Взам. инв. №
Подпись и дата
Инв. № подл.
								……………………… - ПЗ.0	Лист
Изм.	Кол.	Лист	№док	Подпись	Дата

Реферат

Расчетно-пояснительная записка включает страниц, литературных источников, 3 приложения, таблицы.

Ключевые слова: азотная кислота, нитрозные газы, каталитическое окисление, абсорбция, аммиак.

Цель работы: спроектировать и произвести экономическую оценку производства азотной кислоты методом каталитического окисления аммиака.

В процессе проектирования проанализирована современная периодическая и потентная литература, сделан выбор наиболее рациональной технологии производства азотной кислоты. В расчетно-технологической части выбрана и описана технологическая схема производства, сырьё и требования к нему, произведён расчет материального баланса и определены расходные коэффициенты по сырью и вспомогательным материалам. Выполнены тепловой и механический расчеты основного аппарата, количества основного и вспомогательного оборудования. Разработаны мероприятия по охране труда, техники безопасности производства. Проведена автоматизация технологического процесса. Выполнено технико-экономическое обоснование и сделано заключение об экологической целесообразности проекта.

Введение

Азотная кислота по объёму производства занимает среди других кислот второе место после серной. Всё возрастающий объём производства азотной кислоты объясняется огромным значением азотной кислоты и её солей для народного хозяйства.

Основное количество товарной азотной кислоты расходуется в производстве азотнокислых солей (нитратов) и сложных минеральных удобрений. Необходимо отметить, что нитратный азот хорошо усваивается растениями и даёт больной эффект при использовании в сельском хозяйстве. Значительное количество азотной кислоты поступает на производство технических нитратов. Азотная кислота и её жидкая четырёхокись азота используется как окислители в ракетной технике.

Концентрированная азотная кислота применяется в производстве взрывчатых веществ – тротила C₆H₂CH₃(NO₂)₃ , гексогена (CH₂NNO₂)₃ , ксилила C₆H (CH₃)₂( NO₂)₃,

тетрила (C₆H₂(NO₂)₃ NNO₂CH₃ и ТЭНа C(CH₂ONO₂)₄ , нитроглицерина C₃H₃(ONO₂)₃ и других.

В качестве взрывчатых веществ находят так же применение аммониты – смеси аммиачной селитры с нитропроизводными ароматических соединений.

Значительное количество концентрированной азотной кислоты применяется для получения нитропроизводных бензола, нафталина и других соединений ароматического ряда, используемых в качестве полипродуктов в производстве синтетических красителей, а также в фармацевтической промышленности.

Азотная кислота применяется для получения азокрасителей. Азотная кислота и окислы азота используются для окисления двуокиси серы в производстве серной кислоты по нитрозному способу. Двуокись азота находит применение для стерилизации семян перед внесением в почву.

Аналитическая часть

Историческая справка о методах

получения азотной кислоты.

Азотная кислота и главным образом её природная соль – натриевая селитра известны с давних времён. В 778 году арабский учёный Джабир ибн—Хайян описал способ приготовления «крепкой водки» (так называлась тогда азотная кислота) путём перегонки селитры с квасцами.

В России первые прописи по производству азотной кислоты из селитры были составлены при Петре 1. Гениальный русский учёный М. В. Ломоносов впервые в нашей стране провёл тщательные исследования условий получения азотной кислоты из селитры и в 1763 году описал их в своих трудах.

До начала 20 века природная селитра была единственным источником получения азотной кислоты. Этот процесс основан на следующей реакции:

NaNO₃ + H₂SO₄ =HNO₃ + NaHSO₄

Проведение реакций с меньшим количеством серной кислоты до образования сернокислого натрия вместо кислот сернокислой соли в данном случае нежелательно, так как вследствие высокой температуры плавления сернокислого натрия наблюдаются большие потери азотной кислоты.

Природную селитру разлагали серной кислотой. Выделяющуюся азотную кислоту конденсировали и собирали в стеклянные баллоны.

