бесплатно рефераты скачать
  RSS    

Меню

Быстрый поиск

бесплатно рефераты скачать

бесплатно рефераты скачатьКурсовая работа: Технологія виробництва азотної кислоти

Курсовая работа: Технологія виробництва азотної кислоти

ЗМІСТ

Вступ

Розділ 1 Загальна характеристика хімічної промисловості

Розділ 2 Технологія азотної кислоти

2.1 Фізико-хімічні основи процесу

2.2 Технологічна схема виробництва азотної кислоти

Розділ 3 Практична частина

3.1 Розрахунок матеріального балансу

3.2 Теплові розрахунки хімічного реактора

Розділ 4 Оцінка екологічності виробництва

Висновок

Список літератури


Вступ

Хімічний комплекс охоплює галузі промисловості, що виробляють сировину й конструкційні матеріали. Найважливішою галуззю в цьому комплекс виробництво з неорганічних та органічних речовин різних хімічних сполук для інших промисловостей. Сировинна бази хімічної промисловості диференціюється залежно від природних та економічним особливостей окремих країн та регіонів. В одних районах – це вугілля, коксовий газ, в інших - нафта, сумішні нафтов гази, солі, сірчаний колчедан, газові відходи чорної та кольорової металургії, у третіх - кухонна сіль тощо. Сировинний фактор впливає на спеціалізацію окремих територіальних поєднань хімічних виробництв. Хімічне виробництво в міру вдосконалення технологічних методів може, в свою чергу, впливати на сировинну базу.

Розвиток хімічної промисловості потребує все більшого акцентування уваги на розробці та впровадженні високоефективних енерго- та ресурсозберігаючих, а також екологічно чистих технологій.

Мета роботи – охарактеризувати основні технологічні процеси виробництва азотної кислоти та наслідки для навколишнього середовища.

Основні завдання роботи:

1)   Дати загальну характеристику хімічної промисловості;

2)   Провести аналіз фізико-хімічних основ виробництва азотної кислоти;

3)   Провести розрахунок матеріального балансу процесів.


Розділ 1 Загальна характеристика хімічної промисловості

Хімічна промисловість пов'язана з багатьма галузями. Вона комбінується з нафтопереробною, коксуванням вугілля, чорною та кольоровою металургією, лісовою промисловістю. Завдяки складній системі зв'язків утворюються такі або інші поєднання виробництв, з яких формуються міжгалузев комплекси. До таких комплексів належить і хіміко-лісовий. В одних випадках роль хімічної промисловості у цих комплексах провідна, в інших вона не ма формуючого значення, лише доповнюючи усталену систему зв'язків. Проте загалом хімічну промисловість слід розглядати як головну галузь, що визначає склад напрям розвитку комплексу. Здебільшого лісова промисловість розглядається у цьому комплексі як постачальник деревини для хімічної промисловості. Хімічна промисловість має дуже складну галузеву структуру, що охоплює близько 200 взаємопов'язаних виробництв з великою номенклатурою продукції. Ці виробництва об'єднані у три великі групи: неорганічна або основна хімія, хімія органічного синтезу та гірничо-хімічна промисловість.

Неорганічна хімія переважно виробляє напівфабрикати, що використовуються в інших галузях промисловості. Виняток становлять мінеральн добрива, які виробляє певна галузь.

До органічної хімії відносяться виробництва вуглеводно сировини, органічних напівфабрикатів, синтетичних матеріалів. Основною сировиною для хімії органічного синтезу є вуглеводні нафти, природний та попутний газ. Використовуються також вуглеводні сполуки, що одержуються з вугілля.

Гірничо-хімічна промисловість утворює сировинну базу передусім для неорганічної хімії.

Розглянемо деякі хімічні галузі окремих країн світу. Хімічна промисловість розташована передусім у розвинутих країнах. Лише у США виробляється понад чверть, а в шістьох найрозвинутіших країнах - понад 3/4 хімічної продукції світу.

Закономірність розвитку хімічної промисловості у США пояснюється наявністю на їх території чималої кількості практично усіх видів хімічної сировини: нафти, газу, солей, фосфоритів тощо. Інші розвинуті країни значно залежать від імпорту хімічної сировини.

