Технологія виробництва азотної кислоти (стр. 3 из 5)
В установках такого типу ступінь перетворення аміаку в азотну кислоту досягає 98-99%, а концентрація кислоти - 60-62%. Однак при окисленні аміаку під тиском збільшуються витрати платинового каталізатора. Тому застосовують системи, у яких окислення аміаку проводять при більш низькому тиску (~0,4 МПа), ніж окислення оксиду азоту (до 1,2 МПа).
Сучасні азотнокислі ХТС характеризуються високою потужністю окремої технологічної нитки, що складає 380-400 тис. т/рік. Зазначені системи дозволяють одержати лише розведену азотну кислоту. Для виробництва вибухових речовин, деяких пластичних мас, барвників потрібна концентрована кислота (98%). Азотну кислоту такої концентрації можна одержати або концентруванням розведеної азотної кислоти або прямим синтезом.
Відгоном води з розведеної азотної кислоти можна одержати лише 68%-ний розчин, оскільки саме така концентрація відповідає азеотропній суміші HNO3—Н2О. Тому концентрування проводять із застосуванням водовіднімаючих засобів, таких, наприклад, як 92-94%-на H2SO4. Концентрована сірчана кислота, яка утворює при цьому гідрати, кипить при більш високій температурі, ніж 100%-на HNO3. У якості водозабираючого засобу може використовуватися також нітрат магнію.
В даний час значне застосування знаходить прямий синтез концентрованої азотної кислоти, що протікає за рівнянням реакції
2N2O4 (р) + 2Н2О (р) + О2 (г) ↔ 4HNO3 (р), ∆Н = - 59,5 кДж
Поглинання димера діоксиду здійснюється розведеною азотною кислотою, що містить близько 45% води. Ця операція здійснюється в автоклаві при 90 °С і 5 МПа. В автоклаві виходить так званий нітроолеум HNO3* nNO2, що містить до 25% NO2. Після обдувки диоксиду азоту і виходить 97-98%-на азотна кислота.
Розділ 3 Практична частина
3.1 Розрахунок матеріального балансу
Матеріальний баланс хіміко-технологічного процесу — це математичне вираження закону збереження маси речовини, відповідно до якого маса всіх видів сировини і матеріалів, що надходять на переробку (прихід), дорівнює масі отриманих продуктів і витрат при перебігу хімічних реакцій.
Метою матеріального балансу є визначення витратних коефіцієнтів усіх вихідних реагентів за заданою продуктивністю цільового продукту, а також обчислення складу вихідної суміші і продуктів реакції.
Основою для матеріальних розрахунків будь-якою хіміко-технологічного процесу є рівняння всіх хімічних реакцій (основної та побічних), які перебігають у цьому процесі.
Стадія конверсії аміаку у виробництві азотної кислоти
Для реакції:
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6H2O: ∆Н = 946*103 кДж /кмоль
скласти матеріальний баланс на 40 тонн оксиду (ІІ) азоту за годину.
Вихідні дані для розрахунку: ступінь досягнення рівноваги - 1, тиск - 0,73 МПа, температура газу на виході з реактора, К: Т = 1123 + 2N; вихідні концентрації [молярна частка, %] аміаку - 9 + 0,IN, кисню - 17 + 0,1 N решта – азот.
Розрахувати і критично оцінити початкову температуру газової суміші, якщо процес відбувається адіабатично. Обґрунтувати конструкцію реактора і розрахувати масу каталізатора, якщо його інтенсивність (І)дорівнює 3,84 тони NH3 на добу.
Для реакції:
4NH3 + 5О2 = 4NO + 6H2O:
для заданої кількості 40000 (кг) цільового продукту практичний витратний коефіцієнт (кг) за компонентом А становить
де МА, МD - молярні маси компонентів А і D, г/моль; X- ступінь перетворення за компонентом А (взятим за умови нестачі щодо компонента В); об'єм компонента А (м3) при цьому становить
де рА - густина компонента А, кг/м .
Вихідні маси т° і об'єм V° вcix компонентів реакції дорівнюють.
де ωА0 , NА0- масова і об'ємна частки реагенту А у вихідній суміші відповідно.
Вихідна маса і об'єм реагенту В (аналогічно Dі Е) дорівнюють:
Маса і об'єм продукту D, що утворився у ході реакції, становлять:
І нарешті, кількості А, В, D, Е після перебігу реакції дорівнюють:
Враховуючи вихідні концентрації [молярна частка, %]
аміаку - 9 + 0,1*40 = 13%
кисню - 7 + 0,1 40 = 11%
азоту – 66 %.
Молярні маси компонентів реакції становлять
М (NH3) = 17 г/моль,
М (О2) = 32 г/моль,
М (NO) = 30 г/моль,
М (Н2О) = 18 г/моль.
Р (NH3) = 17 / 22,4 = 0,76;
Р (О2) = 32 / 22,4 = 1,42;
Р (NO) = 30 / 22,4 = 1,34,
P (Н2О) = 18 /22,4 = 0,8.
