Модернизация процесса производства Азотной кислоты. - Автоматический контроль параметров производства азотной кислоты под высоким давлением
Азотная кислота и главным образом ее природная соль - натриевая селитра известны с давних времен. В 778г. арабский ученый Гебер описал способ приготовления "крепкой водки" (так называлась тогда азотная кислота) путем перегонки селитры с квасцами. В России первые прописи по производству азотной кислоты из селитры были составлены М. В.Ломоносовым.
До начала XX века природная селитра была единственным источником получения азотной кислоты. Этот процесс основан на следующей реакции:
NaNO3 + H2SO4 = HNO3 + NaHSO4
Усовершенствованный вариант этого метода получения азотной кислоты состоял в том, что разложение селитры серной кислотой производилось в вакууме (остаточное давление до 650 мм вод. ст.). При этом температура разложения селитры снижалась до 80-160 0С; продолжительность отгонки кислоты сокращалась до 6 часов и достигался выход азотной кислоты близкий к теоретическому. Расход топлива для обогрева реактора составлял около 120 кг/т HNO3. Такой способ получения азотной кислоты, целиком зависящий от импорта чилийской селитры, впоследствии был оставлен.
В начале XX века была решена исключительно важная проблема связывания атмосферного азота, что дало человечеству новый неисчерпаемый источник сырья для производства азотосодержащих соединений. Известно, что над каждым квадратным километром земной поверхности в воздухе содержится около 8000 тыс. т. азота. Задача превращения инертного азота в химически активные вещества (NO, NO2, HNO3) решена в результате последовательных усилий многих ученых.
Еще в 1781 г. Кэвендиш в результате электрического разряда в воздухе получил окислы азота. В 1814 г. В. Н.Каразин внес предложение о "низведении электричества с верхних слоев атмосферы для производства селитры". Первый патент на способ получения азотной кислоты при помощи электрического разряда в воздухе и превращения окислов азота в нитриты и в нитраты был получил Лефебер в 1859 г.
В 1901 г. было положено начало фиксации азота воздуха в пламени электрической дуги (дуговой метод). В 1902 г. в США сооружен завод по фиксации атмосферного азота с помощью дуговой дуги, возникающей при пропускании между электродами тока силой 0,75А и напряжением 8000 в печи конструкции Брэдлея и Ловджоя. Из-за несовершенства конструкции печи и большого расхода электроэнергии завод был закрыт в 1904 г.
Производство азотной кислоты дуговым методом интересно тем, что в нем использовали дешевое исходное сырье - воздух. Аппаратурное оформление процесса довольно несложно. Однако для его осуществления требовалось огромное количество электроэнергии, достигающее 70000 квт*ч на 1 т. N2 (это соответствует 64 т условного топлива.
Наконец в 1913 г. на основе многочисленных работ был освоен промышленный метод синтеза аммиака из простых веществ, который получил широкое развитие и в настоящее время занял главное место в производстве связанного азота. Вскоре после этого удалось решить проблему получения азотной кислоты из аммиака.
В настоящее время промышленное производство азотной кислоты осуществляется на основе контактного окисления синтетического аммиака. Процесс складывается из двух основных стадий: получение окиси азота и переработка ее в азотную кислоту.
Стадия окисления аммиака в окись азота в общем виде выражается уравнением:
4NH4 + 5O2 = 4NO + 6H2O
Стадия окисления окиси азота в высшие окислы азота и переработки их в азотную кислоту может быть представлена уравнением:
2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
Суммарную реакцию без учета побочных реакций, проходящих с образованием элементарного азота и других соединений, можно выразить уравнением:
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O +421.2 кдж
В соответствии с последовательностью этих стадий рассмотрим технологию производства азотной кислоты.
Исследования показывают, что при окислении аммиака на различных катализаторах и в зависимости от условий ведения процесса можно получить окись азота, элементарный азот и закись азота:
4NH3 + 5O2 =4NO + 6H2O +907.3 кдж
4NH3 + 4O2 = 2N20 + 6H2O +1104.9 кдж
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O +1269.1 кдж
Кроме того, возможны и другие побочные реакции, протекающие с образованием азота без участия катализатора. К таким реакциям относятся разложение окиси азота и взаимодействие аммиака с окисью азота. В газах после окисления аммиака может также находиться непрореагированный аммиак.