Розвинені країни мають потужну багатогалузеву хімічну промисловість. Навпаки, у невеликих країнах розвинута переважно одна галузь. Наприклад, у Швейцарії - фармацевтична, у Нідерландах - гумовотехнічна промисловість.

Основна хімія як галузь обіймає кислотну, содову промисловість та виробництво мінеральних добрив. Родовища природної сірки розташовані переважно в США, Канаді, Мексиці, Італії, і пластмасові вироби), Запоріжжі (кремній-органічні сполуки, синтетичні смоли), Дніпродзержинську (полівініл, полістирол), а також Калуші, Одесі, Києві, Фастові, що виробляють хімічну продукцію і стали центрами переробки синтетичних смол на пластмасові, плівкові та інші вироби.

Промисловість хімічних волокон. Найбільші підприємства розміщені у Чернігові, Києві (Дарницький шовковий комбінат), Черкасах.


Розділ 2 Технологія азотної кислоти

2.1 Фізико-хімічні основи процесу

Виробництво розведеної азотної кислоти з аміаку складається з наступних стадій:

1) контактне окисення аміаку до оксиду азоту (ІІ):

4NH3 + 5О2 → 4NO + 6Н2О, ∆Н = - 907 кДж (а)

2) окислення NО до NO2:

2NO+O2 ↔2NO2, ∆Н = -112кДж (б)

3) абсорбція діоксиду азоту водой з утворенням розбавленої азотной кислоти:

3NO2 + H2O ↔ 2HNO3 + NO, ∆Н = — 136 кДж (в)

Оксид азоту, що виділяється при цьому, (ІІ) окислюється до діоксиду і знову абсорбується.

Контактне окислення аміаку.

При окисленні аміаку крім основної реакції (а) можуть протікати й інш процеси:

4NH3 + 4О2 → 2N2O + 6Н2О ∆Н = -1105 кДж (г)

4NH3 + 3О2 → 2N2 + 6Н2О, ∆Н = -1270 кДж (д)

4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O, ∆Н = -1810 кДж (е)

які приводять до непродуктивної витрати аміаку.

Рівновага реакцій окислювання аміаку (а), (г), (д) в умовах виробництва повністю зміщена вправо. Обчислені для реакцій (а) і (д) константи рівноваги при 750 °С мають значно малі значення:

Отже, перетворення аміаку в кінцеві продукти при 750 °С може досягати майже 100%. Загальна швидкість процесу визначається співвідношенням швидкостей реакцій (а) - (е). Під час відсутності каталізатора найбільш швидко реакція окислювання до елементного азоту. Природно, що в азотнокислотному виробництві процес окислення проводять на каталізаторах, які мають властивість вибіркової дії, тобто на таких каталізаторах, які різко прискорюють реакцію одержання NO в порівнянні з іншими реакціями окислювання аміаку.

В азотнокислотній промисловості в основному застосовують платинов каталізатори. Процес окислювання аміаку на платиновому каталізаторі відноситься до числа найбільш швидких каталітичних реакцій, відомих у даний час. У виробничих умовах практично повне окислювання аміаку досягається за (1-2) 10-4 с.

Швидкість каталітичного окислювання аміаку.

Швидкість процесу окислювання залежить від технологічного режиму процесу і конструкції контактного апарату. На високоактивних платиноїдних каталізаторах процес протікає в дифузійній області. На менш активних (оксидних) каталізаторах при знижених температурах окислювання аміаку визначається швидкістю каталітичних актів, тобто протікає в кінетичній області.

Підвищення температури сприяє збільшенню не тільки швидкост хімічної реакції, але і коефіцієнта дифузії аміаку в суміші. Тому підвищення температури - ефективний засіб збільшення швидкості процесу окислювання, що протікає як у кінетичної, так і в дифузійній області. Однак підвищення температури каталізу вище ~850°С знижує вихід NO і підвищує вихід елементного азоту (мал. 1) за рахунок реакції (д), а також термічної дисоціації NH3 нших шкідливих побічних реакцій. На платиновому каталізаторі підтримують температуру від 800°С при атмосферному тиску і до 900 °С при підвищеному тиску, при якому час контакту сильно зменшуються і побічні реакції практично не встигають протікати. На низькоактивних неплатинових оксидних каталізаторах час зіткнення необхідно збільшувати в десятки разів у порівнянні з платиновим. Оптимальна температура знижується до 700-750 °С.

