Производство концентрированной азотной кислоты концентрированием ее серной кислотой

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное агентство  по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования 

«Алтайский государственный  технический университет 

им. И. И. Ползунова»

 

Факультет:  Пищевых и химических производств

Кафедра:     Технологии неорганических веществ

 

                     Работа   защищена с оценкой  ________

                                           Преподаватель                                       М.П. Чернов  

     ^{(подпись)                             (и.о. фамилия)}

"_____"_____________2013  г.

                                                   

 

Реферат

по  Химической технологии неорганических веществ

Тема: Производство концентрированной азотной  кислоты концентрированием ее серной кислотой.

 

Р 240301. 03. 000

^{обозначение документа}

 

 

 

 

 

 

Студент группы   

                                                                                                                                                                                ^{и.о. фамилия}

Преподаватель      доцент, к.т.н.                                                  М.П. Чернов 

                                   должность, учёное звание                                                          и.о. фамилия

 

 

 

БАРНАУЛ  2010

          Содержание

Введение

1. Методы производства азотной кислоты………………………….4

2. Контактное окисление аммиака……………………………...........7

1. Механизм процесса окисления аммиака……………………..7
2. Катализаторы………………………………………………….…...8
3. Физико-химические основы процесса окисления аммиака…..9

2.4.   Потери, отравление и регенерация катализаторов……………...11

3. Окисление и переработка окиси азота в азотную кислоту……13

3.1.   Окисление NO в NO₂ ……………………………………………..13

3.2.   Абсорбция NO₂ водой и получение азотной кислоты………….16

4. Системы производства разбавленной азотной кислоты………19

4.1.   Системы, работающие при атмосферном давлении……………….19

4.2.   Щелочная абсорбция нитрозных газов………………………….22

5. Концентрирование разбавленной азотной кислоты…………...22

6. Концентрирование отработанной серной кислоты…………….28

7. Другие методы производства концентрированной

азотной кислоты……………………………………………………….29

Заключение……………………………………………………………..30

 

 

 

Введение.

 

По  объему производства азотная кислота  занимает второе место после серной кислоты. Основными потребителями азотной кислоты и ее солей (нитратов) являются сельское хозяйство, производство синтетических красителей и взрывчатых веществ.

Сельское  хозяйство потребляет соли азотной  кислоты в качестве удобрений главным образом в виде нитрата аммония — аммиачной селитры, получаемой путем нейтрализации азотной кислоты аммиаком. В некоторых странах Западной Европы к аммиачной селитре перед ее гранулированием добавляют молотый известняк и выпускают так называемую известково-аммиачную селитру.

Азотная кислота используется также в  производстве комплексных (сложных) удобрений, изготовляемых путем разложения природных фосфатов азотной кислотой. При введении солей калия в продукты азотнокислотного разложения фосфатного сырья получаются тройные удобрения, содержащие азот, фосфор и калий и называемые нитрофоской.

При получении удобрительных туков  потребляется разбавленная азотная кислота, содержащая от 45 до 60% HNO₃.

В производстве взрывчатых веществ нитрованием  толуола, уротропина, ксилола, нафталина и других органических продуктов применяют концентрированную азотную кислоту (96— 98%-ную HNO_S). Для нитрования употребляют смеси азотной кислоты с концентрированной серной кислотой, которая связывает воду, выделяющуюся в процессе нитрования и замедляющую эту  реакцию.

В качестве взрывчатых веществ применяются  также аммониты — смеси аммиачной селитры с нитропроизводными ароматических соединений и некоторыми другими веществами.

Путем нитрования бензола, антрацена и  других ароматических соединений получают полупродукты для производства синтетических красителей и ряда важных химикатов.

Большие количества азотной кислоты потребляются также в процессе получения серной кислоты нитрозным методом. В последнее время окислы азота и азотная кислота нашли применение в качестве окислительных компонентов ракетного топлива.

