Муромский институт
 Скачать 432.85 Kb.
|
Анализ технического заданияВ курсовой работе ставится цель изучить и раскрыть тему производства азотной кислоты. Для исследования данной темы необходимо решить следующие задачи: -описать методы получения азотной кислоты; - охарактеризовать катализаторы окисления аммиака; - изучить процесс производства азотной кислоты; - выбрать контактные аппараты; - провести расчеты контактных аппаратов. Чтобы решить поставленные задачи необходимо глубоко изучить требования к контактным аппаратам, процесс азотной кислоты, описать катализаторы. Потери аммиака на окисление до азота можно минимизировать, экспериментируя с катализатором, повышая его селективность (избирательность), доведя процентное соотношение продуктов в пользу оксида азота(2) до 97-98%. Реакция проходит на поверхности катализатора, то есть наша исходная аммиачновоздушная смесь контактирует с ним. Потому аппарат, в котором происходит процесс, так и называется – контактный. Реакция в контактном аппарате идёт с выделением большого количества тепла и необратима. Давление оказывает влияние на процесс, и это влияние негативное. Так как реакция происходит с увеличением объёма, избыточное давление «не даёт» этому объёму образоваться, снижает выход оксида азота. Однако чем выше давление – тем более интенсивнее происходит процесс в единице объёма, то есть с его увеличением аппараты можно строить гораздо меньшего размера. Технологическая частьМетоды получения азотной кислотыПервый 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. 2.2 Характаристика производимой продукции. Техническое наименование продуктов Кислота азотная неконцентрированная Технические требования: Кислота азотная неконцентрированная выпускается согласно стандарта ОСТ 113-03-270-90 для II сорта по внешнему виду, содержанию окислов азота и прокаленному остатку. 1. Внешний вид Бесцветная или слегка прозрачная желтоватая жидкость без механических примесей 2. Объемная доля окислов азота в пересчете на N2О4 % не более 0,2 3. Массовая доля прокаленного остатка, % не более 0,05 Массовая доля азотной кислоты %, не менее 47, согласно проекту Основные физико – химические свойства и константы выпускаемой продукции: 1. Слабая азотная кислота. Внешний вид – бесцветная или слегка желтоватая от растворенных окислов азота прозрачная жидкость. Плотность при 20оС – 47% концентрация – 1,291 г/см3 50% концентрация – 1,310 н/см3 Растворимость - с водой смешивается в любых соотношениях Температура кристаллизации – при концентрациях: 47% - минус 23оС, 50% - минус 20оС. Температура кипения при 760 мм рт.ст. – при концентрациях :47-50%-115-117оС Упругость паров при концентрации 50% и температуре 60оС – 67,5 мм рт.ст. Вязкость при 25оС и концентрации 47-50% - 1,6 – 1,7 СПз Электропроводность при концентрации 50% и температуре 15оС - 6400 ом-1 х см 11 Сильный окислитель. Все металлы, кроме платины, родия, иридия, титана и золота, растворяются в азотной кислоте. С повышением температуры действие азотной кислоты на металлы и их сплавы значительно усиливается. Применение готового продукта Неконцентрированная азотная кислота применяется для получения аммиачной селитры и сложных удобрений. 2.3 Сорта азотной кислоты В промышленности применяют 2 сорта азотной кислоты: разбавленную (слабую) с содержанием 30-60 % HNO3 и концентрированную, содержащую 97-99 % HNO3, а так же сравнительно небольшое количество реактивной и особо чистой азотной кислоты. Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам. По физико-химическим показателям концентрированная азотная кислота должна удовлетворять нормам, указанные в таблице 1. Таблица 1 - Требования к качеству концентрированной азотной кислоты (ГОСТ 701-89)
Качество выпускаемой азотной кислоты должно соответствовать установленным стандартам, указанные в таблице 2 и 3. Таблица 2 - Требования к качеству неконцентрированной азотной кислоты (ОСТ 6-03-270-76)
Таблица 3 - Требования к качеству азотной кислоты (ГОСТ 4461-67)
2.4 Применение азотной кислоты Азотную кислоту используют в разных сферах деятельности: 1) при гальванизации и хромирования деталей; 2) для производства минеральных удобрений; 3) для получения взрывчатых веществ (военная промышленность); 4) в производстве лекарств (фармацевтика); 5) получение азотнокислого серебра для фотографии; 6) для травления и гравировки металлических форм; 7) в качестве сырья для получения концентрированной азотной кислоты; 8) в гидрометаллургии; 9) в ювелирном деле - основной способ определения золота в золотом сплаве; 10) для получения ароматических нитросоединений - прекурсоров красителей, фармакологических препаратов и прочих соединений, используемых в тонком органическом синтезе; 11) для получения нитроцеллюлозы. 