Методи отримання оксидів азоту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вступ

1. Схеми виробництва аміаку та азотної кислоти

1.1 Аміак

Технологічне обладнання для синтезу аміаку

За своїм призначенням основне технологічне обладнання відділення синтезу аміаку можна підрозділити на наступні групи: 1) реакційна апаратура (колони синтезу), 2) апаратуру для виділення аміаку (холодильники-конденсатори, сепаратори, конденсаційні колони); 3) теплообмінна (парові котли, водопідігрівачі, випарники і т. д.) і допоміжна (сепаратори, фільтри і т. д.) апаратура.

Реакційна апаратура (колона синтезу)

Колона синтезу аміаку складається з корпусу високого тиску і вмонтованою в ньому насадки, заповненої каталізатором. У більшості колон синтезу є внутрішні (вбудовані) теплообмінники. У ряді випадків у колону синтезу поміщають парові котли або пристрої для відведення тепла стороннім теплоносієм.

Корпус колони синтезу

Корпус колони синтезу являє собою товстостінний циліндр, виготовлений з легованої сталі (рис. 1.1). Якщо у відповідності з конструктивними особливостями

Рис. 1.1 - Корпус колони синтезу

колони не передбачено вилучення внутрішньої насадки, то застосовуються корпус із стисненою горловиною (поличні колони агрегатів 1360-1500 т / добу). Ковані колони синтезу, кришки, кільця ущільнювачів виготовляються, як правило, зі сталі 22ХЗМ.

Типи насадок колон синтезу

Внутрішня насадка колони синтезу (рис.1.2) призначена для проведення процесу синтезу при певному температурному режимі і для захисту корпусу від впливу високих температур. Насадка колони синтезу складається з каталізаторної коробки і теплообмінника (іноді застосовується виносний теплообмінник). У агрегатах синтезу аміаку потужністю до 600 т / добу всередині насадки поміщають пусковий електропідігрівач для розігріву газу в період пуску колони до температури початку реакції і для проведення відновлення каталізатора. У агрегатах потужністю 1360 т / добу з поличними насадками застосовують виносний газовий підігрівач.

Рис. 1.2 - Насадка колони синтезу

1 - каталізаторна коробка; 2 - регулювальний клапан; 3 - паровий котел; 4 - теплообмінник; 5 - електропідігрівач.

Конструкція насадки повинна забезпечити автотермічність процесу, високу продуктивність, віднесену до одиниці внутрішнього об'єму поковки високого тиску, надійність роботи колони протягом тривалого періоду її експлуатації, можливість створення необхідного температурного (близько до оптимального) режиму процесу синтезу, можливо більш високу ступінь перетворення азото-водневої суміші на аміак і т. д

Температурний режим у колоні синтезу зазвичай регулюють зміною витрати газу, що подається через холодні байпаси. За кількістю незалежних байпасні потоків розрізняють одно-, двох- і різноманітне регулювання режиму роботи насадки колони.

Застосовувані в даний час конструкції насадок можна розділити на наступні типи: 1) трубчасті насадки з теплообмінником в зоні каталізу; 2) поличні насадки з каталізатором, завантаженими суцільним шаром на кожній полиці. Відомі також різні варіанти комбінованих конструкцій насадок. За характером розподілу газового потоку насадки поділяються на насадки з аксіальним і радіальним ходом газу.

Апаратура для виділення аміаку

Первинні конденсатори. У агрегатах потужністю 1360 т / добу в якості апарату першого ступеня конденсації аміаку отримали поширення повітряні холодильники, об'єднані в блоки.

Вторинні (аміачні) конденсатори. Аміачні конденсатутори є апаратами другого ступеня охолодження циркульованого газу. У них досягається більш низька температура охолодження, ніж в апаратах первинної конденсації, відповідно і більш повне виділення аміаку із циркуляційного газу.