 

 Химическая  и принципиальная схемы производства аммиака

    Аммиак получают прямым синтезом  из составляющих его элементарных  веществ, для этого смесь азота  и водорода в соотношении N2:Н2 = 1:3 (азотоводородная смесь) пропускают через катализатор. Реакция синтеза аммиака

                                                              N2 + 3H2    3NH3 + Q.                 (6.1)

     На  первых этапах промышленного  производства аммиака азотоводородную смесь готовили путем смешения получаемых отдельно азота и водорода. В последние годы азотоводородную смесь получают из углеродосодержащих газов и атмосферного воздуха. Таким образом, процесс синтеза аммиака состоит из двух стадий: приготовления азотоводородной смеси и непосредственно синтеза аммиака.

     Основным  сырьем в нашей стране для  получения азотоводородной смеси  является природный газ, содержащий 90…98 % метана. Процесс состоит в  такой обработке смеси природного  газа, воздуха и водяного пара, в результате которой происходит конверсия (взаимодействие) метана с водяным паром (пароводяная конверсия)

               СН4 + Н2О      3H2 + CO – Q,             (6.2)

и конверсия  метана кислородом воздуха (кислородная  конверсия)

     CH4 + 1/2O2    2H2 + CO + Q.             (6.3)

    При  взаимодействии образовавшейся  газовой смеси с парами воды  происходит конверсия окиси углерода

         СО + Н2О      H2 + CO2 + Q.             (6.4)

      При этом процесс ведут так,  чтобы в конечной газовой смеси соотношение между азотом, поступающим с воздухом, и образующимся водородом составляло 1 : 3. После удаления из газовой смеси двуокиси углерода получают азотоводородную смесь, из которой в присутствии катализатора образуется аммиак.

      Таким образом, химическую схему производства аммиака можно представить уравнениями (6.2) – (6.4) и (6.1).

      Промышленные способы производства  аммиака различаются в зависимости  от рабочего давления каталитической  реакции синтеза (6.1):

      1) системы низкого давления (10…15 МПа);

      2) системы среднего давления (25…60 МПа);

      3) системы высокого давления (60…100 МПа).

      В большинстве случаев процесс  осуществляют в установках, работающих  при среднем давлении; при этом обеспечивается достаточно высокая скорость процесса синтеза аммиака и удачно решается аппаратурное оформление процесса выделения аммиака.

     Принципиальная  схема производства аммиака, осуществляемого  при среднем давлении, включает  семь основных операций (рис. 6.1).

     Природный  газ очищают от сернистых соединений, поскольку они отравляют катализаторы и замедляют реакции, составляющие химическую схему производства. К очищенному газу добавляют водяной пар, после чего парогазовую смесь направляют на конверсию метана 2.

                            

Рис. 6.1. Принципиальная схема производства аммиака                  

  1 – очистка природного газа  от сернистых соединений; 2, 3 –  конверсия

  метана (первая и вторая ступени); 4 – конверсия окиси углерода; 5 – очистка конвертированного газа; 6 – синтез аммиака; 7 – выделение аммиака

 

Здесь процесс конверсии [реакция (6.2)] протекает  частично; достаточно полно эта реакция  осуществляется на второй стадии 3, куда поступает реакционная смесь с добавляемым к ней воздухом (рис. 6.1).

     Часть метана взаимодействует с кислородом воздуха [реакция (6.3)]; при этом выделяющееся тепло обеспечивает необходимый температурный режим на второй стадии 3. Кроме того, с воздухом вводится азот, необходимый для получения азотоводородной смеси.

     После конверсии метана к реакционной смеси добавляют водяной пар и направляют ее в конвертор окиси углерода 4 [реакция (6.4)]. Полученный конвертированный газ содержит значительное количество примесей, снижающих активность катализатора синтеза аммиака, поэтому газ подвергают специальной очистке, стадия 5.

Полученную  азотоводородную смесь направляют в реактор синтеза аммиака 6. Степень  превращения азота на катализаторе с образованием NН3 составляет всего лишь 15…20 %, поэтому после выделения аммиака (стадия 7) непрореагировавшую азотоводородную смесь возвращают в процесс.

