«Технологічні основи виробництва азотної кислоти»

Міністерство освіти України
Харківський державний політехнічний Університет

Чернівецький факультет

Контрольна робота

З курсу: «Технологія виробництва та промислова екологія»
Тема: «Технологічні основи виробництва азотної кислоти»

Виконала:
Ст.IV курсу гр.ЧЕ(з)№24А
Онуфрійчук Н.І.

Перевірила:
Герецун Г.М.

Чернівці
2007

План

Вступ.
1.Історія основних методів промислового виробництва азотної кислоти.
2.Стадії проведення синтезу азотної кислоти.
3.Виробництво азотної кислоти.
3.1.Виробництво неконцентрованої (розбавленої) азотної кислоти.
3.2.Виробництво конценрованої азотної кислоти.
4.Зберігання і перевезення азотної кислоти.
5.ГДК шкідливих речовин в приміщеннях при виробництві азотної кислоти.
6.Преспективи розвитку та вдосконалення технології виробництва азотної кислоти.
Література.

Вступ.
Азотна кислота (HNO3 ) є однією з найважливіших мінеральних кислот.Вона відома людству з часів алхімії.Першу письмову згадку про її одержання знаходимо у VIII столітті.
Безводна азотна кислота-це безбарвна важка рідина,приблизно в 1,5 раза важча за воду.ЇЇ густина при температурі 150 С становить 1520кг/м3 .На відкритому повітрі вона димить внаслідок утворення оксидів азоту.Має схильність під дією світла частково розпадатись з утворенням бурої пари діоксиду азоту (NO2),який розчипляється в ній, окрашуючи її від жовтого до червоно-коричневого кольору.
Азотна кислота з підвищенням температури розпадається.Цей процес прискорюється в присутності окислювачів.
З водою HNO3 змішується в будь-яких співвідношеннях.
Замерзає азотна кислота при температурі -470С.
Температура кипіння даної кислоти,яка була встановлена шляхом екстрополяції,так як вона розпадається при нижчих температурах, становить 85,40С.
Водні розчини азотної кислоти схильні до кристалізації.Найнижчу температуру кристалізації має 95% розчин HNO3,яка дорівнює -660С.
Азотна кислота являється сильним окислювачем.При взаємодії з органічними речовинами вона приводить до їх руйнування,а в концентрованому розчині HNO3 вони можуть самозайматись.
За об’ємами виробництва мінеральних кислот азотна кислота займає друге місце.Всезростаючі обсяги її виробництва пояснюються зростаючим попитом на неї,як на один з початкових недорогих продуктів для отримання азотовмістних речовин.
Азотна кислота застосовується для виробництва:
1.мінеральних азотних добрив;
2.нітратів;
3.мінеральних солей,які містять азот;
4.барвників;
5.нітролаків;
6.розчинників;
7.кіноплівки;
8.продуктів органічного синтезу;
9.фармацевтичних препаратів;
10.вибухових речовин.
Як окислювач HNO3 знайшла застосування в ракетобудуванні та в ракетному топливі.
На сучасному етапі промисловістю випускаються слідуючі види азотної кислоти:
1.неконцентрована,з вмістом HNO3 50-60 %;
2.концентрована,з вмістом HNO3 96-98 %;
3.реактивна особливої чистоти,густиною 1430кг/м3 та вмістом HNO3 65%.
Неконцентрована азотна кислота використовується для виробництва азотних добрив та мінеральних азотомістних солей.
Концентровану азотну кислоту застосовують для одержання вибухових речовин, утропіну, ксилолу,нафталіну та інших продуктів органічного синтезу.
Реактивну азотну кислоту особливої чистоти використовують в фармацевтичній промисловості,в наукових дослідах,в ракетобудуванні та як окислювач в ракетному топливі.
Основними світовими виробниками азотної кислоти являються США, Англія, Франція,Німечинна,Італія,Китай,Росія та Україна.На долю цих країн припадає більше ніж 90 % її світового виробництва.
Сучасне зростання виробництва HNO3 відбувається за рахунок технічної модернізації та технологічного оновлення її виробництва на діючих підприємствах та запуску нових підприємств у країнах,що розвиваються.