Допоміжна апаратура

Газова суміш, що виходить з конденсатора, містить аміак у вигляді крапель і туману. У сепараторах використуються інерційні способи відділення крапель рідкого аміаку в поєднанні з їх гравітаційним осадженням. Щільність крапель рідкого аміаку при тиску 30 МПа приблизно в шість разів більше щільності газового середовища. Тому при вході в сепаратор передбачається різке зниження швидкості газового потоку в розширювальному просторі і багаторазові повороти підчас його подальшого руху. Використовуються також центробіжні сепаратори.

Комбінована апаратура для виділення аміаку. У системі вторинної конденсації аміаку застосовуються конденсаційні колони (рис. 1.3), в яких поєднуються теплообмінний пристрій і сепаратор рідкого аміаку.

Рис. 1.3 - Конденсаційна колона

1 - теплообмінник; 2 - корпус колони; 3 - кільця Рашига; 4 - відбійник; 5 - центральна труба; 6 - труба введення свіжого газу.

Конденсаційна колона призначена для рекуперації холоду, яка відноситься циркуляційним газом з аміачного випарника і сепарації рідкого аміаку, який сконденсувався в апаратах вторинної конденсації.

Аналітичний контроль виробництва

Для ведення нормального технологічного режиму в блоці синтезу аміаку необхідний постійний оперативний контроль за аналітичними показниками процесу.[3]

Аналітичний контроль виробництва на стадії синтезу аміаку повинен передбачати аналіз газів і газових сумішей у всіх основних точках схеми, аналіз підігрівається в блоці синтезу живильної води котлів, а також аналіз рідкого аміаку, що видається в якості готової продукції і використовуваного для охолодження газових потоків у випарник.

Технологічні умови виробництва аміаку висувають вимоги високої точності і безперервності аналізу, аналізатор результатів та передачі її на щит управління. Тому основні газові аналізи, необхідні для оперативного контролю виробництва аміаку, слід виконувати за допомогою автоматичних газоаналізаторів. Для автоматизації процесу отримання інформації про зміст компонентів у газових сумішах блоку синтезу аміаку продуктивністю 1360 т / добу призначена система автоматичного газового аналізу «САГА-1360».

Система автоматичного газового аналізу виконує такі функції: відбір проб газів з технологічних апаратів і трубопроводів під тиском від 0,03 до 32 МПа, автоматичний контроль, справності датчиків, їх автопідстроювання і перемикання на резервні, перетворення сигналів датчиків, забезпечення підключення систем контролю газу до керуючої обчислювальної машини, виклик вручну будь-якої точки контролю.

У блоці синтезу аміаку система виконує автоматичний контроль складу азото-водневої суміші після блоку метанування (Н₂, СН₄, СО, С0₂), на вході в колону синтезу аміаку (СН₄, Н₂, N₂, NНз), а також змісту Н₂ у газоподібному аміаку на виході з випарників, за яким судять про герметичність теплообмінника і випарника.

Для визначення вмісту водню в азото-водневій суміші і газообмінному аміаку зазвичай використовують термокондуктометричні газоаналізатори ТКГ-4М, ДТ1121-У4, а також пневматичний газоаналізатор «Ламінарія» для азото-водневої суміші. Визначення вмісту аміаку в азото-водневій суміші проводять за допомогою термокондуктометричного перетворювача ДТ3212-5У4. Для визначення концентрації оксиду та діоксиду вуглецю призначений газоаналізатор інфрачервоного поглинання ГІП-10МБ. Широка номенклатуру зазначених газоаналізаторів, а також аналізаторів складу та властивостей рідин, вологомірів та інших приладів розроблена дослідно-конструкторським бюро автоматики.

Застосування автоматичних газоаналізаторів не виключає необхідності використання у виробництві лабораторного аналізу, який важливий як для регулярної перевірки автоматичних газоаналізаторів, так і для оперативного контролю в непередбачених автоматикою випадках. З використанням ручного відбору проб можливий контроль за складом свіжого та циркуляційного газу, танкових і продувних газів, а також газів в димовій трубі після підігрівача. Визначення вмісту основних компонентів азото-водневої суміші(Н₂, N₂, Аг, СН₄) до і після колони синтезу проводять хроматографічним методом. Вміст аміаку в азото-водневій суміші визначають зазвичай об'ємним методом. Визначення малих кількостей аміаку в газах проводять фотокалориметричним методом з використанням реактиву Несслера.

