Контрольная работа: Производство азотной кислоты
Нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, представляют сложную смесь различных оксидов азота (NO2 , N2 O4 , NO, N2 О), элементарного азота, кислорода и паров воды. Их состав зависит от условий окисления, то есть от состояния системы, описываемого реакциями 9-11.
Все оксиды азота, входящие в состав нитрозных газов, нерастворимы в воде, но, за исключением оксида азота (II), взаимодействуют с ней. Поглощение их водой сопровождается химической реакцией хемосорбции, протекающей в системе «газ— жидкость», описываемой уравнениями:
, где ΔН=116 кДж (9)
, где ΔН=59 кДж (10)
и распада нестойкой азотистой кислоты по уравнению:
, где ΔН=76 кДж (11)
Суммируя уравнения 9 и 11 и 10 и 11, получаем итоговые уравнения поглощения оксидов азота водой:
, где ΔН=136 кДж (12)
, где ΔН=101 кДж (13)
Из этих уравнений следует, что при абсорбции из трех моль оксида азота (IV) образуется два моля азотной кислоты и один моль оксида азота (II), который возвращается в цикл и снова окисляется до оксида азота (IV).
Механизм образования азотной кислоты при абсорбции оксида азота (IV) водой, а затем образующейся водной азотной кислотой, заключается в том, что оксид азота (IV) диффундирует через Пограничный слой газа к поверхности жидкости и абсорбируется ею. При этом оксид азота (IV) реагирует с водой (реакция 9) со скоростью, превышающей скорость диффузии и скорость реакции разложения азотистой кислоты (реакция 11).
Образующийся оксид азота (II) выделяется в газовую фазу, где окисляется кислородом до оксида азота (IV).
Скорость процесса абсорбции оксида азота (IV) водой описывается уравнением для гетерогенных процессов:
(14)
где Δр — движущая сила абсорбции,
— парциальное давление NO2 в газовой фазе,
— равновесное давление NO2 у поверхности водногораствора азотной кислоты.
С повышением концентрации кислоты в процессе абсорбции возрастает равновесное давление оксида азота (IV) и снижается движущая сила процесса. Вследствие этого процесс абсорбции замедляется.
Рис. 4.5. Зависимость абсорбционного объема от степени абсорбции.
Состояние системы «NO2 -HNO3 -H2 O» и, следовательно, концентрация получаемой азотной кислоты зависит от температуры, давления, парциального давления оксида азота (IV) в поглощаемой газовой смеси и концентрации образовавшейся кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышения давления степень абсорбции оксида азота (IV) водной азотной кислотой возрастает, при том тем интенсивнее, чем выше концентрация его в нитрозных газах. При атмосферном давлении и температуре 25°С абсорбция оксида азота практически прекращается, когда концентрация кислоты достигнет 0,65 масс. долей (рис. 4.6).
Таким образом, возможность получения азотной кислоты концентрацией более 0,65 масс. дол. объективно ограничена температурой и давлением процесса абсорбции и содержанием оксида азота (IV) в нитрозных газах. В реальных условиях производства при температуре 40о С, давлении 0,1 МПа и понижении содержания оксида азота вследствие его поглощения из газа концентрация получаемой кислоты не превышает 0,5масс. дол. Получение азотной кислоты более высокой концентрации требует иной технологии.
|
|
Рис. 4.6. Зависимость степени абсорбции NO2 от концентрации образующейся кислоты.
Степень абсорбции оксида азота (IV) непосредственно связана с абсорбционным объемом аппаратуры. Повышение степени абсорбции требует, особенно, в конце процесса, значительного увеличения абсорбционного объема. Так, если степень абсорбции, равная 0,92 дол. ед., может быть достигнута при Va б =22 м3 / т кислоты, то для повышения ее до 0,98 дол. единицы, то есть на 6,5% абсорбционный объем должен быть увеличен до 70 м3 /т. (рис. 4.5.). Так как увеличение абсорбционного объема вызывает резкое возрастание капитальных затрат, то экономически более выгодно не добиваться степени абсорбции выше 0,98 дол. ед., а поглощать остатки оксида азота (IV) в отходящих газах щелочными поглотителями с последующим окислением образовавшегося нитрита натрия концентрированной азотной кислотой и возвращением оксида азота (II) в цикл (инверсия оксида азота (II)):
,
.
5. Производство разбавленной азотной кислоты
Принципиальная технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты под атмосферным давлением представлена на рис. 5.1.