1.Історія основних методів промислового виробництва азотної кислоти.
Натрієва селітра відома людству з давніх часів.Першою письмовою згадкою про її одержання являються роботи арабського вченого Гебера дотовані 778 роком,в яких описав спосіб приготування «міцної горілки»(так він називав азотну кислоту) шляхом перегонки галуну і селітри.У 1650 році Глаубер запропонував добувати азотну кислоту, дією концентрованої сірчаної кислоти на калієву селітру.Цей процес заснований на слідуючій реакції
KNO3 + H2SO4 = HNO3 +KHSO4
На початку XIX століття азотну кислоту почали добувати в промислових об’ємах із натрієвої селітри, потужні поклади якої було відкрито в Чілі.Цей прцес описується слідуючою реакцією
NaNO3 + H2SO4 = HNO3 + NaHSO4
Цей спосіб був єдиним промисловим способом виробництва HNO3 до 20 років минулого століття.
Вдосконалений варіант цього методу промислового отримання азотної кислоти базувався на тому,що розкладання чілійської селітри сірчаною кислотою проводилось у вакумі (залишковий тиск до 650 мм вод. ст.) в циклічних апаратах.Температура розкладу селітри знаходиться в проміжку від 80 до 160 0С. Тривалість процесу складав 6 годин.Вихід азотної кислоти був близький до теоретичного.Витрати палива для обігріва реактора складала 120кг на 1 т HNO3 .Цей спосіб отримання азотної кислоти цілком залежав від імпорту чілійської селітри і не міг задовольнити зростаючий попит на неї промисловим виробництвом,що превило до відмови від нього.
Найбільшою природною кладовою азоту являється атмосфера.Відомо,що над кожним кілометром земної поверхні в повітрі міститься 8 млн т азоту. Завдання перетворення інертного азоту,який знаходиться в повітрі в хімічно активні азотомісткі речовини (NO,NO2,HNO3 ) було вирішене колективними зусилями багатьох вчених.
Ще в 1781 р. Кевендіш в результаті електричного розряду в повітрі отримав оксиди азоту. У 1814 р. В.Н. Каразін вніс пропозицію про «зведення електрики з верхніх шарів атмосфери для виробництва селітри». Перший патент на спосіб отримання азотної кислоти за допомогою електричного розряду в повітрі і перетворення оксидів азоту на нітрит і в нітрати отримав Лефебр в 1859 р.
У 1901 р. Належало початок фіксації азоту повітря в полум'ї електричної дуги (дуговий метод). У 1902 р. У США споруджений завод по фіксації атмосферного азоту за допомогою електричної дуги, що виникає при пропусканні між електродами струму силою 0,75 а і напругою 8000 в печі конструкції Бредлея і Ловджоя. Із-за недосконалості конструкції печі і великої витрати електроенергії завод був закритий в 1904 р.
Виробництво азотної кислоти дуговим методом цікаво тим, що в нім використовували дешеву початкову сировину - повітря. Апаратурне оформлення процесу довільно нескладне. Проте для його здійснення була потрібна величезна кількість електроенергії, що досягає 70000 квт • ч на 1 т N2 (це відповідає 64 т умовного палива).
Про утворення HNO3 внаслідок окислення NО в NO2 і розчинення його у воді було відомо з давніх часів:
2NO + О2 = 2NO2; (a)
3NO2+ H2О = 2HNO3 + NO, (б)
проте цей процес довгий час не мав промислового значення через ряд технічних і економічних труднощів. Важливо було визначити, який метод добування NO був би більш раціональним - безпосередній синтез його з N2 і О2, повітря, чи окисленням NH3. На той час перший спосіб виявився економічно невигідним. У 1839 р. бу¬ло виявлено, що NH3 при наяв¬ності платини окислюється до HNO3 за рівнянням
NH3 + 2О2 =HNO3+H2O. (в)
На основі цього в 1909 р. в Німеччині було збудовано пер¬ший дослідний завод продуктив¬ністю 1800 кг розбавленої HNO3 на рік. Потім такі заводи були побудовані в Бельгії, Англії та інших країнах Європи. На них використовували NH3, який утворювався при коксуванні вугілля і частково від розкладання ціанаміду кальцію водяною парою. Внаслі¬док недосконалості технології ці заводи виявились нерентабельними.
У 1914 р. російський інженер І. І. Андреєв після докладного вивчення впливу різних факторів на процес окислення NH3 запропонував спосіб виробництва НNО3 з аміачних вод коксових печей. Наприкінці 1916 р. в Юзовці [тепер Донецьк) було споруджено перший азотнокислотний завод, що працював за способом Андреєва. На ньому в 1917 р. працювало вже 14 контактних апаратів. Процес окислення NH3 здійснювався без підігрівання ззовні на платино-іридієвому каталізаторі. Досвід цього заводу відіграв надзвичайно велику роль у розвитку вітчизняної і світової азотнокнслотної промис¬ловості.
Таким чином,азотну кислоту в промислових масштабах виробляли слідуючими методами:
1.взаємодією натрієвої селітри з сірчаною кислотою;
2.дуговий метод;
3.розкладанням ціанаміду кальцію водяною парою;
4.з аміачної води;
5.шляхом окислення синтетичного аміаку киснем повітря.
На сучасному етапі розвитку азотнокислотної промисловості азотну кислоту виробляють виключно окисленням синтетичного аміаку NH3 киснем повітря із застосуванням різноманітних каталізаторів.