Підвищення тиску прискорює процес окислювання NН3, тому що збільшуються концентрації реагуючих компонентів у реакційному обсязі, зменшується обсяг газової суміші.

Однак при підвищеному тиску істотно зростає віднесення дрібних часточок платини з газами, що здорожує товарну кислоту, оскільки платина має високу вартість, а процес уловлювання мікроскопічних часточок платини з нітрозних газів після контактного апарата досить складний і не забезпечує повного усунення втрат платини. При підвищенні тиску необхідно збільшувати товщину стінок апаратури, у результаті чого зроста вартість. Тому застосовують надлишковий тиск 0,2-1 МПа.

Рис. 1. Залежність ступеня перетворення аміаку від температури (τ= =const, каталізатор Pt Pd Rh)

Рис. 2. Залежність виходу оксиду азоту від відношення концентрацій кисню й аміаку


Склад газової суміші впливає на температурний режим і загальну швидкість процесу, особливо якщо лімітує не дифузія, а хімічна реакція між NH3 О2. По рівнянню реакції (а) на 1 моль NH3 витрачається 1,25 моль О2, однак при такому співвідношенні компонентів вихід оксиду азоту (ІІ) не перевищує 65%, тобто дуже малий (мал. 2). Для збільшення ступеня окислювання аміаку на практиці застосовують співвідношення O2 : NH3=1,8-2,0, що відповідає вмісту аміаку в аміачно-повітряній суміші 9,5-10,5 (об. частки в %). Варто враховувати, що при звичайній температурі суміш аміаку з повітрям вибухонебезпечна в інтервал 16-27% NH3. При підвищенні температури межа вибуховості розширюються.

Промислові каталізатори процесу окислювання аміаку.

Ці каталізатори являють собою сплав платини з 4% Pd і 3% Rh. Платинові каталізатори виготовляють у вигляді сіток з тонкого дроту діаметром 0,06-0,09 мм, що мають 1024 отвору в 1 см2. Сітки ці для створення визначеного часу контактування скріплюються у вигляді пакета, встановленого в контактному апараті.

На 1 м2 активній поверхні контактної сітки під атмосферним тиском можна окислити до 600 кг, а при тиску 0,8 МПа - до 3000 кг аміаку на добу. Однак при робот під тиском 0,8 МПа вище платиновий каталізатор руйнується швидше.

Руйнуванню каталізатора сприяють і багато контактних отрут (сполуки сірки, фосфін і ін.), які крім отруєння каталізатора знижують його механічну міцність. Домішки (пил, іржа, мастило т.п. ), що утримуються в газі, також знижують активність і міцність каталізатора. Для відновлення активності каталізатора його промивають розведеним розчином соляної кислоти. Усе це приводить до того, що в процес окислювання аміаку каталізатор стає пухким і дрібними частками його несуться з потоком газу. Якщо під атмосферним тиском віднесення платини на 1 т азотної кислоти складає 0,04-0,06 г, то при підвищеному він досягає вже 0,15-0,20. Частина Pt уловлюється і регенерується, але і при цьому витрати платини складають значну частину собівартості азотної кислоти.

З метою економії платини застосовують двухстадійне контактування, при якому аміак частково окисляється на платиноїдних сітках, а потім доокислюється в шарі неплатинового зернистого каталізатора. Як неплатинові каталізатори застосовують різні композиції оксидів або солей, у тому числі оксиди заліза або хрому, солі кобальту.

Питома продуктивність платинового каталізатора висока завдяки високій швидкості реакції окислювання. Якщо швидкість усього процесу окислювання визначається швидкістю дифузії аміаку в газі, то інтенсивність роботи каталізатора 1 [кмоль/(м2*с*Па)] буде характеризуватися рівнянням

де D - коефіцієнт дифузії аміаку в повітрі; R - молярна газова стала; Т - абсолютна температура; l - середня довжина дифузійного шляху молекули аміаку.

Активність каталізаторів може сильно знижуватися внаслідок отруєння деякими домішками, що маються в газовій суміші, або ж у результаті д механічних суспензій. До найбільш сильних контактних отрут процесу окислювання аміаку належать сполуки сірки і фосфору.

