1. Стислі теоретичні відомості

Окиснення аміаку є першою стадією виробництва нітратної (азотної) кислоти і може здійснюватися до різного ступеня окиснення азоту:

; (6.1)

; (6.2)

(6.3)

Значення констант рівноваги при 1073÷1173 К (800 ÷ 900 °С) свідчать про те, що реакції (6.1 ÷ 6.3) практично незворотні, при цьому найповнішим може бути перетворення аміаку до елементарного азоту.

Склад кінцевих продуктів визначається співвідношенням швидкостей реакцій (6.1 ÷ 6.3). У газовому об’ємі без каталізатора швидкість реакції окиснення аміаку до оксиду азоту (ІІ) є найменшою. Тому для проведення цільової реакції (6.1) необхідне використання каталізатора селективної дії. Як каталізатор для цього процесу використовують переважно сплав платини з родієм або з родієм і паладієм у вигляді пласких сіток, розташованих одна над одною. На платино-родієвому каталізаторі за температури 1173 К (900 °С) вихід оксиду азоту (П) досягає 95 ÷ 98%. Оптимальний час контакту на платиновому каталізаторі знаходиться у межах 0,00006 ÷ 0,0001 с. Процес окиснення відбувається в області зовнішньої дифузії і його швидкість лімітується дифузією аміаку до поверхні каталізатора. Рівняння швидкості процесу W (кмоль/год) в області зовнішньої дифузії для системи газ тверде:

, (6.4)

де коефіцієнт масовіддачі, м/год;Срушійна сила процесурізниця концентрацій аміаку у потоці і на поверхні каталізатора, кмоль/м³; Fповерхня контактуповерхня платинових сіток, м².

Враховуючи практичну незворотність реакції (6.1), із збільшенням температури вихід оксиду азоту (ІІ) збільшується. Оптимальна температура для платинового каталізатора перебуває у межах 1073 ÷1173 К (800 ÷ 900°С). За більш високих температур виникає термічна дисоціація аміаку:

, (6.5)

що зменшує вихід оксиду азоту (II), до того ж збільшуються втрати платини.

Для повного окиснення 1 моль (або 1 м³)NH₃доNOза стехіометрією реакції (6.1) необхідно 1,25 моль (або 1,25 м³)O₂. З врахуванням об’ємної частки кисню (21%) у повітрі загальний об’єм аміачно-повітряної суміші (АПС): 1 м³(NH₃)+м³(повітря)=6,95 м³:

Таким чином, об’ємна частка аміаку в аміачно-повітряній суміші, %:

.

Зона вибуховості аміаку в аміачно-повітряній суміші (АПС) знаходиться в межах 14 ÷ 27%. Тому практично використовують об’ємну частку аміаку в АПС 9 ÷ 11%, що відповідає співвідношенню .

Таким чином, каталітичне окиснення аміаку є прикладом швидкого, практично незворотного складного гетерогенного каталітичного процесу, реалізація якого залежить від селективних властивостей каталізатора, температури, співвідношення компонентів у вихідній суміші.

2. Експериментальна частина

   1. Опис схеми установки

Повітря компресором подають до маностату (поз. 1) (рисунок 6.1). Витрату повітря регулюють зміною рівня рідини в маностаті за допомогою напірної склянки (поз. 2). Повітря, проходячи капіляр (поз. 4) реометра, потрапляє до змішувача (поз. 5), де змішується з аміаком. Аміак з балона проходить маностат (поз.6), який має напірну склянку (поз. 7), надходить до реометра (поз. 8) з капіляром (поз. 9) і потім до змішувача (поз. 5). Витрату повітря і аміаку визначають за допомогою калібрувальних графіків капілярів (поз. 4, 9) за перепадом рідини у реометрах (поз. 3, 8).

АПС надходить до реактора з платиновою сіткою (поз. 11), де відбувається окиснення аміаку. Підтримання заданої температури здійснюється за допомогою регулятора температури (поз. 13), підключеного до електропечі (поз. 10). Після реактора нітрозний газ (газ, що містить оксид азоту) проходить холодильник (поз. 12), після чого викидається у канал витяжної вентиляції.

Установка обладнана кранами відбору проби для аміачно-повітряної суміші (поз. 14) і нітрозного газу (поз. 15).