2.Стадії проведення синтезу азотної кислоти.
В даний час промислове виробництво азотної кислоти здійснюється на основі контактного окислення синтетичного синтетичного аміаку. Процес складається з двох основних стадій: отримання окислу азоту і переробка її в азотну кислоту.
Стадія окислення аміаку в окисел азоту в загальному вигляді виражається рівнянням
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6Н2О
Стадія окислення окислу азоту у вищі оксиди азоту і переробки їх в азотну кислоту може бути представлена рівняннями

2NO + O2 = 2NO2
3NO2 + Н2О = 2HNO3 + NO

Сумарну реакцію без урахування побічних реакцій, що проходять з утворенням елементарного азоту і інших з'єднань, можна виразити рівнянням
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O +421,2 кдж
Відповідно до послідовності цих стадій розглянемо технологію виробництва азотної кислоти.
Дослідження показують, що при окисленні аміаку на різних каталізаторах і залежно від умов ведення процесу можна отримати окисел азоту, елементарний азот і закис азоту:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O +907,3 кдж
4NH3 + 4O2 = 2N2O + 6H2O +1104,9 кдж
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O +1269,1 кдж
Крім того, можливі і інші побічні реакції, що протікають з утворенням азоту без участі каталізатора. До таких реакцій відносяться розкладання окислу азоту і взаємодія аміаку з окислом азоту. У газах після окислення аміаку може знаходитися аміак, що також не прореагував.
Термодинамічні розрахунки зміни вільній енергії показують, що приведені вище основні реакції можуть йти практично до кінця. Таким чином, при окисленні аміаку як в процесі, що може протікати в декількох напрямах, склад кінцевих продуктів визначатиметься перш за все виборчою здатністю каталізатора. Відповідно підбираючи каталізатор і умови ведення реакції, можна змінити і склад отримуваних продуктів.
При використанні як каталізатор платини вихід окислу азоту в інтервалі температур 700-8500С може досягати 97-98%. Каталізатори з платинових сплавів є якнайкращими для виборчого окислення аміаку в окисел азоту.
Реакція окислення аміаку до окислу азоту йде з незначною зміною об'єму, тому зміна тиску не робить істотного впливу на рівноважний вихід продуктів взаємодії. Великі величини константи рівноваги цієї реакції (1053 при 9000С) свідчать про практичну її безповоротність за промислових умов здійснення процесу.
Платиновим каталізаторам надають сітчасту форму, що дозволяє застосовувати контактні апарати простого типу. Зазвичай катализаторні сітки виготовляють з дроту діаметром 0,05-0,09 мм. для виготовлення сіток застосовуються сплави наступного складу: Pt+4%Pd+3,5%Rh (для контактних апаратів, які працюють при атмосферному тиску) і Pt+7,5%Rh (для конвертерів, що працюють при підвищеному тиску). При окисленні аміаку під атмосферним тиском встановлюють від 2 до 4 сіток (звичайна 3 шт.). У апарати що працюють під тиском 8 ат, закладають від 16 до 18 сіток.
У оптимальних умовах ступінь перетворення аміаку в окисел азоту на одній сітці може досягати 86-90%, на двох сітках 95-97%, на трьох - 98%.
На нових сітках високий ступінь конверсії досягається не відразу, а протягом декількох діб роботи при 6000С. Процес активації сіток при 9000С закінчується через 8-16 годин. Поверхня платинових сіток в процесі експлуатації сильно розпушуються, гладкі блискучі нитки стають губчастими і матовими. В результаті цього сильно розвивається поверхня каталізатора, що приводить до підвищення його активності. З часом розпушування поверхні платинових сіток приводить до їх сильного руйнування і великих втрат платини. Додавання до платини родію і паладію має двояке значення: по-перше, підвищується активність каталізатора, по-друге, зменшуються втрати каталізатора.
У промисловості знайшли застосування комбіновані каталізатори, в яких разом з платиною використовуються та інші, дешевші матеріали. Розроблений Гіапом комбінований двоступінчатий каталізатор складається з сітки потрійного сплаву (перший ступінь) і шару неплатинового каталізатора завтовшки 50-65 мм (другий ступінь). Застосовуючи залізохромовий каталізатор, в другому ступені окислення можна досягти 96%-ного перетворення аміаку на окисел азоту.
Нітрозні гази, отримані контактним окисленням аміаку, містять в основному окисел азоту, з якого при подальшому окисленні виходять вищі оксиди азоту. Протікання яких можна описати наступними рівняннями:
2NO + O2 = 2NO2
NO + NO2 = N2O3
2NO2 = N2O4