У ході процесу відновлення каталізатора в колоні синтезу аміаку контролюють вміст вологи в газі на виході з колони - методом визначення точки роси. Метод передбачає попереднє розкладання циркуляційного газу на азот і водень.

Визначення вмісту інертних газів у газоподібному аміаку проводять за допомогою евдіометра, поглинаючи аміак сірчаної кислотою і вимірюючи обсяг інертних газів (N₂, СН₄, Н₂, Аг), що не реагують з кислотою. Аналіз не поглиненого газу проводять хроматографічним методом.

Визначення горючих домішок у повітрі і газах після продувки апаратів проводять на приладі з піпеткою для повільного спалювання. Горючі гази (вуглеводні, оксид вуглецю, водень) при пропусканні над розпеченим до 850-900?С платиновим дротом згорають з утворенням діоксиду вуглецю і води. Щодо зменшення обсягу газу розраховують вміст негорючих домішок.

З метою своєчасної ліквідації пропуску циркуляційного газу в підігрівачі живильної води визначають вміст у ній водню і аміаку. Найбільш часто користуються експрес-методом визначення вмісту аміаку у воді, заснованим на зміні електропровідності води.

Якість продукційного рідкого аміаку характеризують вмістом в ньому основної речовини і домішок (вода, масло, залізо, діоксид вуглецю, хлор та ін.)Визначення проводять після випаровування аміаку. При вмісті води менше 0,15% застосовують метод Фішера. Вміст олії в рідкому аміаку контролюють переважно методом інфрачервоної спектрофотометрії, використовуючи спектрофотометри типу ІКС-24 або ІКС-29.Вміст діоксиду вуглецю визначають об'ємним методом з використанням в якості поглинача розчину гідрооксиду барію або хроматографічно. Домішки хлору в рідкому аміаку визначають використанням іон-селективного електрода.

Якість рідкого аміаку

Якість рідкого аміаку регламентується ГОСТ 6221-75, який передбачає випуск продукту марки «А» - для використання в промисловості та марки «Б» - для сільського господарства. Вимоги до якості рідкого аміаку наведено в таблиці1.1. Якість рідкого синтетичного аміаку залежить від технологічної схеми виробництва, обладнання, що застосовується, норми технологічного режиму. У схемах з двохстепеневою конденсацією аміаку, рідкий аміак, який видається після первинної конденсації, чистіший за вмістом масла і вологи, а після вторинної - за вмістом заліза.

Вимоги до якості рідкого аміаку обумовлені зазвичай областю його застосування. Так, у США передбачено випуск рідкого аміаку трьох сортів. У сільському господарстві застосовують звичайно 99,5%-ий NH₃.

Таблиця 1.1

Аміак, що поставляється для металургії складає 99,995%, а для холодильної техніки - 99,95% основної речовини. Поряд із зазначеними домішками рідкий аміак може бути забруднений розчиненими газами: воднем, азотом, метаном і аргоном, сумарний вміст яких зазвичай не перевищує 0,2%, а також діоксидом вуглецю, концентрація якого складає не більше 100 см³/м³.

В особливих випадках до якості рідкого аміаку можуть бути пред'явлені спеціальні вимоги. Так, технічні умови ТУ-6-03-10-464-79 передбачають утримання в рідкому аміаку 0,2-0,4% води (для інгібування корозійного розтріскування сталей), регламентують поряд з маслом (до 3 мг / л) і залізом (до 1 мг / л) вміст хлору (до 0,5 см³/м³) і діоксиду вуглецю (до 30 см³/м³).