У промисловості застосовується кілька типів контактних апаратів для окислення аміаку. Однак усі вони мають приблизно однаковий принцип дії.

При підвищеному тиску встановлюють до 18 сіток. При двухстадійному контактуванні (мал. 3) число платиноїдних сіток може бути знижене до 1-3 (при підвищеному тиску).

Окислення оксиду азоту (ІІ) до діоксиду. Нітрозні гази, одержані при окисленні аміаку, містять NО і інші оксиди азоту, кисень, азот і пари води. Для одержання азотної кислоти оксид азоту (ІІ) необхідно окислити до діоксиду.

Процес окислення NО киснем повітря описують наступним сумарним (балансовим) рівнянням:

2NO+O2 ↔ 2NO2, ∆Н =-112кдж (ж)

Відповідно до принципу Ле Шателье рівновага цього процесу зміщується вправо при підвищенні тиску і зниженні температури. Практично утворення діоксиду азоту починається при температурі нижче 700°С, а при температурі нижче 100°С рівновага майже цілком зміщена вправо.

Рис. 3. Контактний апарат

1 - розподільні ґрати; 2 - корпус апарата; 3 - платиноїдна сітка; 4 - шар неплатинового каталізатора; 5 - насадка; 6 - опорн рати

Константа швидкості процесу збільшується зі зниженням температури, що іноді розглядають як порушення закону Арреніуса. У дійсності це явище можна пояснити тим, що процес по формулі (ж) протікає в дві стадій. Спочатку відбувається швидка оборотна екзотермічна реакція димеризації оксиду азоту

2NO ↔N2O2 (з)

а потім окислення димера по екзотермічній практично необоротній (при t < 100°С) реакції

N2O2 + О2 ↔ 2NO2 (і)

При підвищенні температури рівновага реакції (з) зміщується вліво, концентрація димера N2O2 сильно знижується. Відповідно знижується і швидкість реакції (і)

У результаті зменшується і загальна швидкість процесу. Тому для збільшення швидкості перетворення NO у NO2 реакційну суміш енергійно охолоджують. Підвищення тиску сприяє зміщенню рівноваги по реакції (з) в бік димера і збільшенню швидкості реакції (і). Підвищується і ступінь абсорбції діоксиду азоту. Тому в останн роки у виробництві азотної кислоти перейшли від установок під атмосферним тиском до підвищеного тиску до 1 МПа.

При окислюванні оксиду азоту може протікати реакція асоціації NO2 з утворенням димера:

2NO2 ↔Ν2О4 ∆Н = -57 кДж


Швидкість цієї реакції дуже велика, а рівновага з підвищенням тиску і зменшенням температури зміщується в праву сторону.

Таким чином, у нітрозних газах, що надходять на абсорбцію, містяться NO2, N2O4, O2, N2O, NO, N2O2, N2, пари води та ін.

Абсорбція діоксиду азоту і його димера протікає за схемами

2 NO2 + Н2О ↔ HNO3 + HNO2, ∆Н = - 116 кДж

N2О2 + Н2О ↔ HNO3 + HNO2, ∆Н = - 59 кДж

Одержана при цьому азотиста кислота нестійка і розкладається:

3HNO2 ↔HNO3 + 2NO + Н2О, ∆Н = 76 кДж

Тому сумарно взаємодію NO2 з водою можна представити рівнянням реакції

3NO2 + Н2О → 2HNO3 + NO, ∆H = - 136 кДж

Поглинання діоксиду азоту водою - типовий хемосорбциійний процес у системі газ - рідина.

У виробництві необхідно одержувати кислоту як можна вищої концентрації. При цьому збільшується пружність оксидів азоту над розчином кислоти, що знижує рушійну силу процесу і, отже, загальну швидкість процесу. Для зміщення рівноваги убік утворення HNO3 необхідно знижувати температуру, а також підвищувати тиск. При абсорбції оксидів азоту використовують принцип протипотоку, тобто більш концентрований газ кантактує з концентрованою кислотою, а наприкінці абсорбції залишки NO2 поглинаються найбільш слабкою кислотою.