З пониженням температури рівновага всіх цих реакцій зміщується управо. При низьких температурах, наявності надлишку кисню і часу достатньому для встановлення рівноваги, можна чекати переходу всіх оксидів азоту в чотириокис N2O4. При недостачі кисню або при несталій рівновазі в нитрозних газах можуть бути присутніми одночасно всі вказані оксиди (NO, N2O3,NO2 і N2O4).
П'ятиокис азоту N2O5 з оксидів за умов окислення не утворюється: закис азоту N2O киснем повітря далі не окислюється.
Оксиди азоту переробляють в неконцентровану азотну кислоту за допомогою їх поглинання з газової фази водою або розбавленою азотною кислотою. Для цього нітрозні гази охолоджують і направляють в поглинювальні башти або колони абсорбції, де відбувається окислення NO і поглинання оксидів азоту, що утворилися. Залежно від умов охолоджування і окислення в газовій фазі можуть бути присутніми різні оксиди азоту, які реагують з водою по реакціях:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2 +27,73 ккал
N2O4 + H2O = HNO3 + HNO2 +14,13 ккал
N2O3 + H2O = 2HNO2 +13,3 ккал
З практичної точки зору не має значення, що реагує з водою - двоокис або чотириокис азоту, оскільки швидкість їх взаємного перетворення дуже велика, а кількість енних з NO2 і N2O4 азотистої і азотної кислот однаково.
Процес отримання азотної кислоти пов'язаний з розчиненням у воді NO2, N2O4 і N2O3. У газовій фазі в результаті взаємодії пари води з оксидами азоту утворюється також незначна кількість азотної і азотистої кислот.
Азотиста кислота малостійка і розкладається з утворенням азотної кислоти і окислу азоту по сумарній реакції
3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O -18ккал
Розрахунки показують, що за звичайних умов рівноважний вміст азотистої кислоти в розбавленій азотній кислоті дуже мало. Швидкість розкладання азотистої кислоти з підвищенням температури різко збільшується, проте і при звичайній температурі швидкість цієї реакції дуже велика.
Сумарні реакції утворення азотної кислоти з урахуванням розкладання азотистої кислоти описуються рівняннями
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO
3N2O3 + H2O = 2HNO3 + 4NO
За літературними даними, при ступені окислення газу менше 50% розчинів азотної кислоти поглинають оксиди азоту у вигляді NO+NO2. При високому ступені окислення газу відбувається поглинання оксидів азоту у вигляді NO2. Враховуючи малу кількість триокиси азоту в газі, зазвичай всі розрахунки проводять виходячи з рівняння реакції.
Розрахунок рівноважного складу оксидів азоту над азотною кислотою показує, що при парціальному тиску двоокису азоту 0.1 ат отримання азотної кислоти, що має концентрацію більше 60% HNO3, практично неможливий. Присутність в газовій фазі окислу азоту зміщує рівновага реакції вліво. Тому у виробничих умовах при атмосферному тиску важко отримати кислоту з концентрацією вище 50%, а при 8 ат - більше 60%.
Головними чинниками, що визначають високу швидкість утворення азотної кислоти, є проведення абсорбції під тиском при знижених температурах із застосуванням багатих за вмістом оксидів азоту нитрозных газів і створення умов для повнішого зіткнення газу з рідиною.

