4.3. Состав газовой смеси. Оптимальное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси

Для окисления аммиака применяют преимущественно воздух. Расход кислорода на окисление аммиака по реакции (1) с образованием NO

4NH₃+5O₂=4NO+6H₂O (1)

можно рассчитать следующим образом:

по реакции (1) на 1 моль NH₃ приходится 1,25 моля О₂,

тогда содержание NH₃ можно выразить так:

,

где → – количество NH₃ в смеси с воздухом;

100 – общее количество смеси (%).

Однако, это теоретически. Для практических целей используют определенный избыток кислорода, тогда концентрация аммиака будет меньше 14,4% объемных.

Оптимальной концентрацией аммиака в авс является наибольшее его содержание, при котором еще возможен высокий выход NO при соотношении О₂:NH₃<2.

Сказанное можно проиллюстрировать графиком, приведенным для температуры процесса 900 С (рис. 8).

Как видно из рис. 8 резкое уменьшение степени конверсии наблюдается при снижении соотношения О₂:NH₃<1,7, а содержания NH₃ в смеси равном 11,5% об. Если увеличивать соотношение О₂:NH₃, скажем >2, то степень конверсии повышается значительно.

Таким образом, важный момент:

1. С одной стороны, увеличение содержания NH₃ в авс, т.е. уменьшение отношения О₂:NH₃ приводит к снижению степени конверсии аммиака (см. рис.).

2. С другой стороны, с увеличением содержания NH₃ в авс увеличивается температура системы (урав.6), т.к. выделяется больше тепла по реакциям (1-3), и степень конверсии возрастает, что видно из табл. 9.

Таблица 9

Зависимость степени конверсии аммиака от его содержания в авс

(Р=0,65 МПа)

Содержание NH3 в смеси, % об.	Соотношение О2:NH3	Температура конверсии, 0С	Степень Конверсии NH3, %
9,53 10,42 10,50 11,10 11,53	1,98 1,78 1,76 1,67 1,59	743 786 789 828 834	91,88 93,16 93,30 94,21 95,30

Из табл.9 следует, что повышение температуры с 740 С до 830 С при соотношении О₂:NH₃ в пределах 1,6–2 благоприятно влияет на процесс.

При соотношении О₂:NH₃>1,35 лимитирующая стадия процесса –диффузия аммиака.

При соотношении О₂:NH₃<1,35 лимитирующая стадия процесса –диффузия кислорода.

Избыток О₂ необходим для того, чтобы поверхность платины всегда была покрыта кислородом для осуществления процесса окисления по рассматриваемому ранее механизму и исключения образования N₂ и N₂О (при недостатке кислорода). Он должен быть более 30%, т.е. соотношение О₂:NH₃>1,62.

Состав газа будет также зависеть и от протекания второй стадии получения азотной кислоты (окисление NO):

2NO+1,5O₂+H₂O=2HNO_3.

Для ее проведения также необходим избыток кислорода:

• для систем, работающих под давлением – 2,5%;

• для систем, работающих при атмосферном давлении-5%;

Суммарная реакция, определяющая потребность кислорода для получения азотной кислоты, записывается следующим образом:

NH₃+2О₂=HNO₃+H₂O. (7)

По этой реакции (7) можно рассчитать количество аммиака (при отношении О₂:NH₃=2):

.

Если содержание аммиака будет более 9,5%, то в поглотительные башни необходимо дополнительно вводить воздух (т.к. для конверсии нужно 11,5 % об. NH₃, а авс готовят как правило одного состава для всей технологической схемы, то необходимо уменьшить процентное содержание аммиака).

Есть еще одно обстоятельство, по причине которого нежелательно увеличивать концентрацию аммиака выше 9,5 %. В этом случае имеет место снижение концентрации оксидов азота в поглотительных башнях, за счет введения дополнительного кислорода (т.е. идет разбавление NO). Таким образом, 9,5 % об – оптимальное содержание аммиака для всех стадий получения разбавленной азотной кислоты.

Можно вместо воздуха применять для окисления кислород. Тогда, в соответствии с суммарной реакцией (7), необходимо повысить концентрацию аммиака до 33,3 % об. Однако, здесь вступает в силу техника безопасности, поскольку смесь с такой концентрацией аммиака становится взрывоопасной (табл.10).

Таблица 10