иначе катализатор не будет полностью покрыт кислородом и начнется окисление аммиака до азота. Хотя максимально возможной концентрацией аммиака, при которой достигается высокий выход, является 11,0 - 11,5%, используется более низкая, поскольку скорость газа велика и необходим запас на случай проскока. Конверсия протекает при температурах 870 - 900 єС и давление 0,716 МПа. Эти параметры были подобраны на основе экономических показателей, т. к. повышение температуры увеличивает как выход, так и прямые потери платинового катализатора.

Реакцию окисления NO в NO2 начинают проводить при температуре 170 єС, достаточной для обеспечения хорошего выхода и скорости. За счет теплоты реакции происходит разогрев до 300 єС. Степень окисления составляет около 85%. Абсорбцию диоксида азота ведут при температуре 35 - 40 єС, поскольку это способствует смещению равновесия вправо, концентрация кислоты на выходе достигает 55-58%.

Функциональная схема получения азотной кислоты.

Описание технологической схемы процесса

В 1960-ых 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. Технологическая схема этого производства в упрощенном варианте представлена на рисунке 2.

Атмосферный воздух проходит тщательную очистку в двухступенчатом фильтре 1. Очищенный воздух сжимают двухступенчатым воздушным компрессором. В первой ступени 18 воздух сжимают до 0,35 МПа, при этом он нагревается до 165-175 єС за счет адиабатического сжатия. После охлаждения воздух направляют на вторую ступень сжатия 16, где его давление возрастает до 0,716 МПа.

Основной поток воздуха после сжатия нагревают в подогревателе воздуха 12 до 250-270 єС теплотой нитрозных газов и подают на смешение с аммиаком в смеситель 6.

Газообразный аммиак, полученный путем испарения жидкого аммиака, после очистки от влаги, масла и катализаторной пыли через подогреватель 5 при температуре 150 єС также направляют в смеситель 6. Смеситель совмещен в одном аппарате с поролитовым фильтром. После очистки АВС с содержанием NH3 не более 10% подают в контактный аппарат 14 на конверсию аммиака.

Конверсия аммиака протекает на платинородиевых сетках при температуре 870_900 єС, причем степень конверсии составляет 96%. Нитрозные газы при 890-910 єС поступают в котел-утилизатор 15, расположенный под контактным аппаратом. В котле за счет охлаждения нитрозных газов до 170 єС происходит испарение химически очищенной деаэрированной воды, питающей котел-утилизатор; при этом получают пар с давлением 1,5 МПа и температурой 230 єС, который выдается потребителю.

После котла-утилизатора нитрозные газы поступают в окислитель нитрозных газов 13. Он представляет собой полый аппарат, в верхней части которого установлен фильтр из стекловолокна для улавливания платинового катализатора. Частично окисление нитрозных газов происходит уже в котле-утилизаторе (до 40%). В окислителе 13 степень окисления возрастает до 85%. За счет реакции окисления нитрозные газы нагреваются до 300-335 єС. Эта теплота используется в подогревателе воздуха 12.

Охлажденные в теплообменнике 12 нитрозные газы поступают для дальнейшего охлаждения в теплообменник 11, где происходит снижение их температуры до 150 єС и нагрев выхлопных (хвостовых) газов до 110-125 єС. Затем нитрозные газы направляют в холодильник-конденсатор 7, охлаждаемый оборотной водой. При этом конденсируются водяные пары и образуется слабая азотная кислота. Нитрозные газы отделяют от сконденсировавшейся азотной кислоты в сепараторе 8, из которого азотную кислоту направляют в адсорбционную колонну 9 на 6-7-ю тарелку, а нитрозные газы - под нижнюю тарелку абсорбционной колонны. Сверху в колонну подают охлажденный паровой конденсат. Образующаяся в верхней части колонны азотная кислота низкой концентрации перетекает на нижележащие тарелки. За счет поглощения оксидов азота концентрация кислоты постепенно увеличивается и на выходе достигает ~1%. Поэтому кислота направляется в продувочную колонну 10, где подогретым воздухом из нее отдувают оксиды азота, и отбеленная азотная кислота поступает на склад. Воздух после продувочной колонны подается в нижнюю часть абсорбционной колонны 9.

Степень абсорбции оксидов азота достигает 99%. Выходящие из колонны хвостовые газы с содержанием оксидов азота до 0,11% при температуре 35 єС проходят подогреватель 11, где нагреваются до 110-145 єС и поступают в топочное устройство (камера сжигания 3 установки каталитической очистки. Здесь газы нагреваются до температуры 390-450 єС за счет горения природного газа, подогретого предварительно в подогревателе 4, и направляются в реактор с двухслойным катализатором 2, где первым слоем служит оксид алюминия с нанесенным на него палладием, вторым слоем - оксид алюминия. Очистку осуществляют при 760 єС. Очищенные газы поступают в газовую турбину 17 при температуре 690-700 єС; энергия, вырабатываемая турбиной за счет теплоты хвостовых газов, используется для привода турбокомпрессора 18. Затем газы направляют в котел-утилизатор и экономайзер (на схеме не показаны) и выбрасывают в атмосферу. Содержание оксидов азота в очищенных выхлопных газах составляет 0,005-0,008%, содержание CO2 - 0,23%.