3.Виробництво азотної кислоти.
3.1.Виробництво неконцентрованої (розбавленої) азотної кислоти.
У промисловості HNO3 виробляють за двома технологічними схемами: за першою схемою працюють установки, в яких окислення NH3 і поглинання оксидів азоту водою відбуваються під атмосферним тиском з виходом 50%-ного розчину HNO3; за другою схемою окислен¬ня NH3 і поглинання оксидів азоту водою відбувається при підвищених тисках (3,4-7,8 • 105 Па).
Щоб зменшити втрати платинового каталізатора, HNO3 вироб¬ляють за так званою комбінованою схемою: NH3 окисляється при атмосферному тиску, а оксиди азоту поглинаються при підвищених тисках [(6-8) • 105 Па]. Внаслідок цього поліпшується технологія виробництва і виходить HNO3 підвищеної концентрації.На рис.1 наведено схему добування розбавленої HNO3 під ат¬мосферним тиском. Система має шість абсорбційних, дві «санітарні» і одну окислювальну башти, контактний апарат об'єднаний з котлом-утилізатором.
Очищений газоподібний NH3 втягується вентилятором 3 в патрубок, де зміщується з повітрям. Повітря втягується через скрубер 1, що зрошується водою або розбавленим розчином соди, а для очищен¬ня від механічних домішок фільтрується крізь тканину у фільтрі 2.
Аміак і повітря, змішані у співвідношенні 10-12 об'ємних частин NH3 на 90-88 об'ємних частин повітря, вентилятором 3 подаються в систему. Якщо в системі використовується О2, то його додають до повітря перед очищенням, внаслідок чого вміст NH3 в суміші підви¬щується до 12,5%.
Газову суміш перед контактним апаратом ще раз фільтрують крізь поролітовий або картонний фільтр 4, розміщений у верхній частині контактного апарата 5.
Апарати такої конструкції характерні тим, що нітрозні гази після контактування з температурою 750-8500 С надходять відразу на охолодження в котел-утилізатор 6, в якому утворюється водяна пара з температурою 4500 С під тиском 40 • 105 Па. У котлі-утилізаторі газова суміш охолоджується до 150-1600 С. В холодильниках 7 і 8 нітрозні гази охолоджуються до 400 С. На виході з холодильника 7 утворюється конденсат, в якому міститься 2-3% HNО3.
Внаслідок охолодження нітрозних газів NO швидко окислюється О2 повітря до NО2, в зв'язку з чим температура газів підвищується. Тому їх направляють у холодильник 8, в якому утворюється конден¬сат, що містить 25-30% HNO3.
Після холодильника 8 нітрозні гази з температурою 35-40 0С вентилятором 9 подаються в абсорбційну систему 10 з шести - восьми башт. В останню за ходом газу башту подається вода назустріч руху газів. Кожна башта зрошується кислотою відповідної концентрації. Досягаючи певної концентрації HNO3, кислота передається з башти в башту назустріч руху газу і виводиться з системи. Продукційна кис¬лота виводиться з башти II. Вентилятор нітрозних газів 9 засмоктує в систему повітря, щоб вміст О2 у вихлопних газах підтримувався в межах 5-5,5%.
Концентрація нітрозних газів перед баштою VII зменшується до 0,6-0,8%, що відповідає поглинанню 92-94% оксидів азоту кислот¬ною абсорбційною системою.
Залишки оксидів азоту поглинаються в «санітарних» баштах 12, які зрошуються лужними розчинами: содовим розчином (200-250 г/л Na2CO3) або вапняним молоком (80-100 г/л Са (ОН)2). В них утворюються нітрит-нітратні луги:
Na2CO8 + NO + NO2 = 2NaNO2+ CO2 ;
Na2CO3 + 2NO2 = NaNO2 + NaNO3 + CO2.
Для лужної абсорбції в нітрозних газах необхідне співвідношення NO2 : NO = 1:1. Щоб досягти цього, після кислотних абсорбційних башт (10) встановлюють порожнисту башту 11, в якій NO окислюється в NO2.
У «санітарних» баштах уловлюється 6-7% оксидів азоту від кількості, що надходить на переробку, тому ступінь використання NO зростає приблизно до 98-99%. Гази, що виходять з лужних башт, містять близько 0,1% NO.
Для кращого очищення газів, які викидаються в атмосферу,забруднюючи навколишнє середовище, останнім часом почали застосовувати каталітичне розщеплення оксидів при 600-7000 С. Для цього вихлопні гази змішують з природним газом і суміш спалюють. Метан окислюється завдяки О2 повітря та оксидів азоту, внаслідок чого утворюється Н2 О, CO2 і N2.
На деяких заводах вихлопні гази промивають купоросним маслом, в якому добре розчиняються оксиди азоту, утворюючи нітрозу, яку застосовують у виробництві H2SO4.
Нітрит-нітратні луги, що містять близько 250 г/л NaNO2 і 50 г/л NаNO3, використовують для добування нітрату натрію окисленням нітриту НNО3
3NaNO2 + 2НNО3 = 3NaNO3 +2N0 + H2O.
Гази, що при цьому утворюються, використовують для добування концентрованого NO2, який можна використати у виробництві синте¬тичної НNО3 .
Якщо замість соди використати дешевий продукт — вапняне молоко, в розчині утворюється суміш Са (NO3)2 і Са (NO2)2; нітрит кальцію перетворюється в нітрат кальцію
ЗСа (NO2)2 + 4HNO3 = ЗСа (NO3)2 + 4NO + 2Н2О
