Технологія виробництва азотної кислоти (стр. 1 из 5)
Вступ
Розділ 1 Загальна характеристика хімічної промисловості
Розділ 2 Технологія азотної кислоти
2.1 Фізико-хімічні основи процесу
2.2 Технологічна схема виробництва азотної кислоти
Розділ 3 Практична частина
3.1 Розрахунок матеріального балансу
3.2 Теплові розрахунки хімічного реактора
Розділ 4 Оцінка екологічності виробництва
Висновок
Список літератури
Вступ
Хімічний комплекс охоплює галузі промисловості, що виробляють сировину й конструкційні матеріали. Найважливішою галуззю в цьому комплексі є виробництво з неорганічних та органічних речовин різних хімічних сполук для інших промисловостей. Сировинна бази хімічної промисловості диференціюється залежно від природних та економічним особливостей окремих країн та регіонів. В одних районах – це вугілля, коксовий газ, в інших - нафта, сумішні нафтові гази, солі, сірчаний колчедан, газові відходи чорної та кольорової металургії, у третіх - кухонна сіль тощо. Сировинний фактор впливає на спеціалізацію окремих територіальних поєднань хімічних виробництв. Хімічне виробництво в міру вдосконалення технологічних методів може, в свою чергу, впливати на сировинну базу.
Розвиток хімічної промисловості потребує все більшого акцентування уваги на розробці та впровадженні високоефективних енерго- та ресурсозберігаючих, а також екологічно чистих технологій.
Мета роботи – охарактеризувати основні технологічні процеси виробництва азотної кислоти та наслідки для навколишнього середовища.
Основні завдання роботи:
1) Дати загальну характеристику хімічної промисловості;
2) Провести аналіз фізико-хімічних основ виробництва азотної кислоти;
3) Провести розрахунок матеріального балансу процесів.
Розділ 1 Загальна характеристика хімічної промисловості
Хімічна промисловість пов'язана з багатьма галузями. Вона комбінується з нафтопереробною, коксуванням вугілля, чорною та кольоровою металургією, лісовою промисловістю. Завдяки складній системі зв'язків утворюються такі або інші поєднання виробництв, зяких формуються міжгалузеві комплекси. До таких комплексів належить і хіміко-лісовий. В одних випадках роль хімічної промисловості у цих комплексах провідна, в інших вона не має формуючого значення, лише доповнюючи усталену систему зв'язків. Проте загалом хімічну промисловість слід розглядати як головну галузь, що визначає склад і напрям розвитку комплексу. Здебільшого лісова промисловість розглядається у цьому комплексі як постачальник деревини для хімічної промисловості. Хімічна промисловість має дуже складну галузеву структуру, що охоплює близько 200 взаємопов'язаних виробництв з великою номенклатурою продукції. Ці виробництва об'єднані у три великі групи: неорганічна або основна хімія, хімія органічного синтезу та гірничо-хімічна промисловість.
Неорганічна хімія переважно виробляє напівфабрикати, що використовуються в інших галузях промисловості. Виняток становлять мінеральні добрива, які виробляє певна галузь.
До органічної хімії відносяться виробництва вуглеводної сировини, органічних напівфабрикатів, синтетичних матеріалів. Основною сировиною для хімії органічного синтезу є вуглеводні нафти, природний та попутний газ. Використовуються також вуглеводні сполуки, що одержуються з вугілля.
Гірничо-хімічна промисловість утворює сировинну базу передусім для неорганічної хімії.
Розглянемо деякі хімічні галузі окремих країн світу. Хімічна промисловість розташована передусім у розвинутих країнах. Лише у США виробляється понад чверть, а в шістьох найрозвинутіших країнах - понад 3/4 хімічної продукції світу.
Закономірність розвитку хімічної промисловості у США пояснюється наявністю на їх території чималої кількості практично усіх видів хімічної сировини: нафти, газу, солей, фосфоритів тощо. Інші розвинуті країни значно залежать від імпорту хімічної сировини.
Розвинені країни мають потужну багатогалузеву хімічну промисловість. Навпаки, у невеликих країнах розвинута переважно одна галузь. Наприклад, у Швейцарії - фармацевтична, у Нідерландах - гумовотехнічна промисловість.
Основна хімія як галузь обіймає кислотну, содову промисловість та виробництво мінеральних добрив. Родовища природної сірки розташовані переважно в США, Канаді, Мексиці, Італії, і пластмасові вироби), Запоріжжі (кремній-органічні сполуки, синтетичні смоли), Дніпродзержинську (полівініл, полістирол), а також Калуші, Одесі, Києві, Фастові, що виробляють хімічну продукцію і стали центрами переробки синтетичних смол на пластмасові, плівкові та інші вироби.
Промисловість хімічних волокон. Найбільші підприємства розміщені у Чернігові, Києві (Дарницький шовковий комбінат), Черкасах.