1.2 Нітратна кислота

Схема виробництва розведеної азотної кислоти

Сучасні методи виробництва розведеної азотної кислоти (від 45 до 62% HNОз) можуть бути розділені на три основні групи:

1) виробництво азотної кислоти під атмосферним тиском,

2) виробництво азотної кислоти під підвищеним тиском,

3) виробництво азотної кислоти комбінованим методом (окислювання аміаку проводиться під атмосферним тиском, а переробка окислів азоту в кислоту - під підвищеним тиском).

Системи, що працюють під атмосферним тиском

На рис.1.4 зображена система Хімстрою для отримання розбавленої азотної кислоти під атмосферним тиском.

Перша стадія виробництва полягає у підготовці аміаку і повітря. Якщо аміак надходить зі складу в рідкому вигляді, то він випаровується або за рахунок тепла, або розчину, який служить переносником холоду. Отриманий газоподібний аміак збирається зазвичай в газгольдері. Очищення газоподібного аміаку виробляють на тканяних фільтрах, а іноді застосовують промивання його рідким аміаком, який добре затримує як пари масла, так і механічні домішки.

Очищення повітря від сторонніх газів, що мають кислий характер, виробляють зазвичай за допомогою промивання його у вежі лугом або водою. Найкраще брати повітря з районів, не забруднених цими газами, наприклад із сусіднього лісу. Для відділення механічних забруднень повітря фільтрують через тканяні фільтри. Очищене повітря вентилятором, спареним з аміачним, подається через змішувач в контактний апарат.

Рис. 1.4 - Схема установки для виготовлення розведеної азотної кислоти під атмосферним тиском:

1 - аміачно-повітряний вентилятор; 2 - контактний апарат зі змішувачем; 3 - підігрівач повітря; 4 - паровий котел; 5 - швидкісний холодильник; 6 - холодильник-конденсатор; 7 - вентилятор; 8 - поглинаючі вежі; 9 - насоси; 10 - холодильник для кислоти; 11 - лужні вежі.

Вміст аміаку в аміачно-повітряної суміші коливається в межах від 9,5 до 12%. У випадку роботи на повітрі, підігрітому до 180-250 °С, вміст аміаку підтримують у межах 9,5-10%. Якщо є можливість збагатити повітря відкидним киснем, то вміст аміаку доводять до 12-12,5%. Газову суміш до її надходження на каталізатор ще раз фільтрують через поролітовий фільтр, який розташований в контактному апараті 2 безпосередньо перед каталізаторними сітками.

Аміачно-повітряну суміш далі спалюють на каталізаторі при 750-850 °С. Нітрозні гази, що мають цю ж температуру, проходять підігрівач повітря 3, а потім паровий котел 4, де охолоджуються до 180-200 °С. Подальше охолодження їх виробляється водою в трубчастих холодильниках 5 і 6, де утворюється азотна кислота концентрацією від 3 до 20%. Охолоджені нітрозні гази поступають далі в поглинальну систему 8, що звичайно складається з шести веж. Поглинання здійснюється водою. У поглинальну систему подається додатково повітря з таким розрахунком, щоб у вихлопних газах містилося 5,5% кисню.

Кожна башта зрошується кислотою відповідної концентрації. Циркуляція кислоти здійснюється за допомогою центрибіжних насосів 9, які подають її через холодильники 10, які охолоджуються водою для відводу. У міру закріплення, кислота передається самопливом з башти в башту назустріч ходу газу і по досягненні заданої концентрації виводиться із системи. Найчастіше готова кислота видається з другої по ходу газу вежі. Якщо ж гази перед входом в першу вежу добре окислені та охолоджені, то найбільш концентрована кислота (45-50%) може бути отримана в першій башті, яка і є продукційною. Готова кислота містить розчинені окисли азоту. Щоб уникнути втрат окислів азоту, кислоту, попередньо підігріти до 50 ч 55 °С, продувають повітрям. Отримані при цьому оксиди повертають у поглинальну систему. Концентрація оксидів азоту в нітрозних газах, що надходять у поглинальну систему, становить близько 10% і знижується після шостої вежі до 0,8%. Залишки окислів азоту вловлюють у вежах, зрошуваних лугами. Як поглинач застосовують найчастіше розчин соди (200-250 г/л), іноді вапняне молоко (120-150 г/л). Отримані нітрит-нітратні луги обробляють азотною кислотою для переведення азотистокислих солей в азотнокислі. Виділену при інверсії суміш окису азоту і повітря направляють у поглинальну систему.