Кальцієву селітру застосовують як цінне азотне добриво.
Виробництво розбавленої HNO3 з NH3 є, з одного боку, прикладом комплексного використання сировини, а з другого -прикладом добування цінних речовин з відходів виробництва, внаслідок чого значно здешевлюється виробництво основної продукції і створюються санітарно-гігієнічні умови для праці робітників.
Рис.1. Принципова схема виробництва розбавленої HNO3 під атмосферним тиском:
1-водяний скрубер;2-рукавний фільтр;3-аміачио-повітряний вентилятор;4-картонний фільтр;5-контактний апарат; 6-котел -утилізатор;7-8 -холодильники;9-вентилятор нітрозних газів; 10-башти кислотної аб¬сорбції(I-VI);11-окислювальна башта(VII); 12-башти лужної абсорбціі(VIII,IX);13-кислотні холодильники; 14-насоси для перек-ня кислоти;15-насоси для перекачування лужних розчинів.
Контактні апарати для окислення NH3 мають різну конструкції залежно від тиску, під яким відбувається процес окислення.
Останнім часом почали застосовувати контактні апарати з верхнім введенням газової суміші, схему одного з яких наведено на рис.3. Каталізаторні сітки розміщені в апараті на підпірках і не провисають, внаслідок чого контактування відбувається рівномірніше. Продуктив¬ність такого контактного апарата становить 48-50 т HNO3 на добу.
Схему виробництва розбавленої HNO3 при підвищеному тиску
(7,8-9,8•105Па) подано на рис. 2. Повітря, очищене в фільтрі 14, стискується компресором 13 до потрібного тиску. При цьому газ нагрівається приблизно до 100-130о С.
Стиснуте повітря, пройшовши через газозбірник 12 і теплообмінник 8, нагрівається до 300-3500 С завдяки теплу нітрозних газів і надходить для змішування з NH3 у змішувач 10. Рідкий NH3 зі збірника 1 проходить ваги 3, випарник 4 і через фільтр 7 подається у змішувач 10. Аміачно-повітряна суміш з температурою 280-3500 С через фільтр 9 вводиться згори в контактний апарат 11, де на плати¬новому каталізаторі з 16-18 сіток NH3 окислюється до NO. При цьому в контактному апараті температура підвищується до 9000 С. Нижню частину контактного апарата та з'єднувальну трубу охолоджують водою, яка подається у водяну оболонку (сорочку). Гарячі нітрозні гази проходять через теплообмінник 8, де охолоджуються до 4500 С, і водяний холодильник-конденсатор 5, де охолоджуються до 400 С. При цьому утворюється 50- 60%-ний розчин HNO3, який відво¬дять як готовий продукт, або направляють на дальше концентрування у барботажну адсорбційну колону 6. Нітрозні гази з конденсатора 5 надходять у колону 6, де відбувається дальше окислення і поглинання оксидів азоту.
Рис.2. Схема установки для виробництва HNO3 при підвищеному тиску:
1-збірник рідкого NH2;2-газодувка;3-ваги;4-випарник NH3; 5-холоднльннк-конденсатор;6-поглинальна колона;7-фільтр; 8-теплообмінник;9-керамічний фільтр;10-змішувач;11-контактний апарат; 12-газозбірник;13-компресор; 14-фільтр для повітря.
3.2.Виробництво конценрованої азотної кислоти.
Збільшити концентрацію розбавленої HNO3, добутої за однією з розглянутих схем, звичайною перегонкою неможливо. При перегонці водних розчинів кислоти з вмістом HNO3 менш як 68,4% в ректифікаційній колоні утворюється азеотропна суміш (температура кипіння 121,90 С), що містить 68,4% HNO3 і воду. Якщо переганяти HNO3 концентрацією понад 68,4% HNO3, то в дистиляті утворюватиметься HNO3, вищої концентрації, ніж кипляча рідина, доти, поки концентрація киплячої рідини знизиться до 68,4% HNO3. Щоб утворилась кислота з вмістом HNO3 понад 68,4% , перегонку про¬вадять разом з концентрованою H2SO4, яка утримує воду.
Схему установки для концентрування НNO3 наведено на рис. 3.
Купоросне масло подається на шістнадцяту знизу тарілку ректифікаційної колони 2. Частина розбавленої НNO3 алюмінієвим тру¬бопроводом надходить у колону через випарник 1, який обігрівається водяною парою. Попереднє випаровування навіть частини HNO3 підвищує продуктивність колони і зменшує витрати купоросного масла.
З випарника пара НNO3 надходить на десяту тарілку колони 2, а решта -на тринадцяту. Купоросне масло, перетікаючи з тарілки на тарілку, змішується з розбавленою HNO3.
Для денітрації відпрацьованої H2SO4 в нижню частину колони подається перегріта водяна пара з температурою близько 2500 С, при дії якої НNO3 випаровується з суміші. Пара HNO3, що виходить з колони з температурою 70-850С, конденсується в феросилідовому холодильнику 3. Концентрована 98-99%-на НNO3 містить ще багато розчиненого NO2, який утворився внаслідок розкладання НNO3.Щоб звільнити НNO3 від оксидів азоту,її повертають після холодильника 3 в верхню частину колони 2, де вона проходить через 2-3 тарілки і продувається парою HNO3. Після виходу з колони концентрована HNO3 охолоджується в холодильнику 4 і надходить на склад готової продукції.