Розділ 2 Технологія азотної кислоти
2.1 Фізико-хімічні основи процесу
Виробництво розведеної азотної кислоти з аміаку складається з наступних стадій:
1) контактне окисення аміаку до оксиду азоту (ІІ):
4NH3 + 5О2 → 4NO + 6Н2О, ∆Н = - 907 кДж (а)
2) окислення NОдо NO2:
2NO+O2↔2NO2, ∆Н = -112кДж(б)
3) абсорбція діоксиду азоту водой з утворенням розбавленої азотной кислоти:
3NO2 + H2O ↔ 2HNO3 + NO, ∆Н = — 136 кДж(в)
Оксидазоту, щовиділяєтьсяприцьому, (ІІ) окислюєтьсядодіоксидуізновуабсорбується.
Контактне окислення аміаку.
При окисленні аміаку крім основної реакції (а) можуть протікати й інші процеси:
4NH3 + 4О2 → 2N2O + 6Н2О ∆Н = -1105 кДж (г)
4NH3 + 3О2 → 2N2 + 6Н2О, ∆Н = -1270 кДж (д)
4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O, ∆Н = -1810 кДж(е)
які приводять до непродуктивної витрати аміаку.
Рівновага реакцій окислювання аміаку (а), (г), (д) в умовах виробництва повністю зміщена вправо. Обчислені для реакцій (а) і (д) константи рівноваги при 750 °С мають значно малі значення:
Отже, перетворення аміаку в кінцеві продукти при 750 °С може досягати майже 100%. Загальна швидкість процесу визначається співвідношенням швидкостей реакцій (а) - (е). Під час відсутності каталізатора найбільш швидкої є реакція окислювання до елементного азоту. Природно, що в азотнокислотному виробництві процес окислення проводять на каталізаторах, які мають властивість вибіркової дії, тобто на таких каталізаторах, які різко прискорюють реакцію одержання NO в порівнянні з іншими реакціями окислювання аміаку.
В азотнокислотній промисловості в основному застосовують платинові каталізатори. Процес окислювання аміаку на платиновому каталізаторі відноситься до числа найбільш швидких каталітичних реакцій, відомих у даний час. У виробничих умовах практично повне окислювання аміаку досягається за (1-2) 10-4 с.
Швидкість каталітичного окислювання аміаку.
Швидкість процесу окислювання залежить від технологічного режиму процесу і конструкції контактного апарату. На високоактивних платиноїдних каталізаторах процес протікає в дифузійній області. На менш активних (оксидних) каталізаторах при знижених температурах окислювання аміаку визначається швидкістю каталітичних актів, тобто протікає в кінетичній області.
Підвищення температури сприяє збільшенню не тільки швидкості хімічної реакції, але і коефіцієнта дифузії аміаку в суміші. Тому підвищення температури - ефективний засіб збільшення швидкості процесу окислювання, що протікає як у кінетичної, так і в дифузійній області. Однак підвищення температури каталізу вище ~850°С знижує вихід NO і підвищує вихід елементного азоту (мал. 1) за рахунок реакції (д), а також термічної дисоціації NH3 і інших шкідливих побічних реакцій. На платиновому каталізаторі підтримують температуру від 800°С при атмосферному тиску і до 900 °С при підвищеному тиску, при якому час контакту сильно зменшуються і побічні реакції практично не встигають протікати. На низькоактивних неплатинових оксидних каталізаторах час зіткнення необхідно збільшувати в десятки разів у порівнянні з платиновим. Оптимальна температура знижується до 700-750 °С.
Підвищення тиску прискорює процес окислювання NН3, тому що збільшуються концентрації реагуючих компонентів у реакційному обсязі, зменшується обсяг газової суміші.
Однак при підвищеному тиску істотно зростає віднесення дрібних часточок платини з газами, що здорожує товарну кислоту, оскільки платина має високу вартість, а процес уловлювання мікроскопічних часточок платини з нітрозних газів після контактного апарата досить складний і не забезпечує повного усунення втрат платини. При підвищенні тиску необхідно збільшувати товщину стінок апаратури, у результаті чого зростає її вартість. Тому застосовують надлишковий тиск 0,2-1 МПа.
Рис. 1. Залежність ступеняперетворення аміакувід температури (τ= =const, каталізатор Pt—Pd—Rh)
Рис. 2. Залежність виходу оксиду азоту від відношення концентрацій кисню й аміаку
Склад газової суміші впливає на температурний режим і загальну швидкість процесу, особливо якщо лімітує не дифузія, а хімічна реакція між NH3 і О2. По рівнянню реакції (а) на 1 моль NH3 витрачається 1,25 моль О2, однак при такому співвідношенні компонентів вихід оксиду азоту (ІІ) не перевищує 65%, тобто дуже малий (мал. 2). Для збільшення ступеня окислювання аміаку на практиці застосовують співвідношення O2:NH3=1,8-2,0, що відповідає вмісту аміаку в аміачно-повітряній суміші 9,5-10,5 (об. частки в %). Варто враховувати, що при звичайній температурі суміш аміаку з повітрям вибухонебезпечна в інтервалі 16-27% NH3. При підвищенні температури межавибуховості розширюються.