Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Задачи и упражнения по химической технологии неорганических веществ. Учебное пособие
.pdf
31
в котёл-утилизатор. Турбина приводит в движение турбокомпрессор, повышающий давление в установке, а тепло, отдаваемое горячим газом, позволяет получить дополнительное количество пара.
Если в качестве восстановителя используется водород, то
протекают следующие химические реакции:
2NO + 2H2 = N2 + 2H2O,
2NO2 + 4H2 = N2 + 4H2O.
Перспективным является использование в качестве восстановителя аммиака:
6NO + 4NH3 = 5N2 + 6H2O,
6NO + 8NH3 = 7N2 + 12H2O.
Присутствие кислорода в нитрозных газах благоприятно, так как:
4NO + 4NH3 + O2 = 4N2+ 6H2O.
При избытке аммиака протекает реакция:
4NH3 +3O2 = 2N2 + 6H2O.
На некоторых заводах применяют очистку купоросным маслом,
то есть серной кислотой, при этом образуется нитрозилсерная
кислота:
2H2SO4 + NO∙NO2 = 2HNSO5 + H2O.
Нитрозилсерная кислота используется в производстве серной
кислоты башенным способом.
На рис. 7 представлена принципиальная технологическая
схема получения неконцентрированной азотной кислоты под
повышенным давлением. Атмосферный воздух через воздухозаборную трубу 1 после соответствующей очистки 2 поступает в
компрессор 3, приводимый в движение газовой турбиной 4. В
компрессоре воздух сжимается до давления 0,73 МПа, нагреваясь при этом до 135 °С, и поступает далее в подогреватель воздуха 5, где его температура поднимается до 250 °С за счёт теплоты выходящих из окислителя 10 нитрозных газов.
32
Рис. 7. Получение азотной кислоты при повышенном давлении:
1 – воздухозаборная
труба;
2 – воздухоочиститель; 3
– газовый компрессор; 4
– газовая турбина; 5
– воздухоподогреватель;
6
– испаритель аммиака; 7
– смеситель с фильтром; 8
– контактный аппарат;
9, 17
– котел
-
утилизатор; 10
– окислитель с фильт
ром;
11
– абсорбционн
ая коло
нна; 12
– отдувочная ко-
лонна;
13
– холодильник
-конденсатор; 14
– подогреватель хвостовых газов; 15
– реактор ката-
литической очистки; 16
– камера сгорания; 18
– выхлопная труба
33
В смесителе 7 воздух смешивается с газообразным аммиаком,
который поступает сюда из испарителя аммиака 6. Образовавшаяся аммиачно-воздушная смесь далее поступает в контактный
аппарат 8, где при температуре около 900 °С на платинородиево-палладиевом катализаторе происходит окисление аммиака до NO. Нитрозные газы, содержащие (9,0 - 9,5) % NO, поступают в котёл-утилизатор 9, в котором происходит охлаждение до необходимой температуры и образование пара. Далее газы поступают в окислитель 10, в котором окисляются до NO
2
.
Охлаждённые в подогревателе воздуха 5, подогревателе хвостовых газов 14 и холодильнике-конденсаторе 13 до температуры
около 45 °С нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 11, орошаемую водой противоточно. Поскольку абсорбция
NO2 водой реакция экзотермическая, абсорбционные тарелки
снабжены змеевиковыми холодильниками, в которых циркулирует охлаждающая вода. Полученная азотная кислота самотёком
поступает в отдувочную колонну 12, где с помощью горячего
воздуха из готовой азотной кислоты происходит отдувка растворённых в ней нитрозных газов, которые подаются затем в абсорбционную колонну. Хвостовые газы, пройдя систему каталитической очистки от оксидов азота восстановлением их аммиаком до элементарного азота, выбрасываются в атмосферу.
Упражнения с технологическими схемами
1. Укажите основные достоинства и недостатки проведения про-
цесса производства азотной кислоты при повышенном давлении.
Напишите уравнения реакций, протекающих в аппарате 8
(рис. 7). Каким образом происходит обезвреживание отходящих
газов? Приведите уравнения реакций.
2. Назовите аппарат, изображенный на рис. 8. Стрелками покажите направление движение жидких и газообразных полупродуктов и продуктов. Каково назначение аппаратов 1, 2 и 4?
Напишите реакции, протекающие в данном аппарате.
34
Рис. 8. Аппарат, применяемый при производстве азотной
кислоты
Задачи для самостоятельного решения
1. Азотную кислоту получают окислением аммиака кислородом
воздуха с последующей переработкой образующихся оксидов
азота. Каталитическое окисление аммиака, описывается уравнением:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 905,8 кДж. (21)
Одновременно с основной реакцией протекают побочные, которые можно выразить суммарным уравнением:
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1266,96 кДж. (22)
Рассчитайте выход NO в результате реакции каталитического
окисления аммиака и полную селективность процесса, если на
окисление подается аммиачно-воздушная смесь, содержащая
398 м
3
NH
3
. Мольное отношение О
2
: NH3 = 1,6:1. В реакционной
смеси, выходящей из реактора содержится 378 м
3
NO и
5,8 м
3
N2.