Термодинамические расчеты изменения свободной энергии показывают, что приведенные выше основные реакции могут идти практически до конца. Таким образом, при окислении аммиака как в процессе, могущем протекать в нескольких направлениях, состав конечных продуктов будет определяться прежде всего избирательной способностью катализатора. Соответственно подбирая катализатор и условия ведения реакции, можно изменить и состав получаемых продуктов.
При использовании в качестве катализатора платины выход окиси азота в интервале температур 700-8500С может достигать 97-98%. Катализаторы из платиновых сплавов являются наилучшими для избирательного окисления аммиака в окись азота.
Реакция окисления аммиака до окиси азота идет с незначительным изменением объема, поэтому изменение давления не оказывает существенного влияния на равновесный выход продуктов взаимодействия. Большие величины константы равновесия этой реакции (1053 при 9000С) свидетельствует о практической ее необратимости при промышленных условиях осуществления процесса.
Платиновым катализаторам придают сетчатую форму, что позволяет применять контактные аппараты простого типа. Обычно катализаторные сетки изготавливают из проволоки диаметром 0,05-0,09 мм. Согласно ГОСТу 3193-59 для изготовления сеток применяют сплавы следующего состава: Pt+4%Pd+3.5%Rh (для контактных аппаратов, которые работают при атмосферном давлении) и Pt+7.5%Rh ( для конвертеров, работающих при повышенном давлении). При окислении аммиака под атмосферном давлении устанавливают от 2 до 4 сеток (обычно 3 шт.).
В аппараты, работающие под давлением 8 ат. закладывают от 16 до 18 сеток.
В оптимальных условиях степень превращения аммиака в окись азота на одной сетке может достигать 86-90% на двух сетках - 95-97%, на трех - 98%.
На новых сетках высокая степень конверсии достигается не сразу, а в течении нескольких суток работы при 6000С. Процесс активации сеток при 9000С заканчивается через 8-16 часов. Поверхность платиновых сеток в процессе эксплуатации сильно разрыхляются, гладкие блестящие нити становятся губчатыми и матовыми. В результате этого сильно развивается поверхность катализатора, что приводит к повышению его активности. С течением времени разрыхление поверхности платиновых сеток приводит к их сильному разрушению и большим потерям платины. Добавление к платине родия и палладия имеет двоякое значение: во-первых, повышается активность катализатора, во-вторых, уменьшается потери катализатора.
В промышленности нашли применение комбинированные катализаторы, в которых наряду с платиновыми используются и другие, более дешевые материалы. Разработанный ГИАПом комбинированный двухступенчатый катализатор состоит из сетки тройного сплава (первая ступень) и слоя неплатинового катализатора толщиной 50-65 мм. (вторая ступень). Применяя железохромовый катализатор, во второй ступени окисления, можно достигнуть 96%-превращения аммиака в окись азота.
Нитрозные газы, полученные контактным окислением аммиака, содержит в основном окись азота, из которой при дальнейшем окислении получаются высшие окислы азота. Образование протекает по следующим уравнениям:
2NO + O2 = 2NO2
NO + NO2 = N2O3
2NO2 = N2O4
С понижением температуры равновесие всех этих реакций смещается вправо. При низких температурах, наличие избытка кислорода и времени достаточном для установления равновесия, можно ожидать перехода всех окислов азота в четырех окись N2O4. При недостатке кислорода или при неустановившемся равновесии в нитрозных газах могут присутствовать одновременно все указанные окислы (NO, N2O3, NO2 и N2O4).
Пяти окись азота N2O5 из окислов при условии окисления не образуется: закись азота N2O кислородом воздуха дальше не окисляется.
Окислы азота перерабатываются в неконцентрированную азотную кислоту посредством из поглощения из газовой фазы водой или разбавленной азотной кислотой. Для этого нитрозные газы охлаждаются и направляют в поглотительные башни или абсорбционные колонны, где происходит окисления NO и поглощение образовавшихся окислов азота. В зависимости от условий охлаждения и окисления в газовой фазе могут присутствовать различные окислы азота, которые реагируют с водой по реакциям:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 +27.73 ккал
N2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 +14.13 ккал
N2O3 + H2O = 2HNO2 +13.3 ккал
С практической точки зрения не имеет значения, что реагирует с водой - двуокись или четырех окись азота, так как скорость их взаимного превращения очень велика, а количество образующихся из NO2 и N2O4 азотистой и азотной кислот одинаково.