Поглинальна система відрізняється від системи Хімстрою небагатьом. Тут замість трубчастого газового холодильника установлені холодильні вежі, виконані з каменю. Ці вежі працюють, як і звичайні поглинальні вежі, в яких гази зрошуються кислотою, а тепло відводиться в кислотних холодильниках. Хороший теплообмін між газом і кислотою на насадці і триваліше перебування нітрозних газів в холодильних вежах забезпечують високу ступінь окислення окису азоту. Поглинальна система складається з однієї окисної вежі, п'яти двоходові кислотних поглинальних башт, виконаних з граніту, і двох залізних веж для лужного поглинання. В іншому система не являє собою нічого оригінального.

Системи, що працюють під підвищеним тиском

На противагу системам, що працюють під атмосферним тиском, тут контактне окиснення аміаку і поглинання нітрозних газів проводяться під підвищеним тиском. На рис. 1.4 наведена схема установки, що працює під тиском до 8 атм.

Рис. 1.4 -Схема установки розведеної азотної кислоти під тиском 8 атм.:

1 - вежа для промивки повітря; 2 - фільтр; 3 - турбокомпресор; 4- двигун; 5 - редуктор; 6 - фільтр для повітря; 7 - підігрівач повітря; 8 - випаровувач аміаку; 9 - фільтр для аміакі; 10 -змішувач; 11 - контактний апарат; 12 - холодильник-конденсатор; 13 - сепаратор; 14 - фільтр для платини; 15 - поглинальна колона; 16 - бризковловлювач; 17 - підігрівач вихлопних газів; 18 - паровий ежектор; 19 - рекуперацій на турбіна; 20 - насос для конденсата.

Повітря спочатку промивають водою у вежі 1 і фільтрують через тканяний фільтр 2. Потім його стискують в турбокомпресорі 3 до 9 атм і ще раз фільтрують в агрегатному фільтрі 6. Фільтруючим матеріалом служить азбестове полотно або фільтрувальний картон, який отримав зараз широке застосування.

Очищене повітря, після стиснення має температуру 110 ч 120°, далі підігрівається теплом нітрозних газів до 300 ч 350° у теплообміннику 7 і йде на змішування з аміаком. Аміак після випарника 8, нагрітий до 70°, очищається у фільтрі 9 з допомогою азбестового полотна. У змішувачі 10 аміак змішується з повітрям (10% аміаку і 90% повітря), і суміш з температурою 300° надходить в контактний апарат 11, де на платино-родієвому каталізаторі з 16-18 сіток аміак окислюється до окису азоту, розвиваючи температуру до 900°. Для уникнення розм'якшення металу під дією високої температури нижню частину контактного апарату і сполучну трубу охолоджують водою. Пройшовши підігрівач повітря 7, нітрозні гази охолоджуються до 450°, віддаючи тепло повітрю, і з цією температурою надходять у водяній холодильник-кондесатор 12. На лінії нітрозних газів перед входом в конденсатор встановлюють фільтр з довговолокнистої скляної вати для уловлювання платини. У холодильнику-конденсаторі 12 при охолодженні нітрозних газів до 40° утворюється 53-56%-ва азотна кислота в кількості до 50% від загального виробітку агрегату. Нітрозні гази з конденсатора-холодильника 12 надходять у поглинальну колону 15, а кислота, відокремившись в сепараторі 13 і пройшовши фільтр для платини 14, може бути спрямована або в колону на подальше зміцнення, або виведена з системи як готова продукція. Додаткове повітря в кількості до 20 % від основного вводиться або в конденсатор-холодильник 12, або в нижню частину поглинальної колони 15. Нітрозні гази віддають частину тепла воді в котлі-утилізаторі 9 і з температурою 400° надходять у теплообмінник 17, де підігрівають вихлопні гази, що йдуть в рекупераціонну турбіну 3. Подальше охолодження газів проводиться водою в трубчастих холодильниках 12. Охолоджені до 25 ч 30° нітрозні гази надходять в поглинальну колону 13.