2. Нитрозный газ, содержащий 7 % (об.) NO, 5 % (об.) O2 и азот,
окисляется на 30 %. Определите состав газа после окисления.
Расчет вести на 1000 м
3
нитрозного газа.
35
3. Рассчитайте расходные коэффициенты и массовый состав воз-
духа (О
2
–21 %, N2 – 79 %) и аммиака для получения аммиачно-
воздушной смеси следующего состава: NН
3
– 17 %, N2 – 11 %,
Н
2
–72 %, в производстве азотной кислоты, если в реакцию всту-
пает 97 % аммиака, выход NО составляет 77 % от теоретически
возможного, а выход готового продукта 17 %. Расчет вести на
1572 кг азотной кислоты
4. Какая масса азотной кислоты с массовой долей 55 % получится из аммиака массой 1 т, если выход продукта окисления в контактном аппарате составляет 98 %, а выход кислоты в поглотительных колоннах 94 %?
5. Определите выход азотной кислоты по отношению к теорети-
чески возможному, если при производстве концентрированной
азотной кислоты (массовая доля HNO3 98 %) на каждую ее тонну расходуется NH3 массой 0,29 т.
6. Определите массу аммиака, необходимую для получения
азотной кислоты с концентрацией 60 % мас. массой 5 т, если выход кислоты составляет 97,2 % от теоретического.
7. Какой объем газовой смеси с объемной долей NH3 0,11 необходим для получения азотной кислоты массой 1 т, если выход
кислоты 95 %?
8. Вычислите состав нитрозного газа, если используется аммиачно-воздушная смесь с объемной долей NH
3
0,10, а выход оксида
азота (II) равен 97 %. Принять, что сухой воздух (0,209 об. O2 и
0,791 об. N2) не имеет примесей.
9. Определите выход азотной кислоты, если на синтез поступило
аммиака массой 568 кг, из которого получено 2,28 м
3
азотной
кислоты с массовой долей HNO
3
62 % (плотность раствора кис-
лоты 1,39 г/см
3
).
36
10. Какую массу и объем азотной кислоты можно получить из
воздуха объемом 1000 м
3
аммиачным способом, если выход ам-
миака составляет 15,8 %, а другие стадии процесса протекают
согласно уравнениям соответствующих реакций? Плотность
кислоты 1200 кг/м
3
.
11. На окисление поступает сухая аммиачно-воздушная смесь,
содержащая 8,5 % (об.) NH3. Степень превращения NH3 в NО составляет 0,98. На сколько градусов повысится температура в результате реакции окисления (21), если теплопотерями пренебречь.
Среднюю теплоемкость аммиачно-воздушной смеси примите неизменной и равной 1,404 кДж/(м
3
К).
12. На окисление поступает сухая аммиачно-воздушная смесь,
содержащая 8,5 % (об.) NH3. Степень превращения NH3 в NO составляет 0,98. На сколько градусов повысится температура в результате реакции окисления, если теплопотерями пренебречь?
13. В реактор окисления аммиака поступает 10000 м3 аммиачновоздушной смеси, содержащей 9 % (об.) аммиака, (остальное –
воздух, состоящий из 0,209 O2 и 0,791 N2 об.). Степень превращения аммиака 0,98, а селективность по оксиду азота (II) 0,95. Определите состав газовой смеси, покидающей реактор. Для решения используйте реакции (21)-(22).
14. Определите состав газовой смеси, покидающей реактор
окисления аммиака, если окисляется 1 т NH
3
, предполагается,
что окисление полное. Следует отметить, что 2 % от всего вступившего в реакции NH3 окисляется только до N2. Аммиачновоздушная смесь с объемной долей аммиака 0,11 (остальное –
воздух, 0,209 об. O2, 0,791 об. N2).
15. В реактор окисления аммиака поступает 500 м3 аммиачновоздушной смеси, с объемной долей аммиака 11 %, остальное –
воздух (0,209 об. O2, 0,791 об. N
2
). Сте-
пень превращения аммиака 0,96. Определите селективность
по оксиду азота (II), если состав газовой смеси, покидающей
37
реактор следующий: 2,2 м
3
NH
3
, 53,4 м
3
O
2
, 50,16 м
3
NO,
353,32 м
3
N2. Для решения используйте реакции (21)-(22).
16. В реактор окисления аммиака подается 900 м3 аммиака в составе аммиачно-воздушной смеси, где его объемная доля составляет 10 % (остальное воздух - 0,209 об. O2, 0,791 об. N
2
). Состав
газовой смеси, покидающей реактор следующий: 1206 м
3
O2,
882 м
3
NO, 7128 м3 N
2
. Определите селективность по оксиду
азота (II), если окисление аммиака полное (степень превращения 100 %).