При применении 95-97% серной кислоты и 96% селитры получали конденсированную азотную кислоту (до 96-98%). Газообразные продукты разложения пропускали через ряд баллонов с водой или известковым молоком для поглощения окислов азота. После отгонки азотной кислоты кислый сернокислый натрий выводили в растворённом состоянии. Усовершенствованный вариант этого метода получения азотной кислоты состоял в том, что разложение селитры серной кислотой производилось в вакууме (остаточное давление до 650 мм вод. ст. При этом температура разложения селитры снижалась до 80-160 ˚С; продолжительность отгонки кислоты сокращалась до 6 часов и достигался выход азотной кислоты, близкий к теоретическому. Расход топлива составлял около 120 кг/ азотной кислоты. Такой способ получения азотной кислоты, целиком зависящий от импорта чилийской селитры, был оставлен после разработки и осуществления метода производства азотной кислоты контактным окислением аммиака.

В начале 15 века была решена исключительно важная проблема связывания атмосферного азота, что дало человечеству новый неисчерпаемый источник сырья для производства азотосодержащих соединений.

В 1814 году В. Н. Каразин внёс предложение о « использования электричества с верхних слоёв атмосферы для производства селитры.

Первый патент на способ получения азотной кислоты при помощи электрического разряда в воздухе и превращении окислов азота в нитриты и нитраты был получен Лефебром в 1859 году.

В результате строительства гидроэлектростанций большой мощности и выработки дешёвого электричества появились реальные предпосылки для разработки процесса фиксации атмосферного азота с целью его промышленного использования.

В 1901 году было положено начало фиксации азота в воздухе в пламени электрической дуги (дуговой метод).

В 1902 году в США сооружен по фиксации азота с помощью электрической дуги, возникающей при пропускании между электродами тока силой 0,75 А и напряжением 8000В в печи. Из-за несовершенства конструкции печи и большого расхода электрознергии завод был закрыт в 1904 г.

В 1906 году в заводском масштабе осуществлен циамидный метод связывания атмосферного азота. Циамид кальция представляет собой хорошее удобрения. Раннее циамид использовался для получения аммиака.

Наконец в 1913 году на основе многочисленных работ был освоен промышленный метод синтеза аммиака из простых веществ, который получил широкое развитие и в настоящее время занял главное место в производстве связанного азота.. Вскоре после этого удалось решить проблему получения азотной кислоты из аммиака.

Таким образом, за сравнительно короткий промежуток времени были разработаны два метода получения азотной кислоты: дуговой метод прямого окисления атмосферного азота в окись азота и далее в азотную кислоту и метод контактного окисления аммиака, по которому азот в начале связывается с водородом, а затем полученный аммиак окисляется до окиси азота с одновременным окислением водорода в воду.

В начале 20 века коксокислическая промышленность вырабатывала свыше 120 тыс. тонн аммиака в год. С развитием металлургической промышленности обьем производства аммиака непрерывно увеличивается.

В дальнейшем с увеличением производства циамида кальция появилась возможность получеия из него аммиака. Однако лишь после осуществления наиболее дешевого способа получения аммиака прямым синтезом из простых веществ встал вопрос о получении азотной кислоты из аммиака.

В 1800 году Франкруа, пропуская аммиак с воздухом через раскаленную железную трубку, выделил окислы азота.

В 1839 году французский ученый Кюльман получил окислы азота контактным окислением аммиака на губчатой пластине. При охлаждении образовавшихся окислов азота из них была получена азотистая и азотная кислоты. Кюльман первый правильно оценил значения метода получения азотной кислоты контактным окислением аммиака и роль катализатора в осуществлении этого процесса.

В России И.И. Андреев, независимо от других исследователей , изучал возможность получения азотной кислоты контактным окислением аммиака и разработал этот технологический процесс. За исключительно короткий промежуток времени он исследовал весь процесс получения азотной кислоты из аммиака сначала в лабораторных , а затем в полузаводских условиях и определил зависимость выхода азота на платине от скорости газа , температуры и состава аммиачно-воздушной смеси.

В результате многочисленных и обширных исследований в дальнейшем удалось значительно усовершенствовать вопрос производства азотной кислоты.