Рис.3. Схема установки для концентрування HNO3:
1-випарник;2-ректифікаційна колона;3-холодильник;
4-холодильник HNO3; 5-абсорбційна колона;6-вентилятор.
Відпрацьовану H2SO4 , з вмістом H2SO4 до 65% направляють на концентрування.
Концентрування HNO3, дистиляцією її у суміші з концентрованою H2SO4 , -громіздкий і дорогий процес. Кращим методом добування концентрованої HNO3 Є прямий її синтез, який має значні технічні й економічні переваги перед перегонкою суміші HNO3 і H2SO4. Він здійснюється в спеціальних автоклавах під тиском до 50 • 106 Па внаслідок взаємодії рідкого димеру NO2, з водою (розбавленою HNO3 при наявності газоподібного О2 і температурі 70-800 С за рівнян¬ням (2N2O4 +2H2O +O2 = 4HNO3 +59,5 кДж ).
Для зміщення рівноваги реакції в бік утворення концентрованої HNO3 треба підвищити тиск і взяти надлишок NO2.
При прямому синтезі концентрованої HNO3 використовують рідкий димер NO2. Для добування його з нітрозних газів треба скон¬денсувати водяну пару, яка є в газовій суміші, окислити NO до NO2 і виділити його з газової суміші у рідкому стані.
Як видно з рівняння (2N2O4 +2H2O +O2 = 4HNO3 +59,5 кДж ), для утворення 98%-ної HNO3 на 1 г-моль NO2. потрібно 0,5 г-моль Н2 О. З рівняння (4HN3 + 5O2=4NO +6 H2O +907,3 кДж.) видно, що на 1 г-моль NO припадає 1,5 г-моль Н2О. Для сконденсування більшої частини Н2О і відділення її від NO нітрозні гази треба дуже швидко охолоджувати. Для цього застосовують швидкісні холодильники з дуже розвиненою поверхнею, в яких при атмосферному тиску час охолодження нітрозних газів становить близько 0,1-0,2 с.
Для швидкого окислення NO застосовують HNO3
NO +2HNO3 =3N02 + H2O.
Щоб виділити NO2 з газової суміші, газ охолоджують у розсольному холодильнику до -10 0С. Таким способом можна сконденсувати значну частину оксидів азоту і розчиненням їх в концентрованій HNO3 вилучити з газової суміші. Утворений розчин називається нітроолеумом.
Схему прямого синтезу концентрованої HNO3 наведено на рис.4.
На установку надходять нітрозні гази, що утворилися внаслідок окислення NН3 під атмосферним тиском. Після охолодження в тепло¬обміннику і котлі-утилізаторі нітрозні гази проходять через швидкісні холодильники 1 і 2. Конденсат з першого холодильника містить близько 2-3% HNO3. Конденсат з другого холодильника, в якому міститься до 30% HNO3 , подають у змішувач 11 і застосовують для добування концентрованої HNО3.
Окислення NO до NO2 відбувається вокислювальній башті 3 киснем, який є в газовій суміші, а решта NO доокислюється в башті 5 концент¬рованою HNO3; 75%-ний розчин HNO3, що тут утворюється, надхо¬дить у змішувач 11. Далі NO2 вилучається з газової суміші, розчиняю¬чись у концентрованій HNO3, в поглинальній башті 7. Для збільшення ступеня вилучення NO2 нітрозні гази і кислоту охолоджують при¬близно до-100 С. В газах, що виходять з поглинальної башти,лишаеться ще багато оксидів азоту, тому їх промивають водою в іншій башті.
Розчин NO2 в HNO3 надходить у вибілювальну колону 8, де від нагрівання глухою водяною парою NО2 виділяється з розчину і вихо¬дить через верхню частину колони в розсільний холодильник-конденсатор 10, а звідти в змішувач 11.В колону 8 надходить і автоклавна HNO3, в якій розчинений NО2. ПродукціЙна HNO3, що звільнилася від оксидів азоту в вибілювальній колоні, надходить через розсіль¬ний холодильник на склад готової продукції і на зрошення доокислювальної 5 та поглинальної 7 башт. Діоксид азоту конденсується в роз¬сільному холодильнику-конденсаторі 10 і збігає в змішувач 11, де розчиняється в НNО3. Суміш подається в автоклав 12, куди надходить і О2.
Автоклав-це товстостінний вертикальний стальний циліндр об'ємом 8-12 м3, футерований всередині листовим алюмінієм для збереження від дії HNO3.
Перспективи розвитку азотнокислотного виробництва пов'язані з раціональним розв'язанням питань збільшення потужності агрегатів, повнішим використанням тепла реакцій, скороченням викидання оксидів азоту в атмосферу, значним зниженням відносних капітало¬вкладень і собівартості HNO3.