Поглинювальна колона має досить примітивний апарат і складається з трьох елементів, сполучених послідовно по ходу газу. Кожен елемент має насадку з керамічних кілець розміром 25х25 мм. Два верхніх елемента забезпечені виносними газовими холодильниками, а нижні працюють без охолодження. Колона зрошується водяним конденсатом одноразово, без циркуляції кислоти.

Кислота виходить із вмістом 43-45% НNO₃. Якщо бажають отримати кислоту з вмістом 60-62% НNO₃, то включають аміачний холодильник 14 і охолоджують кислоту, що надходить на зрошення нижньої колони.

Залишок окислів азоту поглинається вапняковим молоком у двох послідовно включених лужних вежах 15. Вежі час від часу зупиняють для чищення насадки. Загальне поглинання окислів азоту становить 99%, з яких на частку лужного поглинання припадає близько 4 ч 6% і на частку кислотного 95 ч 94%.

Контроль виробництва азотної кислоти

Для правильного проведення процесів, економної витрати матеріалів і енергії, а також створення безпечних умов в роботі установки необхідно суворо контролювати всі стадії процесу.

Контроль процесу виробництва азотної кислоти здійснюється за допомогою систематичного аналізу відбираються проб і застосування контрольно-вимірювальних приладів, які можна розділити на 2 групи:

Прилади, що показують той чи інший параметр процесу з якісної або кількісної сторони. Сюди відносяться термометри, манометри, витратоміри, лічильники і т. д.

Прилади, які активно беруть участь у регулюванні технологічного процесу, обмежують відступ від нормального технологічного режиму, попереджають можливість аварії і навіть, в разі необхідності, зупиняють роботу цеху.

Сюди належать запобіжні клапани, терморегулятори, регулятори тиску, відсікачі, припиняють подачу аміаку в контактний апарат, і т. д. Всі ці прилади знайшли широке застосування на азотнокислотних заводах.

Визначення концентрації азотної кислоти ареометром

Якщо пробу відбирають з апарату, то першу порцію кислоти, що залишилась у пробовідбірній трубці, зливають, щоб бути впевненим у тому, що проба кислоти відібрана безпосередньо з апарату. Потім в циліндр набирають стільки кислоти, щоб при завантаженні ареометра він був заповнений кислотою до країв. При відборі проби потрібно обов'язково надягати гумові рукавички та окуляри. У циліндр з пробою кислоти занурюють ареометр і термометр. Відлік показань за термометром і ареометра виробляють тоді, коли встановиться температура, причому ареометр і термометр не повинні стикатися між собою і не повинні торкатися стінок циліндра. Відлік виробляють по верхньому краю меніска. Концентрацію кислоти знаходять по таблицями наведеним у Додатку А.

2. Фізико-хімічні основи окиснення аміаку

Сутність методу

Окиснення аміаку є першою стадією виробництва нітратної (азотної) кислоти і може здійснюватися до різного ступеня окиснення азоту(2.1 ч 2.3).

4NH3+5O2-4NO+6H2O+Q1 ; (2.1)

2NH3+2O2-N2O+3H2O+Q2 ; (2.2)

4NH3+3O2-2N2+6H2O+Q3 ; (2.3)

При 1073 ч 1173 K реакції (2.1 ч 2.3) практично незворотні, при цьому найповнішим може бути перетворення аміаку до елементарного азоту.