Процесс получения азотной кислоты связан с растворением в воде NO2, N2O4 и N2O3. В газовой фазе в результате взаимодействия паров воды с окислами азота образуется также незначительное количество азотной и азотистой кислот.
Азотистая кислота малоустойчива и разлагается с образованием азотной кислоты и окиси азота по суммарной реакции:
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O -18ккал
Расчеты показывают, что при обычных условиях равновесное содержание азотистой кислоты в разбавленной азотной кислоте очень мало. Скорость разложения азотистой кислоты с повышением температуры увеличивается, однако и при обычной температуре скорость этой реакции очень велика.
Суммарные реакции образования азотной кислоты с учетом разложения азотистой кислоты описываются уравнениями:
3NO2 + H2O = 2HNO3 +NO
3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO
По литературным данным, при степени окисления газа менее 50% растворы азотной кислоты поглощают окислы азота NO + NO2. При высокой степени окисления газа происходит поглощение окислов азота в виде NO2. Учитывая малое количество трех окиси азота в газе, обычно все расчеты проводят исходя из уравнения реакции.
Расчет равновесного состава окислов азота над азотной кислотой показывает, что при парциальном давлении двуокиси азота 0,1 ат. получение азотной кислоты, имеющей концентрацию более 60% HNO3, практически затруднительно. Присутствие в газовой фазе окиси азота смещает равновесии реакции влево. Поэтому в производственных условиях при атмосферном давлении трудно получить кислоту с концентрацией выше 50%, а при 8 ат - более 60%.
Главными факторами, определяющими высокую скорость образования азотной кислоты, являются проведение абсорбции под давлением при пониженных температурах с применением богатых по содержанию окислов азота нитрозных газов и создание условий для более полного соприкосновения газа с жидкостью.
Похожие статьи
-
Азотная кислота является одной из важнейших минеральных кислот и по объему производства занимает второе место после серной кислоты. Она образует...
-
Независимо от конкретной технологической схемы принципиальная схема производства разбавленной азотной кислоты включает шесть основных операций: H2O H2O...
-
Исключительное значение азотной кислоты для многих отраслей народного хозяйства и оборонной техники и большие объемы производства обусловили интенсивную...
-
Технология производства. Технологический процесс производства [ 4, ст. 45 ] азотной кислоты делится на четыре основные стадии: - конверсию аммиака; -...
-
В контактном отделении аммиак и аммиачно-воздушная смесь, нагнетаемая вентиляторами в смесители, а затем в контактные аппараты, находится под некоторым...
-
Давление - Контроль параметров процесса получения полиэтилена
Метран-43Ф-Вн - ДИ Датчик избыточного давления с взрывозащищенным исполнением. Датчик давления состоит из преобразователя давления - измерительного блока...
-
Технология производства. В настоящее время азот на химических комбинатах добывают из атмосферного воздуха его разделением на фракции в специальных...
-
Введение - Производство серной кислоты
Серная кислота - наиболее сильная и самая дешевая кислота. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему...
-
Получение сульфата аммония основано на поглощении аммиака из коксового газа раствором серной кислоты и протекании реакции нейтрализации....
-
Литье под давлением - Технологические процессы производства изделий из поливинилхлорида
Наиболее удобным процессом для производства изделий из ПВХ является процесс литья под давлением. Несмотря на то что стоимость оборудования в этом...
-
При разработке проекта автоматизации в первую очередь необходимо решить вопросы выбора структуры управления. Под структурой управления понимается...
-
Введение - Техника безопасности на азотных комбинатах
Азот, азотная кислота, аммиак и его водный раствор, аммиачные удобрения различного типа широко используются в различных областях промышленности, в быту,...
-
Рассчитаем необходимое число единиц гипсоварочных котлов, согласно формуле: N=Pп/(Pч-K), Где Pп - требуемая часовая производительность предприятия; Pч -...
-
Производство аммиака на большинстве отечественных и зарубежных азотнотуковых заводов осуществляется в настоящее время путем синтеза азота и водорода под...
-
Системой ППР предусматриваются следующие виды ремонтных работ: техническое обслуживание, текущий малый, средний и капитальный ремонты. Техническое...