17. Определите состав газовой смеси, покидающей реактор
окисления аммиака, если на окисление поступает 900 м
3
NH
3
в
составе
аммиачно-воздушной смеси с объемной долей аммиака
0,10 (остальное – воздух, 0,209 об. O2, 0,791 об. N
2
). Сте-
пень превращения аммиака 0,98. 1,5 % от всего вступившего в
реакции NH3 окисляется до N2.
18. Теоретически 17 кг аммиака NH
3
при окислении дают 63 кг
азотной кислоты HNO3. Практически же получено 54 кг кислоты. Определите выход азотной кислоты.
5. ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ
Способы получения серной кислоты:
– термическим разложением железного купороса;
– нитрозный метод;
– контактный метод (в настоящее время этим методом производится более 80 % серной кислоты).
Сырьем для получения оксида серы (IV) являются следующие материалы:
– флотационный колчедан, содержащий пирит
4FeS2 + 11O2 =2Fe2O3 + 8SO2;
– элементарная сера
S + O2 = SO2;
38
– газы, содержащие сероводород (это природные газы, газы коксохимии, газы цветной металлургии)
2Н
2
S + 3O
2
= 2Н2О + 2SO
2
;
– отходящие газы цветной металлургии, содержащие SO2
2Ме + n H2SO4 = Ме2(SO4)n + SO2 + n H2O;
– отработанная серная кислота
2H2SO4 = 2 SO2 + O2 +2H2O.
На рис. 9 представлена технологическая схема производ-
ства серной кислоты из колчедана контактным способом. Схема
включает четыре основные стадии:
1) получение сернистого ангидрида;
2) очистка газа, содержащего сернистый ангидрид от примесей;
3) окисление сернистого ангидрида до серного;
4) абсорбция серного ангидрида.
После абсорбции газ содержит некоторое количество SO2
(0,23 % об.), что значительно превышает ПДК 0,05 % (об.).
В производственной практике широко использовался сульфитбисульфитный метод, суть которого заключается в следующем.
Диоксид серы поглощается раствором сульфит-бисульфита аммония, которые образуются при пропускании газа, содержащего
SO2, через водный раствор аммиака:
SO2 + 2NH3 + H2O = (NH4)2SO3 (сульфит),
(NH4)2SO3 + SO2 + H2O = 2NH4НSO3 (бисульфит).
Из бисульфита (гидросульфита) получают сульфит, который
вновь поглощают SO
2
:
2NH4НSO3 + NH3 + H2O = (NH4)2SO3.
Оксид серы SO3, а также моногидрат H2SO4 растворяется в
воде в любых соотношениях с выделением теплоты. Теплоту
разбавления, выделяющуюся при растворении 1 кмоль H2SO4 в
n кмоль H2O, вычисляют по формуле:
n 74833
Q.
n 1,7983
39
Рис. 9. Схема получения серной кислоты из серного колчедана
контактным способом: 1, 12 – нагнетатели; 2 – печь кипящего слоя; 3 –
котел-утилизатор; 4 – циклон; 5 – сухой электрофильтр; 6 – первая
промывочная башня; 7 – вторая промывочная башня; 8- мокрые электрофильтры; 9 – увлажнительная башня; 10 – сушильная башня;
11 – брызгоуловители; 13 – теплообменник; 14 – контактный аппарат;
15 – ангидридный холодильник (экономайзер); 16 – олеумный абсор-
бер; 17 – моногидратный абсорбер; 18 – оросительные холодильни-
ки;19 – трубчатые холодильники; 20 – сборник кислоты
40
Тепловой эффект разбавления серной кислоты с началь-
ным содержанием n1 кмоль H2O на 1 кмоль H2SO
4
до содержания
n2 кмоль H2O на 1 кмоль H2SO4 определяют о разности тепловых
эффектов разбавления кислоты полученной концентрации (Q
2
) в
исходной концентрации (Q1):
21
21
21
n 74833 n 74833
Q Q .
n 1,7983 n 1,7983
Теплоту смешения двух кислот разной концентрации
определяют по формуле:
2211213см
mQmQ)m(mQQ
,
где Q1 и Q2– теплоты разбавления для исходных кислот;
Q3– для получения кислоты; m1 и m2 – массы 100 %-ной H2SO
4
во
взятых для смешения растворах кислот, кмоль.
Пример 1. К 500 кг 85 %-ной серной кислоты прибавили
30 кг воды. Определите концентрацию получившейся кислоты и
повышение температуры в результате разбавления.
Решение. Концентрация полученной кислоты:
500 0,85
100 80,19 %
500 30
.
Содержание воды в исходной кислоте (в кмоль на 1 кмоль H2SO4):
1
500 0,15 500 0,85
n : 4,17:4,34 0,96.
18 98
Содержание воды в полученной кислоте (в моль H2O на 1 кмоль H2SO4):
500 0,15 30 500 0,85
n : 5,85:4,34 1,34.
2
18 98
Определяем теплоту разбавления до 85 %-ной H2SO4 (кДж/кмоль):
.826044,8
2,7853
71839,6
1,79830,96
748330,96
Q
1
Находим теплоту разбавления до 80,19 %-ной H2SO4 (кДж/кмоль):
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]