Материальный и тепловой балансы процесса окисления аммиака кислородом воздуха

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Общая химическая технология»

на тему «Отделение окисления аммиака в контактном аппарате в производстве неконцентрированной азотной кислоты»

 

 

Выполнил: студент гр. ТНВ-17д

Буздина Н.В.

Проверил: канд. техн. наук,

доцент кафедры ХТ и Э

Рахимова О.В.

 

 

Березники, 2019

Содержание

Введение. 3

1 Характеристика готовой продукции. 4

1.1 Кислота азотная неконцентрированная. 4

1.2 Перегретый пар. 5

2 Теоретические основы процесса. 6

3 Материальный и тепловой балансы процесса окисления аммиака кислородом воздуха. 7

3.1 Материальный баланс. 7

3.2 Тепловой баланс. 9

4 Технологическая схема. 11

4.1 Подготовка и компримирование воздуха. 12

4.2 Подготовка газообразного аммиака. 12

4.3 Подготовка аммиачно-воздушной смеси. 13

4.4 Окисление аммиака. 13

4.5 Охлаждение нитрозных газов и конденсация водяных паров из них. 14

4.6 Абсорбция оксидов азота. 15

4.7 Селективная очистка хвостовых газов. 17

4.8 Рекуперация энергии, тепла и давления очищенных газов. 19

4.9 Выдача и хранение продукционной кислоты.. 19

5 Характеристика основного оборудования. 20

6 Отходы производства. 22

6.1 Мероприятия по охране атмосферного воздуха. 22

6.2 Сточные воды.. 22

Заключение. 24

Список использованных источников и литературы.. 25

 

 

Введение

Области применения азотной кислоты весьма разнообразны. Большая часть ее расходуется на производство азотных и комплексных минеральных удобрений и разнообразных нитратов. Кроме того, она потребляется производством красителей, органическим синтезом и цветной металлургией.

Начальной стадией производства азотной кислоты контактным способом является окисление аммиака кислородом воздуха с получением оксида азота (II). Однако окислением аммиака кислородом в гомогенных условиях (без использования катализатора) невозможно получить оксиды азота. При горении его в атмосфере воздуха или кислорода образуется только молекулярный азот.

Азотная кислота по объему производства занимает среди других кислот второе место после серной кислоты. Все возрастающий объем производства объясняется огромным значением азотной кислоты и ее солей для народного хозяйства [1].

Азотная кислота является одним из исходным продуктов для получения большинства азотсодержащих веществ. До 70 – 80% ее количества расходуется на получение минеральных удобрений. Одновременно азотная кислота применяется при получении взрывчатых веществ почти всех видов, нитратов и ряда других технических солей; в промышленности органического синтеза; в ракетной технике, как окислитель в различных процессах и во многих других отраслях народного хозяйства.

Промышленное получение разбавленной азотной кислоты основано на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой.

Цель курсовой работы – изучение технологической схемы производства неконцентрированной азотной кислоты и расчет материального и теплового балансов отделения окисления аммиака в контактном аппарате.

 

Характеристика готовой продукции

Кислота азотная неконцентрированная

Неконцентрированная азотная кислота производится в соответствии с ГОСТ Р 53789-2010 Кислота азотная неконцентрированная.

Химическая формула – HNO₃.

Относительная молекулярная масса – 63,0128.

Азотная кислота неконцентрированная, предназначенная для переработки в цехах предприятия должна иметь массовую долю кислоты – не менее 58,0%.

Внешний вид – бесцветная или слегка желтая жидкость без механических примесей.

Содержание продуктов реакции и реагирующих веществ после проведения последней стадии производства, а также физические константы азотной кислоты с массовой долей 58% HNO₃ представлены в табл. 1 и табл. 2 [2].

Таблица 1 – Процентное содержание реагирующих веществ и продуктов реакции в готовой продукции

Состав	%	ПДК р.з (в воздухе рабочей зоны)	Класс опасности
Массовая доля азотной кислоты
высший сорт	не менее 57,0	2 мг/м3	3
первый сорт	не менее 56,0
второй сорт	не менее 46,0
Оксиды азота (NO2)
высший сорт	не более 0,07	5 мг/м3	3
первый сорт	не более 0,1
второй сорт	не более 0,2
Остаток после прокаливания		не	не
высший сорт	не более 0,004	регламенти-	классифи-
первый сорт	не более 0,02	руется	цируется
второй сорт	не более 0,05

 

 

Таблица 2 – Физические константы азотной кислоты с массовой долей 58% HNO₃

№№ п/п	Наименование константы	Единица измерения	Величина константы
1	Плотность при 20оС	кг/м3	1356
2	Температура замерзания	оС	-20
3	Температура кипения при давлении 0,1 МПа	оС	118
4	Давление паров при 25оС	кПа	0,12
5	Динамическая вязкость при 20оС	Па·сек	1,96
6	Массовая теплоемкость при 21,1оС	кДж/кг·К	2,75
7	Теплопроводность при 20оС	Вт/м·К	0,436
8	Электропроводность при 15оС	Ом-1·м-1	5500·106

Азотная кислота неограниченно растворима в воде, при растворении выделяется тепло. Азотная кислота гигроскопична. На воздухе сильно дымит, выделяя оксиды азота и пары азотной кислоты, которые образуют с влагой воздуха туман. Пары азотной кислоты в 2,2 раза тяжелее воздуха.