Склад кінцевих продуктів визначається співвідношенням швидкостей реакцій (2.1 ч 2.3). У газовому об'ємі без каталізатора швидкість реакції окиснення азоту (ІІ) є найменшою. Тому для проведення цільової реакції (2.1) необхідне використання каталізатора селективної дії. Як каталізатор для цього процесу використовують переважно сплав платини з родієм або з родієм і паладієм у вигляді пласких сіток, розташованих одна над одною. На платиново-родієвому каталізаторі за температури 1173 К (900 ^оС) вихід оксиду азоту (ІІ) досягає 95 ч 98%. Оптимальний час контакту на платиновому каталізаторі знаходиться у межах 0,00006 ч 0,0001 с. Процес окиснення відбувається в області зовнішньої дифузії і його швидкість лімітується дифузією аміаку до поверхні каталізатора. Рівняння швидкості W(кмоль/год) в області зовнішньої дифузії для системи газ - тверде (2.4).

W= в ·?C·F, (2.4)

де в - коефіцієнт масовіддачі, м/год;

?С - рушійна сила процесу - різниця концентрацій аміаку у потоці і на поверхні каталізатора, кмоль/м³;

F - поверхня контакту - поверхня платинових сіток, м².

Враховуючи практичну незворотність реакції (2.1), із збільшенням температури вихід оксиду азоту (II) збільшується. Оптимальна температура для платинового каталізатора перебуває у межах 1073 ч 4173 К (800 ч 900°С). За більш високих температур виникає термічна дисоціація аміаку(2.5), що зменшує вихід оксиду азоту (II), до того ж збільшуються втрати платини.

2NH3 = N2 +3H2 (2.5)

Для повного окиснення 1 моль (або 1 м³) до NO за стехіометрією реакції (2.1) необхідно 1,25 моль (або 1,25 м³) O₂ . З врахуванням об'ємної частки кисню (21%) у повітрі загальний об'єм аміачно-повітряної суміші (АПС) дорівнює 6,95 м³ (2.6).

1 м3 (NH3) + 1,25/0,21м3 (повітря) = 6,95 м3 (2.6)

Таким чином, об'ємна частка аміаку в аміачно-повітряній суміші, дорівнює 14,4 % (2.7).

%NH_3=1/6,95*100=14,4% (2.7)

Зона вибуховості аміаку в аміачно-повітряній суміші (АПС) знаходиться в межах 14 ч 27%. Тому практично використовують об'ємну частку аміаку в АПС 9 ч 11%, що відповідає співвідношенню .

Таким чином, каталітичне окиснення аміаку є прикладом швидкого, практично незворотного складного гетерогенного каталітичного процесу, реалізація якого залежить від селективних властивостей каталізатора, температури, співвідношення компонентів у вихідній суміші.

Фізико-хімічні властивості вихідної речовини

Початковою сировиною для виробництва азотної кислоти є аміак, повітря і вода. При пуску агрегату використовується також пара або електроенергія, а при наявності високотемпературного каталітичного очищення вихлопних газів від оксидів азоту - природний або інший горючий газ.[4]

Аміак

У звичайних умовах аміак є безбарвний газ з різким запахом. Теплоємність газоподібного аміаку [в кДж / (моль-К)] в інтервалі температур 273-1273 К можна визначити з рівняння (2.8).

Ср = 35,772 + 0,009 Т - 0,6713 10-6Т2 (2.8)

Середня теплоємність рідкого аміаку при нормальних умовах дорівнює 4,60 Дж/(г-К), при 333,2К (60°С) вона складає 5,10Дж/(г-К). Теплопровідність в межах від 263,2 до 293,2 К (від -10 до 20 ° С) дорівнює 0,50 Вт / (м-К). Теплопровідність при 273 К дорівнює 0,0186 Вт / (м-К) або 0,016 ккал / (м•ч•°С).

Рідкий аміак представляє собою безбарвну, легко рухлива рідина, що має в'язкість 0,24-10^-3 Па-с.

Властивості аміаку при різній температурі наведені в Додатку Б.

Газоподібний аміак добре розчиняється у воді: в одному об'ємі води при нормальних умовах розчиняється 1050 об'ємів аміаку. Зі збільшенням температури розчинність аміаку зменшується, а зі збільшенням тиску - підвищується. У водних розчинах солей, в ефірі і різних спиртах аміак розчиняється гірше, ніж у воді. У рідкому аміаку розчиняються деякі солі; з мінеральними маслами аміак не реагує, але при попаданні в них може утворити емульсію.

