Азотная кислота

Исходные данные

Содержание NH3 в аммиачно-воздушной смеси, % ( по объему)

________________________________9,5

Степень превращения NH3 в NO, % (остальной аммиак окисляется до азота)

________________________________95

Степень переработки нитрозных газов в HNO3, %

________________________________98

Концентрация HNO3, % (по массе)

________________________________56

Содержание в выхлопных газах, % (по объему):

       Кислорода

_______________________________3,0

       Воды

_______________________________2,5

Базис расчета, кг HNO3 в продукте

______________________________3000

1.     Введение

Азотная кислота – одна из важнейших минеральных кислот. По объему производства в химической промышленности она занимает второе место после серной кислоты. Азотная кислота широко применяется для производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве:

1.1.        около 40% ее расходуется на получение сложных и азотных минеральных удобрений;

1.2.        азотная кислота используется для производства

1.2.1.          синтетических красителей,

1.2.2.          взрывчатых веществ,

1.2.3.          нитролаков,

1.2.4.          пластических масс,

1.2.5.          лекарственных синтетических веществ и др.;

1.3.        железо хорошо растворяется в разбавленной азотной кислоте. Концентрационная азотная кислота образует на поверхности железа тонкий, но плотный слой нерастворимого в концентрированной кислоте оксида, защищающего металл от дальнейшего разъедания. Эта способность железа пассивироваться используется для защиты его от коррозии.

Концентрированную азотную кислоту (особенно с добавлением 10% H2SO4) перевозят обычно в стальных цистернах. Многие органические вещества (в частности животные и растительные ткани) при действии HNO3 разрушаются, а некоторые из них от соприкосновения с очень концентрированной кислотой могут воспламеняться. В лабораторной практике обычно применяется азотная кислота, содержащая около 65% HNO3 (пл. 1,40). В промышленности применяют два сорта азотной кислоты: разбавленную с содержанием 50–60% HNO3 и концентрированную, содержащую 96–98% HNO3.

Раньше, когда не существовало производства синтетического аммиака, азотную кислоту получали действием серной кислоты на чилийскую селитру. Объемы производств были очень небольшими, и кислота использовалась только для производства взрывчатых веществ, красителей и некоторых других химических продуктов.

2.     Исходное сырье

Сырьем для получения азотной кислоты служат аммиак, воздух и вода.

Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнен примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль, смазочное масло (при сжатии поршневым компрессором). Для получения чистого газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах, состоящих из чечевицеобразных элементов, фильтрующим материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно–воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.

Атмосферный воздух, применяемый в производстве азотной кислоты, забирается на территории завода или вблизи его. Этот воздух загрязнен газообразными примесями и пылью. Поэтому он подвергается тщательной очистке во избежание отравления катализатора окисления аммиака. Очистка воздуха осуществляется, как правило, в скруббере, орошаемом водой, затем в двухступенчатом фильтре.

Вода, применяемая для технологических нужд, подвергается специальной подготовке: отстою от механических примесей, фильтрованию и химической очистке от растворенных в ней солей. Для получения реактивной азотной кислоты требуется чистый паровой конденсат, который дополнительно очищают от возможных примесей. [1, стр. 397]

3.     Характеристика целевого продукта

Безводная азотная кислота HNO3 представляет тяжелую бесцветную жидкость, пл. 1,52 (при 15 ºС), дымящую на воздухе. Она замерзает при –41 и кипит при 86 ºС. Кипение кислоты сопровождается частичным разложением:

4HNO3  2H2 + 4NO2 + O2 – 259,7 кДж

Выделяющийся диоксид азота, растворяясь в кислоте, окрашивает ее в желтый или красный (в зависимости от количества NO2) цвет. С водой азотная кислота смешивается в любых соотношениях. Выделение теплоты при разбавлении азотной кислоты водой свидетельствует об образовании гидратов (HNO3H2O, HNO32H2O).