  Физико-химические основы производства

    Конверсия метана водяным паром.  Конверсию метана проводят при  атмосферном или повышенном давлении  с применением катализатора (каталитическая  конверсия метана) или без него (высокотемпературная конверсия метана). Наиболее широкое распространение получил первый способ.

    Для наиболее полного использования  сырья (остаточное содержание CH4 в азотоводородной смеси не должно превышать 0,5 %) процесс конверсии метана по реакции (6.2) желательно вести с наибольшей степенью превращения, определяемой условиями равновесия

 

                         *   *

      Кр=     pCO pH 2

                      *    *          (6.5)

                 pCH4 pH 2O

      lgK p = − A T + B .            (6.6)

 

    Из приведенных уравнений видно,  что сдвиг равновесия в сторону  получения целевого продукта ( р  Н 2 ), соответствующий увеличению равновесной и, следовательно, фактической степени превращения может быть достигнут в результате повышения концентрации одного или обоих исходных реагентов, снижения давления и увеличения температуры, поскольку при этом возрастает величина Kp (так как перед А/Т отрицательный знак).

На  практике повышают качество только паров  воды – относительно дешевого продукта. При этом содержание воды характеризуется коэффициентом m = рН 2О / рСН 4 .

      В настоящее время процесс  ведут в присутствии катализатора, который обеспечивает достаточно  высокую скорость реакции при температуре 800…900 °С. Для увеличения скорости реакции повышают также давление процесса, несмотря на то, что в этих условиях несколько возрастает равновесное содержание СН4 в реакционной смеси [реакция (6.2) сопровождается увеличением объема газа]. Однако с увеличением давления повышается концентрация реагирующих веществ, причем увеличение скорости реакции значительно опережает ее снижение от увеличения объема. Кроме того, поскольку природный газ поступает под давлением (1…2 МПа), достигается значительная экономия энергии, так как для осуществления синтеза аммиака азотоводородную смесь подвергают сжатию.

      В качестве катализатора синтеза  аммиака применяют никель, нанесенный  на окись алюминия или на  окись магния.

      Конверсия метана кислородом [реакция  (6.3)] протекает одновременно со  второй стадией процесса (рис.6.1, операция 3). Эта реакция протекает с большой скоростью.

      Конверсия окиси углерода. После  конверсии метана [реакции (6.2) и  (6.3)] полученная газовая смесь  содержит 20…40 % окиси углерода. Для  превращения окиси углерода в  двуокись углерода и получения дополнительного количества водорода конвертированный газ вместе с водяным паром пропускают через катализатор, в присутствии которого осуществляется конверсия окиси углерода [реакция (6.4)]. Условия равновесия этой реакции определяются уравнениями:

             *    *

Кр=    pCO2 pH2

              *   * ; (6.7)

pCO pH2O

lgK p = A T + B .                    (6.8)

    Сдвиг равновесия в сторону  образования водорода (целевого  продукта) и увеличение его выхода  может быть достигнуто повышением концентрации исходных реагентов и снижением температуры (при уменьшении температуры отношение А/Т увеличивается и, следовательно, возрастает Kр).

    Давление не влияет на условия  равновесия, поскольку реакция (6.4) протекает без изменения объема.

    В практических условиях увеличивают концентрацию паров воды как относительно дешевого продукта.

При этом содержание воды будет определяться коэффициентом n = pH 2 O pCO .

     Процесс  конверсии СО осуществляют в  присутствии железо-хромового или цинк-хромовомедного катализатора; последний позволяет проводить процесс при сравнительно низкой температуре (250…300 °С) и достижении остаточного содержания СО в пределах 0,2…0,4 %. Однако низкотемпературный катализатор чрезвычайно чувствителен к серосодержащим примесям, поэтому при работе на таком катализаторе особенно большие требования предъявляют к степени очистки газа.

     Очистка  природного и конвертированного  газов. Углеводородные газы (природный, попутные нефтяные), а также промышленные газы нефтепереработки, газификации твердых и жидких топлив, конвертированный и коксовый газы содержат вредные примеси, способные отравлять катализаторы, вызывать коррозию и загрязнять аппаратуру.