Рис.4. Схема виробництва концентрованої HNO3 прямим синтезом:
1-швидкіснкй холодильник; 2-водяний холодильник; 3-окислювальна башта; 4-водяний холодильник; 5-доокислювальна башта; 6-розсільний холодильник; 7-поглинальна башта; 8-вибілювальна колона; 9-водяний холодильник; 10-розсільний холодильник-конденсатор; 11-змішувач;
12- автоклав.

4.Зберігання і перевезення азотної кислоти.
Зберігання і перевезення HNO3. Розбавлений 47-60%-ний
розчин HNO3, зберігають у резервуарах з нержавіючої сталі; невеликі кількості зберігають і перевозять у скляних бутелях місткістю 20-50 л. Скляні бутелі мають бути упаковані в кошики або дерев'яні ящики.
Концентровану HNO3 зберігають і перевозять в алюмінієвих цистернах. Її змішують з невеликою кількістю (7,5%) купоросного масла і таку суміш (меланж) відправляють споживачам у цистернах з вуглецевої сталі. Перевозити концентровану HNO3 у скляному посуді з дерев'яною тарою не дозволяється.

5.ГДК шкідливих речовин в приміщеннях при виробництві азотної кислоти.
Концентрація оксидів, азоту в повітрі робочих приміщень не повинна перевищувати 0,005 мг/л (в перерахунку наN2 O5),концентрація NH3-0,02 мг/л.

6.Преспективи розвитку та вдосконалення технології виробництва азотної кислоти.
До сучасних тенденцій розвитку технології виробництва азотної кислоти відносяться:
1.забезпечити технологію процесу більш надійними конструкціями апаратів та машинних агрегатів;
2.підвищувати ступень кислої абсорбції;
3.підвищити рівень використання тепла хімічних реакцій;
4.підвищити коефіцієнт корисної дії енергії стислих газів;
5.збільшення швидкості процесу на всіх його етапах;
6.зниження шкідливих викидів в атмосферу;
7.збільшення потужності азотнокислотних установок;
8.постійно збільшувати виробництво концентрованої азотної кислоти,що дозволить спростити методи отримання аміачної селітри та інших азотних добрив;
9.зменшення витрат платинового каталізатора,за рахунок уловлення фільтрами платинового пилу;
10.застосування в якості каталізаторів сплавів платини з полодієм і ренієм;
11.Упроводження у виробництво комбінованих каталізаторів.

Задача.
Паропровід довжиною 45м і діаметром 60*2мм ізольований шаром волоку шерстяного товщиною 30мм і зверху ще шаром пінопласту товщиною 35мм. Температура стінки труби 1200С, а зовнішньої поверхні ізоляції 200С.Визначити втрати теплоти через шар ізоляції і порівняти як змінюється втрати, якщо внутрішній шар зробити з пінопласту, а зовнішній із волоку шерстяного.
L=45 d1=60мм=0,06м
ст=46,5Вт/м*к d2=60+2*2=0.064м
войлоку=0,047 d3=64+30=94мм=0,094м
пінопласту=0,047 d4=94+35=129мм=0,129м
dтруби=60,2
войлоку=30мм
пінопласту=35мм
tпоч.=1200С
tкін.=200С
Q1=?
Q2=?

Висновок: Втрати теплоти в першому і другому випадку будуть однакові, тому що коефіцієнти теплопровідності теплоізолюючих матеріалів (шерстяного войлоку і пінопласту) одинакові.Тому від переміни їх місцями теплові втрати не зміняться.
Література.
1. Атрощенко В.І., Каргин С.І. Технологія азотної кислоти. М.: Хімія, 1970. 496с.
2. Софронов А.Л. Технологія зв'язаного азоту. Пермь.1973.
3. Довідник азотчика, т.1. М.: Хімія, 1986.
4. Довідник азотчика, т.2. М.: Хімія 1987.
5. Атрощенко В.І. і ін. Курс технології зв'язаного азоту. М.: Хімія, 1969. 384с.
Ведерніков М.І., Кобозев В.С., Рудой І.В. Технологія з'єднань зв'язаного азоту. М.: Хімія, 1967. 418с.

Оцінка: 
0
No votes yet