Тоді V (NH3) = 40000 / 1,34 = 29850,7 м3,
m0NH3 =
V0(NH3) =
V0 =
V0O2 = 268285.8 * 0.21 = 56340 м3
m0O2 = 56340 * 1,42 = 80002,8 кг
V0NO = 268285.8 * 0.66 = 177068.6 м3
m0NO = 177068.6 * 1,34 = 237271.9 кг
Результати розрахунків заносимо до таблиці до статті „Прихід”. Після закінчення реакції у суміші залишається:
mNO = 23367,7 (1 - 0,9) = 2336,77 кг;
VNО = 268285.8 * (1 – 0.9) = 26828.58 м3
Матеріальний баланс перетворення аміаку в оксид азоту (ІІ)
| Компонент | Прихід | Витрати | ||||||
| кг | % мас. | м3 | % об. | кг | % мас. | м3 | % об. | |
| Аміак (NH3) | 23367,7 | 6,85 | 34877,16 | 13 | 2336,77 | 0,68 | 26828,58 | 64.31 |
| Кисень (O2) | 80002,8 | 45,48 | 56340 | 21 | 12703.8 | 32,67 | 8531,64 | 20.44 |
| Оксид азоту (ІІ) NO | 237271,9 | 47,67 | 17706.86 | 66 | 23727.19 | 61,2 | 6366,9 | 15.25 |
| Разом | 340642,4 | 100 | 268285,7 | 100 | 38767,78 | 100 | 41727,12 | 100 |
mO2 = 80002,8 -
VO2 = 56340 – 17706.86 * 0.9 * 3 = 8531.64 м3
mxNO = 237271,9 + 40000 = 277271.9 кг
VNO = 8531,64 / 1,34 = 6366,9 м3
Стадія окиснення оксиду азоту(П) до оксиду азоту(ІV) у виробництві азотної кислоти
Для реакції: 2NO+ О2 ↔ 2ΝО2; ∆Н =-112 * 105 кДж/моль
скласти матеріальний баланс на N тонн оксиду азоту(ІV) за годину.
Ступінь досягнення рівноваги становить 0,97; початкова концентрація [молярна частка, %]: NO- 9 + 0,l*N; O2- 17 + 0,1*N; решта - азот, температура газу на виході з реактора (К): Т = 380 + N.
Розрахувати і критично оцінити початкову температуру газової суміші, якщо процес відбувається адіабатично. Обґрунтувати конструкцію реактора і розрахувати його об'єм, якщо його інтенсивність дорівнює 1000 м3/(м3 год).
Враховуючи вихідні концентрації [молярна частка, %]
аміаку - 9 + 0,1*40 = 13%
кисню - 17 + 0,1 *40 = 21%
азот – 56 %
Молярні маси компонентів реакції становлять
М (NO) = 30 г/моль,
М (О2) = 32 г/моль,
М (NО2) = 46 г/моль.
Р (NO) = 30 / 22,4 = 1,34,
Р (О2) = 32 / 22,4 = 1,42;
P (NО2) = 46 /22,4 = 2.05.
Тоді V (NO) = 40000 / 1,34 = 29850,7 м3,
m0NO =
V0(NO) =
V0 =
V0O2 = 362974.97 * 0.21 = 76224.7 м3
m0O2 =76224.7 * 1,42 = 108239.1 кг
V0NO2 = 362974.97 * 0.56 = 203265,98 м3
m0NO2 = 203265,98 * 2.05 = 416695,25кг
Результати розрахунків заносимо до таблиці до статті „Прихід”. Після закінчення реакції у суміші залишається:
mNO = 63230.2 * (1 - 0,97) = 1896,9 кг;
VNО = 47186.7 * (1 – 0.97) = 1415,6 м3
mO2 = 108239,1 -
VO2 = 76224,7 – 23956,348 * 0.97 = 52987,04м3
mxNO2 = 416695,25 + 40000 = 456695,25 кг
VNО2 = 456695,25 / 2,05 = 222778,0 м3
Матеріальний баланс перетворення оксиду азоту (ІІ) в оксид азоту (ІV)
| Компо-нент | Прихід | Витрати | ||||||
| кг | % мас. | м3 | % об. | кг | % мас. | м3 | % об. | |
| Оксид азоту (ІІ) | 63230,2 | 10,0 | 29850,7 | 9,65 | 6323,02 | 1,15 | 4718,67 | 1,68 |
| Кисень (O2) | 108239.1 | 17,23 | 76224.7 | 24,64 | 12703.8 | 2,3 | 52987,04 | 18,89 |
| Оксид азоту (ІV) NO2 | 456695,25 | 72,7 | 203265,98 | 65,7 | 531105,1 | 96,54 | 222778,0 | 79,43 |
| Разом | 628164,55 | 100 | 309341,38 | 100 | 550131,92 | 100 | 280483,71 | 100 |
3.2 Теплові розрахунки хімічного реактора
За рівнянням проводимо розрахунок ентропії та енергії Гіббса даного процесу.