Задание 2. Производство азотной кислоты.

Азотная кислота является важнейшим многотоннажным продуктом химической промышленности. Она занимает второе место по объему производства после серной кислоты.

Азотная кислота широко применяется для производства удобрений, синтетических красителей, взрывчатых веществ, нитролаков, пластических масс и т.д.

Производство азотной кислоты складывается из трех стадий:

- конверсия аммиака с целью получения оксида азота (II)

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O (1) – основная реакция.

Процесс окисления аммиака является сложным, поэтому помимо основной протекают побочные реакции:

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6 H₂O (2) - побочная реакция.

Для увеличения скорости протекания основной реакции применяют селективные катализаторы. Наиболее селективным и активным для данной реакции оказался платиновый катализатор. Во избежание образования взрывоопасных смесей и для подавления побочных реакций процесс проводят в избытке кислорода.

- окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV):

NO + 0,5O₂ = NO₂ (3)

Простая, экзотермическая, обратимая, гомогенная реакция.

Для увеличения выхода и скорости процесс проводят при низких температурах- 10-50⁰С.

7

- абсорбция оксидов азота водой:

3NO₂ + H₂O =2HNO₃ + NO (4)

Отходящие из колонны газы содержат небольшое количество оксидов азота и направляются на очистку в реактор каталитического восстановления:

4NO + CH₄ = 2N₂ + CO₂ + 2H₂O (5)

Исходные данные для расчета.

Показатель	Вариант
	1	2	3	4	5	6	7	8
Содержание NH3 в АВС, % объемн.	9,8	10	10,2	9,80	9,85	9,90	9,87	9,83
Степень превращения NH3 в NO, %	96,2	97	95	97,2	96,5	98	97,5	96
Степень переработки нитрозных газов в азотную кислоту,%	99,5	99	100	99	99,5	99,3	99	99,2
Концентрация HNO3,% (по массе)	59,6	58	56	56,5	57	58	57	56
Базис расчета, кг HNO3 в продукте	4800	5500	3000	-	-	-	2500	-
Базис расчета, кг NH3 в исходном сырье	-	-	-	1500	700	1000	-	1800

Методические рекомендации по выполнению расчета.

Структурную блок-схему следует представить в виде 3 блоков: получение аммиачно-воздушной смеси (АВС), окисление аммиака, абсорбция нитрозных газов.

Так как состав газов задается в объемных процентах, содержание компонентов газовых смесей удобно выражать количеством киломолей,

По блоку смешения составляют балансовые уравнения по аммиаку, кислороду и азоту, учитывая содержание аммиака в АВС.

По блоку окисления аммиака составляют балансовые уравнения по компонентам: NO, O₂, N₂, H₂O с учетом соответствующих степеней превращения и коэффициентов реакций (1) и (2).

8

Оксид азота (II) рассчитывают по уравнению (1) с учетом степени превращения аммиака. Азот в потоке после контактного аппарата рассчитывают как сумму азота, поступающего в систему с воздухом и азота, образовавшегося по реакции (2). Кислород в потоке после контактного аппарата составляет разницу между кислородом, введенным в систему с воздухом, и кислородом, затраченным по реакциям (1) и (2).

Вода образуется по реакциям (1) и (2), причем, в обеих реакциях коэффициенты при NH₃ и H₂O одинаковы. Поэтому количество воды можно рассчитать по любой реакции без учета коэффициента превращения аммиака в оксид азота (II).

Для упрощения расчета считаем, что в блоке 3 одновременно идут процессы окисления NO и абсорбция, т.е. в блок З поступают воздух и вода.

2NO + 1,5O₂ + H₂O = 2HNO₃ (6)

По блоку абсорбции составляют уравнения по азотной кислоте, воде и выхлопным газам.

При составлении баланса по воде следует учитывать, что вода, поступающая в блок абсорбции ( из контактного аппарата + из окружающей среды) тратится на реакцию (6) и выходит с раствором азотной кислоты.

Выхлопные газы, выходящие из системы, будут содержать азот, который рассчитывают как сумму азота, выходящего из контактного аппарата и азота, поступающего в блок абсорбции с воздухом; и из оксида азота (II), с учетом степени абсорбции.