К большим достижениям в этой области следует отнести применение повышенных давлений , создание малых по объему, но мощных агрегатов , применение искусственного охлаждения в абсорбционном определении производства азотной кислоты, использования воздуха , обогащенного кислородом , позволившее повысить скорость всех процессов производства азотной кислоты. Разработан также метод получения азотной кислоты повышенной концентрации непосредственно из окислов азота.

Производство азотной кислоты контактным окислением аммиака, осуществленное впервые в промышленных условиях В. Оствальдом и И.И. Андреевым, явилось большим достижением в развитии химической промышленности.

Способ получения азотной кислоты из аммиака оказался более рентабельным , чем прямое взаимодействие атмосферного азота с кислородом.

Описанные методы получения азотной кислоты в настоящее время не нашли промышленного применения , так как они экономически невыгодны, сложны в конструктивном и экологическом оформлении процесса. В современных методах производства используются аммиак и кислород воздуха. Состоят они из двух основных стадий:

1. Окисление аммиака кислородом в присутствии катализатора;

2. Абсорбция окислов азота водой и получение слабой азотной кислоты.

1.3 Выбор и обоснование метода производства.

Химизм процесса.

Ранее применявшиеся методы получения азотной кислоты, основанные на разложении натриевой селитры серной кислоты, а также на фиксации азота воздуха дуговым методом, были оставлены как экономически невыгодные.

Современные методы производства азотной кислоты основаны на применении синтетического аммиака и воздуха.

Многолетние поиски новых промышленных методов пока не дали результатов, позволяющих осуществить их реализацию в промышленных масштабах. По этим методам получаются окислы азота сравнительно низкой концентрации.

В настоящее время единственным промышленным способом получения азотной кислоты является контактное окисление аммиака кислородом воздуха. Этот способ состоит из:

а) конверсии газообразного аммиака в окись азота кислородом воздуха в присутствии катализатора;

б) окисление полученной окиси азота избытком кислорода в высшие окислы азота и абсорбция их водой с образованием азотной кислоты;

Промышленные системы производства различаются по давлению, при котором осуществляются основные стадии процесса. В зависимости от применяемого давления, их можно условно подразделить на следующие группы:

- системы, работающие при атмосферном давлении;

- системы, работающие при повышенном давлении;

- системы, работающие комбинированным способом ( конверсия аммиака идет при атмосферном давлении; а абсорбция окислов азота - под повышенном давлением от 3,5 до 4 атм.)

Наиболее выгодной оказалась система производства, работающая под атмосферным давлением. Она проще аппаратурному оформлению, ей легче управлять и содержание ее в рабочем состоянии обходится дешевле. Кроме того, сравнительно низки расходы аммиака, катализатора, охлаждающей воды и электроэнергии.

К недостаткам относятся большие капитальные затраты из-за расходования значительного количества специальных сталей и получения азотной кислоты пониженной концентрации( не более 50 процентов).

Повышение давления в процессе производства существенно интенсифицирует все

химические реакции, способствует эффективности теплообмена, позволяет использовать совершенную аппаратуру, сокращает объем коммуникаций и аппаратуры. Применение повышенного давления было вызвано необходимостью увеличить скорость окисления окиси азота и образования кислоты (образуется кислота от 6 до 8 % крепче, чем в системах, работающих при атмосферном давлении). В этом отношении преимущества высокого давления бесспорно. Они имеют недостатки: большой расход электроэнергии, более низкая степень конверсии аммиака, меньший срок службы и повышенные потери катализатора, а следовательно и большая себестоимость продукции.

При достигнутом, в настоящее время уровня техники, стоимости сырья и катализатора большинство современных систем получения слабой азотной кислоты проектируют по комбинированному способу. Особенность способа в оригинальном устройстве абсорбционной колонны, которая отвечает повышению требования степени окисления окислов азота, и за счет газа и растворов дает максимально допустимую концентрацию от 70 до 71 %, с выходом по абсорбции от 99 до 99,5 %.

В таких системах достигаются высокая степень конверсии и меньшие потери катализатора, чем в системах, работающих при повышенном давлении. К недостаткам комбинированных систем следует отнести увеличенные размеры контактных аппаратов, большие количества агрегатов, чем в системах, работающих при повышенном давлении.