Азотная кислота – сильный окислитель. Металлы, за исключением Pt, Rh, Ir, Au, переводятся концентрированной азотной кислотой в соответствующие оксиды. Если последние растворимы в азотной кислоте, то образуются нитраты. [2, стр. 99]

4.     Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта

4.1.           Химическая концепция метода.

Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

         конверсия аммиака с целью получения оксида азота

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O

         окисление оксида азота до диоксида

2NO + O2  2NO2

         абсорбция оксидов азота водой

4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3

4.1.1.                  Физико-химические основы процесса конверсии аммиака

Окисление аммиака кислородом воздухом без катализатора возможно только до N2.

На катализаторе между аммиаком и кислородом протекают следующие реакции:

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O;                            H = -946              КДж                                                                                    (1)

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O                            H = -1328              КДж                                                                                    (2)

Реакции окисления аммиака сопровождаются значительной убылью свободной энергии, протекают с большой скоростью, практически необратимо. Теплоты, выделяющейся во время реакции, вполне достаточно, чтобы процесс шел автотермично.

Каталитическое окисление аммиака – многостадийный гетерогенно-каталитический процесс, протекающий во внешнедиффузионной области и лимитируемый диффузией аммиака к поверхности катализатора.

Катализаторы, применяемые для окисления аммиака, должны обладать избирательными свойствами, т.е. ускорять только одну реакцию. Наиболее активным и селективным катализатором является платина. Она также имеет низкую температуру зажигания  200 0С, хорошую пластичность, тягучесть. Но ее недостаток – это быстрое разрушение при высоких температурах при воздействии больших скоростных потоков реагентов и катализаторных ядов. Это приводит к потерям дорогостоящего катализатора и выхода оксида азота, что явилось причиной использования сплавов платины с другими металлами. Наибольшее распространение получили следующие катализаторы (ГОСТ 3193-59): Pt + 4%Pd + 3,5% Rh – для работы при атмосферном давлении и Pt + 7,5% Rh – при повышенном давлении. Катализаторы изготавливают в виде сеток. Такая форма удобна в эксплуатации и связана с минимальными затратами металла.

Катализаторы весьма чувствительны к ряду примесей, содержащихся в аммиаке и воздухе, особенно к соединениям фтора и серы. Примеси заметно снижают селективность катализатора. Для поддержания стабильной степени конверсии необходима тщательная очистка аммиачно-воздушной смеси и от механических примесей, особенно от оксидов железа и пыли железного катализатора синтеза аммиака. Срок службы до 14 месяцев при атмосферном давлении и до 9 при повышенном.

Температура оказывает наибольшее влияние на выход оксида азота (II). При повышении температуры выход NO растет, причем существует оптимальная температура (для чистой платины 900 – 920 0С), при которой достигается максимальный выход. Большое значение имеет температура зажигания катализатора, которая зависит в основном от его состава. На платине реакция начинается при 195 0С. Выход достигает значения 96% на чистой платине и 99% на сплавах. Проведение процесса при высоких температурах помимо увеличения выхода монооксида азота имеет и другие преимущества: растет скорость реакции окисления аммиака и уменьшается время контактирования. Но при повышении температуры увеличиваются потери дорогостоящей платины, т.е. ухудшаются экономические показатели процесса.

С ростом давления наблюдается снижение выхода оксида азота (II). Вместе с тем использование высокого давления позволяет повысить производительность агрегата, уменьшить размеры аппаратов. Процесс осуществляется под давлением 0,41 – 0,73 МПа. Основным условием получения высоких выходов NO под давлением являются повышение температуры и времени контактирования (увеличение числа сеток).

При стехиометрическом соотношении кислорода и аммиака O2 : NH3 = 1,25 даже при атмосферном давлении выход оксида азота не превышает 60 – 80%. Кроме того, пришлось бы работать в области взрывоопасных концентраций. При увеличении соотношения O2 : N до 1,7 что соответствует содержанию аммиака в смеси 11,5%, выход NO возрастает. Для получения высокого выхода NO необходим 30%-ный избыток кислорода сверх стехиометрического. Это связано с тем, что поверхность платинового катализатора должна постоянно быть попытка кислородом, иначе уже при 500 0С аммиак начинает разлагаться на азот и кислород.