Аміак проявляє досить активні хімічні властивості і взаємодіє з багатьма речовинами. При розчиненні у воді відбувається часткове утворення гідроксиду амонію (2.9).

NH3+H2O = NH4OH (2.9)

У гідроксиді радикал амонію (NН₄⁺) грає роль одновалентного металу, тому електролітична дисоціація NН₄ОН протікає за основним типом.

Гідроксид амонію можна розглядати як слабку основу, тому що концентрація іонів ОН^- в розчині невелика.

Майже всі солі амонію добре розчиняються у воді і в розчинах сильно дисоціюють. При нагріванні вони легко розкладаються на аміак і кислоту. Особливо нестійкі амонієві солі слабких кислот.

У присутності повітря і пари води аміак реагує з деякими металами, з багатьма неорганічними та органічними речовинами, утворюючи комплексні сполуки. Так, наприклад, мідь розчиняється у водних розчинах аміаку з утворенням комплексних солей синього кольору.

З повітрям або киснем аміак при звичайній температурі не реагує. При підвищеній температурі він горить блідо-зеленим полум'ям, окислюючись до елементарного азоту (2.10).

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2О (2.10)

У присутності каталізаторів вибіркової дії аміак взаємодіє з киснем з утворенням оксиду азоту II (або молекулярного азоту N₂) або оксиду азоту I (N₂О).

Синтетичний аміак виробляється головним чином в рідкому вигляді і містить домішки карбонату амонію, змащувальних масел, пилу каталізатора синтезу аміаку, окалину зі стінок трубопроводів і апаратів.

Виробництва азотної кислоти та аміаку найчастіше знаходиться на одному майданчику, тому якість аміаку, що направляється на отримання азотної кислоти, не регламентується ГОСТ.

При випаровуванні в газоподібний аміак переходять розчинені гази, частина масел і СО₂; вміст їх зазвичай складає 0,08 - 0,1% (об'єму), а інколи зростає до 5%.

Повітря. Кисень

Сухе атмосферне повітря містить 78,03% азоту, 20,93% кисню, 0,93% аргону, 0,03% СО₂ і невелику кількість інертних газів (гелію, криптону, ксенону, неону). Крім цього, в повітрі можуть бути водяні пари, кількість яких залежить від температури.

Кисень - безбарвний газ без запаху і смаку, молекулярна маса 32. При нормальних умовах щільність кисню 1,429 кг / м³. У 100 об'ємах при нормальних умовах розчиняється близько 5 обсягів кисню, хімічно О₂ дуже активний.

При атмосферному тиску і 90 К (-183 °С) кисень переходить у рідкий стан. Критичний тиск і критична температура відповідно рівні 4,98 МПа і 154,4 К (-118,8 °С).

У виробництві азотної кислоти кисень застосовують для інтенсифікації процесу окислення аміаку. Так, при підвищенні вмісту кисню в аміачно-повітряної суміші до 28-29% продуктивність системи збільшується вдвічі.

Глибоким охолодженням повітря можна отримувати кисень високої частоти (до 99,8%). Однак для виробництва азотної кислоти придатний кисень, що містить азот. Крім того, кисень містить пари води.

Вода

Вода, яка використовується для технологічних цілей, повинна пройти спеціальну підготовку: з неї видаляють механічні домішки фільтруванням, а потім її очищають від розчинених солей. В останні роки на деяких заводах воду пом'якшують, очищають на іонітах: при цьому вона стає знесоленою.

У виробництві реактивної азотної кислоти застосовують чистий паровий конденсат або двічі перегнану воду.

Хімічно очищена вода, що витрачається для живлення котлів-утилізаторів, повинна містити не більше 10 мекв/л солей жорсткості, 0,3-0,5 мг / л лугів, 100 мг / л Fe.

Размещено на Allbest.ru