Азотная кислота неконцентрированная применяется в производстве аммиачной селитры, натриевой селитры, концентрированной азотной кислоты.

Перегретый пар

В качестве вторичного энергоресурса при производстве неконцентрированной азотной кислоты и в качестве товарного продукта вырабатывается перегретый водяной пар с давлением не более 1,6 МПа
(16 кгс/см²) и с температурой 230-270^оС. Пар выдается в сеть организации.

 

 

2 Теоретические основы процесса

Химизм процесса окисления аммиака следующий:

4 NH₃ + 5 O₂ = 4 NO + 6 H₂O + 907,9 кДж          I

4 NH₃ + 4 O₂ = 2 N₂O + 6 H₂O + 1105,7 кДж       II

4 NH₃ + 3 O₂ = 2 N₂ +6 H₂O + 1269 кДж              III

Целевой является реакция I, тогда как реакции II и III – побочные, увеличивающие прямые потери аммиака за счет образования азота.

В промышленности процесс окисления аммиака в контактном аппарате протекает при температуре 830 – 910^оС [3].

Термодинамические расчеты показали, что значения констант равновесия данных реакций имеют большое значение (при 900°С k ₁ = 10⁵³;
k ₂ = 10⁶¹; k ₃ = 10⁶⁷), что свидетельствует о возможности протекания всех основных реакций с близким к 100% выходом продуктов.

Таким образом, процесс окисления аммиака может протекать в нескольких направлениях, состав конечных продуктов реакции определяется селективным действием катализатора и условиями проведения процесса.

Особенность катализатора избирательного действия заключается в том, что на нем происходит ускорение лишь одной из нескольких возможных реакций.

При наличии большого числа побочных реакций катализатор, применяемый для окисления аммиака в производстве азотной кислоты, должен быть селективным относительно реакции (1), то есть основным продуктом окисления должен быть оксид азота NO. Активность к реакции окисления аммиака проявляют подавляющее большинство металлов, их сплавов и соединений; но высокий выход оксида азота NO (более 90%) при температурах 600 – 1000°С обеспечивают в основном металлы платиновой группы.

 

Материальный и тепловой балансы процесса окисления аммиака кислородом воздуха

Материальный баланс

1. Расход аммиака [4].

2. Количество аммиачно-воздушной смеси, поступающей на окисление:

В этом количестве аммиачно-воздушной смеси содержится воздуха:

3. Состав воздуха, поступающего на окисление аммиака.

а) количество водяных паров:

б) количество кислорода:

в) количество азота:

4. Состав нитрозных газов, образующихся в результате окисления аммиака. Основные реакции, протекающие в контактном аппарате:

	4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907,9 кДж,	(1)
	4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269 кДж.	(2)

По условию, по первой реакции окисляется 98% NH₃, по второй – 2%. Состав нитрозных газов определяется стехиометрическими соотношениями в этих реакциях.

а) количество образующейся окиси азота (по первой реакции):

б) количество образующегося азота (по второй реакции):

Всего азота в нитрозных газах:

36716,06 + 185,46 = 36901,51 м³/ч.

в) количество образующихся водяных паров (по первой и второй реакциям):

Всего водяных паров в нитрозных газах:

2222,85 + 8559,57 = 10782,43 м³/ч;

г) количество расходуемого кислорода:

по первой реакции

по второй реакции

Всего остается кислорода в нитрозных газах:

9701,21 – (6669,33 + 278,19) = 2753,69 м³/ч.

Данные расчета представлены в табл. 3.

Таблица 3 – Материальный баланс контактного аппарата.

Приход				Расход
Комп	кг/ч	м3/ч	%	Комп	кг/ч	м3/ч	%
NH3	4330,74	5706,38	10,50	N2	46126,89	36901,51	66,16
Воздух, в т.ч.	61540,16	48640,12	89,50	O2	3933,84	2753,69	4,94
O2	13858,87	9701,21	17,85	NO	7145,72	5335,47	9,57
N2	45895,07	36716,06	67,56	H2O	8664,45	10782,43	19,33
H2O	1786,22	2222,85	4,09
Итого	65870,89	54346,49	100	Итого	65870,89	55773,09	100

 

Тепловой баланс

Определим тепло, выделяющееся при протекании реакций (1) и (2):

Общее количество тепла:

Найдем тепло, подаваемое с аммиачно-воздушной смесью.

Найдем среднюю теплоемкость нитрозных газов:

Определим теоретическую температуру на сетке при начальной температуре [5]:

Температура газа на выходе из контактного аппарата:

Принимается, что 3% тепла теряется в окружающуюся среду.

Найдем количество тепла, уходящее с нитрозными газами.

Найдем тепловые потери в окружающую среду.

Данные расчета представлены в табл. 4.

Таблица 4 – Тепловой баланс процесса.

Приход			Расход
	кДж/ч	кВт		кДж/ч	кВт
Q 1	59205094,31	16445,86	Q 3	62153855,33	17264,96
Q 2	4871045,21	1353,07	Q пот	1922284,19	533,97
Итого	64076139,52	17798,93	Итого	64076139,52	17798,93