Таким образом, данный агрегат полностью автономен по энергии. Энергия рекуперируется в результате установки на одной оси с турбокомпрессором газовой турбины. [Кутепов, стр.410-411].

Структурная и операторная схемы (Кутепов, стр.334)



Расчет материального баланса ХТС

Структурная блок-схема ХТС

Условно постоянная информация для расчета

№	Содержание информации	Условное обозначение	Единица измерения	Принятое значение
1	Содержание NH3 в АВС		% об.	10,5
2	Степень превращения NH3 в NO	?1	%	94
3	Степень переработки НГ в HNO3	?2	%	98,8
4	Концентрация HNO3		% масс.	57
5	Содержание O2 в выхлопных газах		% об.	3,3
6	Содержание H2O в выхлопных газах		% об.	2,8
7	Базис расчета, кг HNO3 в продукте	П	кг	5500

G - масса потока;

V - объём потока;

N - количество молей потока;

? - доля компонентов в потоке: нижний индекс номер потока; верхний - компонент.

Составы потоков

№ потока	Индекс потока	Ед. измер.	Содержание компонентов
			NH3	O2	N2	NO	H2O	HNO3
1	010	кмоль	100%
2	011	кмоль		21%	79%
3	12	кмоль	10,5%	18,8%	70,7%
4	23	кмоль		кмоль	кмоль	кмоль	кмоль
5	030	кмоль					кмоль
6	031	кмоль		кмоль	кмоль
7	301	кг					43%	57%
8	302	кмоль		3,3%	кмоль	кмоль	2,8%

Балансовая математическая модель

Составление системы уравнений

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q1

2NO + O2 2NO2 + Q2

2NO + 1,5O2 + H2O = 2HNO3 + Q3

Уравнения для блока контактирования:

По оксиду азота:

По азоту:

По кислороду:

По воде:

Уравнения для блока абсорбции:

По оксиду азота:

По воде:

По кислороду:

Уравнение для потока выхлопных газов:

Подготовка системы для решения на ЭВМ

Соответствие переменных потокам

Наименование потока	Условное обозначение	xi	Размерность	Значение по расчету
АВС	N12	x1	кмоль
Оксид азота в потоке 23		x2	кмоль
Азот в потоке 23		x3	кмоль
Кислород в потоке 23		x4	кмоль
Вода в потоке 23		x5	кмоль
Вода в блок 3	N030	х6	кмоль
Выхлопные газы	N302	х7	кмоль
Воздух в блок 3	N031	х8	кмоль

Матрица коэффициентов

№ ур-я	bi при xi	Свободный член
	х1	х2	х3	х4	х5	х6	х7	х8
1	0,079	-1	0	0	0	0	0	0	0
2	0,707	0	-1	0	0	0	0	0	0
3	0,188	-1,25	0	-1	0	0	0	0	0
4	-0,15	0	0	0	1	0	0	0	0
5	0	1	0	0	0	0	0	0	40,286
6	0	0	0	0	1	1	-0,027	0	120,416
7	0	0	0	1	0	0	-0,032	0,21	29,762
8	0	-0,015	-1	0	0	0	0,941	0,79	0

Материальный балнс ХТС

Материальный баланс химико-технологической системы производства азотной кислоты на 5500 кг

Введено	Получено
Статья прихода	Масса, кг	%	Статья расхода	Масса, кг	%
Аммиак			57% -я азотная к-та:
Воздух:			Азотная кислота
Кислород			Вода
Азот			Выхлопные газы:
Вода			Оксид азота
			Азот
			Кислород
			Вода
Всего:		100	Всего:		100

Список используемой литературы

Кононова Г.Н. и др. Сборник заданий по расчетам курсовых работ и домашних заданий для студентов направления "Химическая технология и биотехнология" / М.: МИТХТ. 1995 г., 50 с.

Кононова Г.Н. и др. Методические указания для выполнения курсовой работы по дисциплине "Основы химической технологии" / М.: МИТХТ. 1995 г.,20 с.

Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология: Учеб. для техн. вузов / М.: Высш. шк., 1990 - 520 с.

Мухленов И.П. и др. Общая химическая технология: Учеб. для химико-техн. спец. вузов. В 2-х т. Т.2. Важнейшие химические производства / М.: Высш. шк., 1984 - 263 с.

Кононова Г.Н. и др. Общая химическая технология: Лабораторный практикум. / М.: МИТХТ, 1991.