4.1.2.                  Окисление оксида азота (II).

Реакция окисления

2NO + O2  2NO2;                            H = -124 КДж

обратима, протекает с уменьшением объема и сопровождается выделением тепла. Следовательно, снижение температуры и повышение давления способствует образованию NO2. При температурах до 100 0С равновесие реакции практически полностью сдвинуто в правую сторону.

Окисление диоксида азота – самая медленная стадия получения азотной кислоты. Она сильно зависит от концентрации реагентов, давления  температуры. Применение воздуха, обогащенного кислородом (или чистого кислорода) позволяет получать нитрозные газы с повышенным содержанием оксида азота (II) и увеличить скорость окисления NO в NO2. Реакция окисления NO в NO2 ускоряется при понижении температуры, а с повышением замедляется почти до полного прекращения. Это объясняется тем, окисление NO в NO2 идет через образрвание промежуточного продукта – димера оксида азот (II):

2NO  (NO)2;                                          

2 + (NO)2  2NO2;              

Таким образом, уменьшение скорости окисления оксида азота в диоксид с повышением температуры можно объяснить сильным снижением концентрации димера. Обычно переработку нитрозных газов ведут при температурах 10 – 50 0С, при которых часть диоксида полимеризуются в N24. Итак, нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, содержат NO2, N2O4, NO, N2O, N2, N2O3.

4.1.3.                  Абсорбция диоксида азота.

Все оксиды азота, за исключением NO, реагируют с водой с образованием азотной кислоты. Азотистая кислота является малоустойчивым соединением и распадается на азотную кислоту, оксид азота (II) и воду. Абсорбция протекает по схеме:

2NO2 + H2O  HNO3 + HNO2;                             КДж                                                                                    (3)

3HNO2  HNO3 + 2NO + H2O;                             КДж                                                                                                  (4)

Суммарно взаимодействие NO2 с водой можно представить уравнением реакции:

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO;                             КДж

В пограничном слое газ-жидкость происходит переход NO2 в жидкую фазу. Затем после растворения NO2 происходит химическая реакция (3), которая по сравнению с процессом диффузии протекает относительно быстро. Далее в жидкой фазе происходит сравнительно медленное разложение азотистой кислоты по реакции (4). Образующийся NO частично окисляется кислородом в растворе, но большая часть – в газовой фазе. Медленным процессом, определяющим скорость поглощения оксидов азота, является диффузия их в газовую фазу.

Степень поглощения диоксида азота водными растворами азотной кислоты определяется такими факторами, как температура, давления, концентрация кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышении давления степень превращения диоксида азота растет. При концентрации азотной кислоты выше 65% поглощение почти прекращается. Также степень превращения NO в NO2 зависит от свободного объема, а количество поглощаемых оксидов азота – от поверхности соприкосновения газа с жидкостью. Поэтому одно из основных требований, предъявляемое к абсорбционной аппаратуре, - создание максимального свободного объема при одновременно сильно развитой поверхности поглощения.

4.2.           Обоснование предлагаемой технологии.

Сырьем служит недорогой и легко доступный синтетический аммиак, который при оптимально подобранных параметрах практически весь идет на получение монооксида азота; реакция протекает необратимо и быстро и не требует рециклов. Применение повышенного давления способствует уменьшению размеров аппаратов и увеличению производительности, но при этом увеличивается температура и количество сеток катализатора. Для обеспечения выхода оксида азота более 98% при давлениях 0,41 – 0,71 МПа необходима температура выше 950 0С, зато время контактирования становится менее 1,110-4 с, а скорость газа более 160 л/мин. Вообще, повышение температуры способствует увеличению выхода, но это приводит к большим прямым потерям дорогостоящего катализатора.