Проанализировав все вышеуказанные методы получения слабой азотной кислоты выбираем метод, работающий при атмосферном давлении как наиболее безопасный , экономически выгодный. С технологической стороны он наиболее простой, используется небольшое количество аппаратов в процессе оборудование по конструкции несложное и легко обслуживается.

1.3.1. Химизм процесса получения слабой азотной кислоты.

1.3.1.1. Химизм процесса окисления аммиака.

Контактное окисление аммиака в зависимости от условий проведения процесса и применяемого катализатора протекает по следующим параллельным реакциям

4NH₃ +5O₂ = 4NO + 6H₂O + 907,3 кДж

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O + 1104,9 кДж

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O + 1269,1 кДж

Кроме того, могут протекать и побочные реакции, идущие без участия катализатора

2NH₃ = N₂ + 3H₂ – 21960 кал

2NO = N₂ + O₂ + 43140 кал

4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O + 431600 кал

Разложение на азот и водород может происходить при высокой температуре на пути подвода АВС к контактному аппарату и катализатору, а разложение окиси азота на азот и кислород возможно после прохождения катализатора и на выходе из контактного аппарата. В конечном итоге реакции могут быть выражены суммарным уравнением:

6NH₃ + 8NO = 7N₂ + 6H₂O + 3H₂ + O₂

В отсутствии катализаторов окисление аммиака идет в основном с образованием азота по реакции(4). Для производства азотной кислоты необходимо более полное окисление аммиака по реакции (2), поэтому применяют катализаторы , избирательно ускоряющие процесс. Для производственных условий требуется дешевый катализатор,

стойкий к ядовитым примесям, находящийся в контактируемых ладах.

Катализатор должен обеспечивать высокий выход окиси азота, сохранять длительное время активность и легко ее восстанавливать. Таким требованиям в большей мере отвечает платина и ее сплавы с металлами платиновой группы. Благодаря сетчатой форме создается большая поверхность катализатора в аппарате при относительно малом расходе платины.

Наибольшее распространение для систем, работающих при атмосферном давлении, получили катализаторы состава 92,5 % Pt, плюс 4% Pd плюс 3,5% Rh, согласно ГОСТ 3193-59. Окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает при высоких температурах от 750 до 900 ˚С и позволяет получать от 95 до 96 % окиси азота по реакции (2) .

Окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает при высоких температурах от 750 — до 900 °С и позволяет получать от 95 до 96 % окиси азота по реакции (2). Скорость окисления аммиака на платиновых катализаторах составляет 2 10^-4 сек. Оптимальными условиями окисления аммиака при атмосферном давлении являются температура 820°С Катализатор платино –родиево – палладиевой сетки с толщиной проволоки 0, 092 мм и числом ячеек 1024 на 1 см², отношение молярных концентраций кислорода и аммиака от 1,7 до 1,9 , полное отсутствие вредных примесей в АВС, время контактирования 2 10^-4 сек.

1.3.1.2 Химизм процесса окисления окиси азота в двуокись (1)

Реакция окисления окиси азота выглядит так:

2NO + O₂ = 2NO₂ + 26,92 ккал. (9)

Она обратима, самой медленной из всех реакций , которые протекают при переработке нитрозных газов и поэтому она определяет общую скорость процесса. Окисление окиси азота идет с уменьшением объема. Исходя из этого, при повышении давления равновесие будет сдвигаться в сторону образования двуокиси азота. До температуры 150 °С реакция окисления практически полностью протекает в сторону образования двуокиси азота, при более высокой температуре равновесие сдвигается в левую сторону и в горячих нитрозных газах, входящих из контактного аппарата при температуре от 750 до 900°С, двуокись азота отсутствует. Чтобы получить двуокись азота, необходимую для образования азотной кислоты, нитрозные газы приходится охлаждать до температуры не более 150°С. Скорость окисления окиси азота зависит также от концентрации реагирующих компонентов. Чем выше концентрация окиси азота и кислорода в газе, тем больше скорость реакции (1)

Итак: скорость данного процесса зависит от температуры, давления и концентрации компонентов.