Контрольная работа: Производство азотной кислоты
—получение разбавленной кислоты с последующим концентрированием ее в случае необходимости и
—непосредственное получение концентрированной кислоты.
Наиболее распространен первый способ, что связано с использованием в народном хозяйстве как концентрированной, так и разбавленной кислоты. Методы различаются физико-химическими закономерностями протекающих процессов и технологическими схемами. Однако независимо от схемы, синтез азотной кислоты из аммиака описывается общей химической схемой:
Первая стадия процесса (конверсия аммиака) одинакова как для получения разбавленной, так и для получения концентрированной кислоты, вторая стадия (переработка нитрозных газов) отличается рядом особенностей. Решающее значение при выборе параметров той или иной технологической схемы имеет выбор оптимального давления на каждой из стадий процесса. В производстве азотной кислоты повышение давления существенно интенсифицирует химические реакции на всех стадиях процесса, способствует эффективности теплообмена, позволяет использовать более совершенные массообменные устройства, уменьшает размеры аппаратуры и коммуникаций и, в конечном итоге, позволяет снизить капитальные расходы.
В то же время повышение давления оказывает и негативное влияние на экономические показатели работы агрегата. К ним относятся: ускорение побочных реакций на стадии окисления аммиака, снижение степени конверсии, потери катализатора вследствие его уноса потоком газа и необходимость частой замены его, что связано с остановкой производства.
Технико-экономический анализ показывает, что применение единого (повышенного) давления на всех стадиях производства целесообразно лишь в том случае, когда мощность установки не превышает 600—800 т/сутки. Установки большей мощности экономически выгодно создавать только с использованием разных давлений на стадии конверсии аммиака и стадии переработки нитрозных газов.
4. Физико-химические основы синтеза азотной кислоты из аммиака
4.1. Окисление аммиака до оксида азота (II)
При окислении аммиака кислородом воздуха на катализаторе возможно протекание следующих реакций:
4NH3 + 502 = 4NO + 6Н2 0 - ΔН ΔН=907,3 кДж (1)
4NH3 + 402 = 2N2 0 + 6Н2 0 - ΔН ΔН = 1104,9 кДж (2)
4NH3 + 302 = 2N2 + 6Н2 0 - ΔН ΔН = 1269,1 кДж (3)
а также реакция с участием образующегося оксида азота (II):
4NH3 + 6NO = 5N2 + 6H2 0-ΔН ΔН = 110кДж (4)
Все реакции практически необратимы, поэтому направление процесса окисления определяется соотношением скоростей реакций 1—4. Из трех основных реакций окисления аммиака (1 — 3) реакция 3 термодинамически наиболее вероятна, так как протекает с максимальным выделением тепла. Поэтому, в отсутствии катализатора окисление аммиака идет преимущественно до элементарного азота. Для ускорения целевой реакции окисления до оксида азота (II) применяют селективно действующие катализаторы, В современных установках используют платиновые катализаторы в виде пакета сеток из сплава платины с 7,5% родия, или двухступенчатые катализаторы в виде слоя таблетированной смеси оксидов железа (III) и хрома (III). Введение родия повышает механическую прочность и уменьшает потери платины за счет ее уноса током газа. Поверхность подобных катализаторов достигает 1,5 м2 /м3 объема.
Механизм гетерогенного каталитического окисления аммиака состоит из следующих последовательных стадий:
—диффузия молекул аммиака и кислорода из газовой фазы к поверхности катализатора;
—активированная адсорбция молекул кислорода на поверхности катализатора с образованием промежуточного соединения;
—хемосорбция молекул аммиака и образование комплекса;
—разложение комплекса с регенерацией катализатора и образованием молекул оксида азота (II) и воды;
—диффузия продуктов реакции с поверхности катализатора в газовую фазу.
Определяющей стадией всего процесса окисления является скорость диффузии кислорода к поверхности катализатора. Следовательно, каталитическое окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает преимущественно в диффузионной области, в отличие от окисления на окисном катализаторе, которое идет в кинетической области.
Платиновые катализаторы весьма чувствительны к каталитическим ядам, содержащимся в аммиаке и воздухе, образующим аммиачно-воздушную смесь (АмВС). Фосфористый водород вызывает его необратимое, а ацетилен, сероводород и органические соединения серы обратимое отравление. Так как вследствие этого активность катализатора снижается, его периодически регенерируют промывкой соляной или азотной кислотой.
В процессе работы поверхность катализатора разрушается и частицы его уносятся с потоком газа. Эррозия катализатора тем больше, чем выше температура, давление и объемная скорость газа, проходящего через катализатор. Для систем, работающих под высоким давлением, унос катализатора составляет 0,3—0,4 г на 1 тонну азотной кислоты.
В присутствии платиновых катализаторов селективность процесса окисления аммиака до оксида азота (II):
(5)