-
Вопросы по теме Выбор способа получения заготовки и последовательность построения технологического процесса. Исходные данные, необходимые при...
-
Абсорбция триоксида серы. - Производство серной кислоты
Последней стадией процесса производства серной кислоты контактным способом является абсорбция триоксида серы из газовой смеси и превращение его в серную...
-
Контактное окисление SO2 в SO3 - Производство серной кислоты
Контактное окисление диоксида серы является типичным примером гетерогенного окислительного экзотермического катализа. Это один из наиболее изученных...
-
Химическая схема процесса, Сжигание серы. - Производство серной кислоты
Сжигание серы. При получении обжигового газа путем сжигания серы отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать лишь осушку...
-
Введение. - Контроль параметров процесса получения полиэтилена
Благодаря своим свойствам в промышленности, полиэтилен используется для изготовления пленки и листов, для изоляции кабеля, также из него производят...
-
Технологический процесс цеха Цех жести предназначен для производства жести с электролитическим покрытием оловом, ленточной стали, листов и рулонов...
-
В настоящее время первичным звеном сложных производственных систем крупных предприятий является поточное производство - форма организации производства,...
-
Литье при низком давлении - Общие аспекты и технология производства пластических масс
Одной из разновидностей литья под давлением термопластичных материалов является т. н. литье при низком давлении (low-pressure injection molding). Литье...
-
Формование листовых термопластов является чрезвычайно важным процессом для производства трехмерных изделий из поливинилхлорида. Схема этого процесса...
-
Технологический процесс производства хлеба - Технологический процесс производства хлеба
Испокон веков выпекание хлеба требовало от пекаря особого мастерства, терпеливости и старания. Невзирая на бурное развитие передовых приемов переработки,...
-
Наковальня Бриджмена - Метод интенсвиной пластической деформации кручением под высоким давлением
Профессор Гарвардского университета Перси Уильямс Бриджмен (1882-1961) в свое время был известным специалистом в области физики и техники высокого...
-
На винодельческих заводах, расположенных в районах выращивания винограда. Полученные на заводах первичного виноделия шампанские виноматериалы не...
-
После описания звеньев системы определяем ее передаточную функцию, которая представляет собой произведение всех ПФ звеньев: (2.10) Подставляем в...
-
Пластическая деформация издревле считалась эффективным методом диспергирования структуры. Одним из них является обработка металла давлением, (а именно...
-
Разработка технологических процессов - Технологическая подготовка машиностроительного производства
Для служб ТПП исходным документом является приказ руководителя предприятия, в котором определяется поэтапное выполнение мероприятий по технологической...
-
Стадии и описание биотехнологического процесса производства йогурта резервуарным способом Производство кисломолочных продуктов резервуарным способом...
-
Технологическая схема зависит от вида и характера, вида и качества исходных материалов, от уровня развития техники (рис.1.). Рисунок 1- Технологическая...
-
В процессе формования компаунд в виде порошка, чешуек или гранул помещают в пресс-форму и подвергают воздействию температуры и давления, в результате...
-
Паровые машины высокого давления - Паровые машины
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого...
-
В данном разделе курсовой работы будет рассмотрен технологический процесс производства профилей из поливинилхлорида экструзионным методом. Он является...
-
Производство стали - Разработка технологического процесса изготовления детали "зубчатое колесо"
Сущность процесса Основными материалами для производства стали являются передельный чугун и стальной лом (скрап). Содержание углерода и примесей в стали...
-
Работа в качестве дублера зав. производством - Организация процесса обслуживания в кафе "Верона"
В соответствии с ОСТом 28-195 к зав. производством предъявляются следующие требования: Заведующий производством (начальник цеха) должен иметь высшее или...
-
Как было отмечено, процесс окисления протекает многостадийно, поэтому некоторыми авторами [4, 7-11] кислотное число принимается за основной показатель,...
-
Агрегат электролитического лужения (линия лужения) АЭЛ-1200/III предназначен для нанесения на поверхность стальной холоднокатаной полосы олова...
-
Области применения абсорбционных процессов - Абсорбер для очистки газов от диоксида углерода
Некоторые из этих областей указаны ниже: 1. Получение готового продукта путем поглощения газа жидкостью. Примерами могут служить: абсорбция SO3 в...
Модернизация процесса производства Азотной кислоты. - Автоматический контроль параметров производства азотной кислоты под высоким давлением