Внаслідок екзотермічності процесу абсорбції температура вихідної продукційної кислоти звичайно склада не менш 50 °С, тому в установках, що працюють під атмосферним тиском, виходить кислота, що містить лише 50% HNO3. В установках, що працюють під тиском 0,6-0,8 МПа, можна одержати 58-60%-ну кислоту. Піднімаючи тиск до 5 МПа, в установках прямого синтезу HNO3 з оксидів азоту і кисню одержують кислоту концентрацією 98% HNO3.

2.2 Технологічна схема виробництва азотної кислоти

Для одержання розведеної азотної кислоти з аміаку в промисловості донедавна використовували три системи: 1) під атмосферним тиском; 2) під підвищеним тиском і 3) комбіновані, у яких окислення аміаку відбувається під атмосферним тиском, а окислення оксиду азоту й абсорбція NO2 водою - під підвищеним тиском.

Незважаючи на менші витрати платини, системи виробництва кислоти під атмосферним тиском у даний час не застосовуються через низьку продуктивність, громіздкості апаратури і відповідно значні капіталовкладення, стотні втрати аміаку і необхідність застосування дорогого і не надто ефективного лужного очищення газів, які виділяються з оксидів азоту. Сучасн установки, що працюють під підвищеним тиском (від 0,2 до 1 МПа), і комбінован розроблені за принципом енерготехнологічних систем, у яких енергія газів (пов'язана з їх високою температурою і тиском) і теплота реакції окислення аміаку використовуються для стиску повітря і нітрозних газів, а також одержання технологічної пари. Цими ж схемами передбачено більш повне використання низкопотенційної теплоти.

Принципова технологічна схема одержання розведеної азотної кислоти під підвищеним тиском наведена на мал. 4.


Рис. 4. Принципова технологічна схема одержання розведеної азотно кислоти під підвищеним тиском (0,73 МПа)

1 - повітрозабірна труба; 2 - повітроочисник; 3 - газовий компресор; 4 - газова турбіна; 5 - повітропідігрівач; 6 - випарник аміаку; 7 - змішувач з фільтром; 8 - контактний апарат; 9, 17-казан-утилізатор; 10- окислювач з фільтром; 11 - абсорбційна колона; 12 - обдувна колона; 13 - холодильник-конденсатор; 14 - підігрівач хвостових газів; 15 - реактор каталітичного очищення; 16 - камера згоряння; 18 - вихлопна труба


Атмосферне повітря після відповідного очищення надходить у компресор 3, який приводиться в рух газовою турбіною 4. У компресорі повітря стискається до тиску 0,73 МПа, нагріваючись при цьому до 135°С, надходить далі в підігрівач повітря 5, де його температура підвищується до 250 °С за рахунок теплоти нітрозних газів, які виходять з окислювача 10. У змішувачі 7 повітря змішується з газоподібним аміаком, яке надходить сюди з випарника аміаку 6. Аміачно-повітряна суміш, що утворилася, далі надходить у контактний апарат 8, де при температурі близько 900 С на Pt-Rh-Pd-каталізатор відбувається окислення аміаку. Нітрозні гази, що містять 9,0- 9,5% NO, надходять у казан-утилізатор 9, у якому відбувається охолодження до необхідної температури й утворення пари. Дал гази надходять в окислювач 10, у якому окислюються до діоксиду азоту. Охолоджені в підігрівачі повітря 5, підігрівачі хвостових газів 13 і холодильнику-конденсатор 12 до температури близько 45 °С нітрозні гази надходять в абсорбційну колону 11, зрошувану протипотоковим струменем води. Оскільки абсорбція NO2 водою екзотермічна, абсорбційні тарілки мають змієвидні холодильники, у яких циркулює охолодна вода (на схемі не показано). Отримана азотна кислота надходить в обдувну колону 12, де за допомогою гарячого повітря з готової азотно кислоти відбувається обдувка розчинених у ній нітрозних газів, що подаються в абсорбційну колону. Хвостові гази, пройшовши систему каталітичного очищення від оксидів азоту відновленням їх аміаком до елементного азоту, викидаються в атмосферу.

Страницы: 1, 2


Новости

Быстрый поиск

Группа вКонтакте: новости

Пока нет

Новости в Twitter и Facebook

  бесплатно рефераты скачать              бесплатно рефераты скачать

Новости

бесплатно рефераты скачать

© 2010.