2.5 Свойства азотной кислоты Физические свойства азотной кислоты Азотная кислота - одна из сильных одноосновных кислот с резким удушливым запахом, чувствительна к свету и при ярком освещении разлагается на один из оксидов азота (ещё называемый бурым газом - NO2) и воду. Поэтому её желательно хранить в тёмных ёмкостях. В концентрированном состоянии она не растворяет алюминий и железо, поэтому можно хранить в соответствующих металлических ёмкостях. Азотная кислота - является сильными электролитом (как многие кислоты) и очень сильный окислитель. Её часто используют при реакциях с органическими веществами. Азот в азотной кислоте четырёхвалентен, степень окисления +5. Азотная кислота - бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления -41,59, кипения +82,6 с частичным разложением. Растворимость азотной кислоты в воде не ограничена. Водные растворы HNO3 с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 - концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d20 = 1,41 г/см, Tкип = 120,7) При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты: 1) моногидрат HNO3H2O, Tпл = -37,62; 2) тригидрат HNO3·3H2O, Tпл = -18,47. Азотная кислота, как и озон, может образовываться в атмосфере при вспышках молнии. Азот, который составляет 78 % состава атмосферного воздуха, реагирует с атмосферным кислородом, образуя оксид азота NO. При дальнейшем окислении на воздухе этот оксид переходит в диоксид азота (бурый газ NO2), который реагирует с атмосферной влагой (облаками и туманом), образуя азотную кислоту. Но такое малое количество совершенно безвредно для экологии земли и живых организмов. Один объем азотной и три объема соляной кислоты образуют соединение, называемое «царской водкой». Она способна растворять металлы (платину и золото), нерастворимые в обычных кислотах. При внесении в эту смесь бумаги, соломы, хлопка, произойдёт энергичное окисление, даже воспламенение. Химические свойства азотной кислоты Азотная кислота проявляет различные химические свойства в зависимости от концентрации и вещества, с которым она реагирует. Если азотная кислота концентрированная: 1) с металлами - железом (Fe), хромом (Cr), алюминием (Al), золотом (Au), платиной (Pt), иридием (Ir), натрием (Na) - не взаимодействует по причине образования на их поверхности защитной плёнки, которая не позволяет дальше окисляться металлу. Со всеми остальными металлами при химической реакции выделяется бурый газ (NO2). Например, при химической реакции с медью (Cu): 4HNO3 конц + Cu = Cu(NO3)2 + 2NO2 + H2O (1) 2) с неметаллами, например с фосфором: 5HNO конц. + P = H3PO4 + 5NO2 + H2O (2) Если азотная кислота разбавленная: 1) при взаимодействии со щелочноземельными металлами, а также с цинком (Zn), железом (Fe), она окисляется до аммиака (NH3) или же до аммиачной селитры (NH4NO3). Например, при реакции с магнием (Mg): 10HNO3 разбавл + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + HN2NO3 + 3H2O (3) Но может также и образовываться закись азота (N2O), например, при реакции с магнием (Mg): 10HNO3 разбавл + 4Mg = 4Mg(NO2)2 + N2O + 3H2O (4) С остальными металлами реагирует с образованием оксида азота (NO), например, растворяет серебро (Ag): 2HNO3 разбавл + Ag = AgNO3 + NO + H2O (5) 2) аналогично реагирует с неметаллами, например с серой: 2HNO3 разбавл + S = H2SO4 + 2NO (6) Окисление серы до образования серной кислоты и выделения газа - оксида азота; 3) химическая реакция с оксидами металлов, например, оксид кальция: 2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O (7) Образуется соль (нитрат кальция) и вода; 4) химическая реакция с гидроксидами (или основаниями), например, с гашеной известью: 2HNO3 + Ca(OH)2 = Ca(NO3)2 + H2O (8) Образуется соль (нитрат кальция) и вода - реакция нейтрализации; 5) химическая реакция с солями, например с мелом: 2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2 (9) Образуется соль (нитрат кальция) и другая кислота (в данном случае - угольная, которая распадается на воду и углекислый газ). 6) в зависимости от растворённого металла разложение соли при температуре происходит следующим образом: а) любой металл (обозначен как Me) до магния (Mg): MeNO3 = MeNO2 + O2 (10) б) любой металл от магния (Mg) до меди (Cu): MeNO3 = MeO + NO2 + O2 (11) в) любой металл после меди (Cu): MeNO3 = Me + NO2 + O2 (12) 2.6 Сырьевая база в производстве неконцентрированной азотной кислоты. Основным сырьем для производства неконцентрированной азотной кислоты в настоящее время являются аммиак, воздух и вода. Вспомогательными материальными и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия. 1. Аммиак. В обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует геми- и моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммиака явилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода получения водорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяных газах и продуктах нефтепереработки. Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221-82. Наиболее типичными примесями являются: вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота(II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости аммиано-воздушной смеси. 2. 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. 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. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случае 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 1 мг/л, NH4NO3 - не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям ГОСТ 20995-75. Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям: жесткость карбонатная не более 3,6 мэкв/кг, содержание взвешенных веществ не более 50 мг/кг, значение pH 6,5-8,5. 4. Кислород. Применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения аммиачно-воздушной смеси при получении неконцентрированной азотной кислоты. |