ХТС производства азотной кислоты

Август 11, 2022

Главная
Химия
ХТС производства азотной кислоты

Содержание

2. Химическая схема производства Сырьем является синтетический аммиак, кислород воздуха и вода. Протекают реакции: окисление аммиака кислородом
3. Исходя из химической схемы (1)-(3), функциональная схема включает подсистемы: окисления аммиака, последующее охлаждение газов (реакция (1)
4. Рис. 1 Вода
5. Подсистема окисление аммиака. Физико-химические свойства процесса Окисление аммиака - сложная каталитическая реакция. Аммиак окисляется по целевой
6. Условия процесса Реакция - быстрая, протекает во внешне-диффузионной области на внешней поверхности катализатора. Лимитирующая стадия –
7. ПЛАТИНОИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРНЫЕ СЕТКИ
8. Побочные реакции снижают выход NO Рис. 2
9. Влияние соотношения O2 : NH3 в потоке на выход NO Избыток одного из реагентов всегда влияет
10. Влияние давления и температуры на процесс С ростом давления возрастают концентрации компонентов и увеличивается общая скорость
11. Влияние температуры на максимальный выход NO имеет экстремальный характер, и с повышением давления выход NO снижается,Р1
12. Итак, давление влияет отрицательно на процесс окисления аммиака: падает выход NO, нужно больше селективного катализатора, а
13. Реактор окисления аммиака реактор
14. Подсистема окисления оксида азота Физико-химические свойства процесса - гомогенная обратимая экзотермическая реакция: 2NO + O2 2NO2
15. Подсистема абсорбции оксидов азота Физико-химические основы процесса Диоксид азота взаимодействует с водой по схеме: 2NO2 +
16. Это гетерогенный процесс в системе «Г-Ж». По сравнению со стадией диффузии NO2 (полярный, кислый оксид) химическая
17. Из уравнения следует, что скорость поглощения диоксида азота водными растворами азотной кислоты определяется температурой, давлением, концентрацией
18. Выбор абсорбера Подходящей конструкцией такого реактора-абсорбера может быть абсорбционная колонна с ситчатыми тарелками. Пространство между тарелками
19. Суммарно в абсорбционной колонне протекает превращение, описываемое следующим брутто-уравнением как сумма уравнений (3) и (4): 4NO2
20. Энерготехнология в производстве HNO3 Газы после абсорбции находятся под повышенным давлением, потенциал которого можно использовать в
21. Сжатый газ с повышенной энергией подается в газовую турбину, которая находится на одном валу с компрессором
22. Очистка отходящего газа от оксидов азота (высокотемпературная каталитическая) Реактор каталитической очистки при использовании природного газа в
24. Скачать презентацию

Слайд 2

Химическая схема производства
Сырьем является синтетический аммиак, кислород воздуха и вода. Протекают

реакции:
окисление аммиака кислородом воздуха
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O + Q1;(Кат. процесс) (1)
окисление оксида азота до диоксида азота
2NO + O2 2NO2 + Q2; (Гомогенный процесс) (2)
поглощение NO2 водой с образованием азотной кислоты
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO + Q3. («Г-Ж») (3)
Одновременно с третьей реакцией протекает и вторая, так что весь NO2 можно превратить в HNO3.
Все реакции экзотермические.

Слайд 3

Исходя из химической схемы (1)-(3), функциональная схема
включает подсистемы:
окисления аммиака,
последующее

охлаждение газов (реакция (1) протекает при высокой температуре),
окисление оксида азота
абсорбцию образовавшихся нитрозных газов водой (рис.1)

Слайд 4

Рис. 1
Вода

Слайд 5

Подсистема окисление аммиака.
Физико-химические свойства процесса
Окисление аммиака - сложная каталитическая

реакция.
Аммиак окисляется по целевой реакции до N2 и NO. Главная конкурирующая реакция (2). В химической схеме две независимые стехиометрические реакции:
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 904 кДж; (1)
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O + 1269 кДж. (2)
Катализатор - платина или платина-палладий-родиевый сплав (содержание Pt 81-92%). Температура процесса 1100-1200 К. В этих условиях практически не образуется закись азота N2O.

Слайд 6

Условия процесса
Реакция - быстрая, протекает во внешне-диффузионной области на внешней поверхности

катализатора. Лимитирующая стадия – массо-теплообмен. Катализатор представляет собой сетку, плетенную или вязанную из металлической проволоки диаметром 0,07-0,09 мм. Время контакта составляет (1÷2)⋅10-4 с. Аммиак за это время полностью окисляется, так что выход NO совпадает с селективностью реакции по оксиду азота. (ЕR=SR⋅xА)

Слайд 7

ПЛАТИНОИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРНЫЕ СЕТКИ

Слайд 8

Побочные реакции снижают выход NO
Рис. 2

Слайд 9

Влияние соотношения O2 : NH3 в потоке
на выход NO
Избыток одного

из реагентов всегда влияет благоприятно влияет на превращение другого компонента. При соотношении O2 : NH3 > 1 : 1,8 селективность процесса практически не меняется. Соотношение O2:NH3 = 1:1,8 отвечает содержанию в аммиачно-воздушной смеси 10% NH3 , что и принято в промышленности.

Рис. 3

Слайд 10

Влияние давления и температуры на процесс
С ростом давления возрастают концентрации компонентов

и увеличивается общая скорость превращения аммиака. Но для сложной реакции важна, прежде всего, селективность. Оказывается, что скорость разложения NO в направлении азота по реакции пропорциональна Р2, а скорость превращения аммиака до NO ~P. Т.е. давление влияет на селективность отрицательно.
Влияние температуры на селективность неоднозначно в силу различия энергий активации протекающих реакций. Зависимость имеет экстремальный характер, после т.max выход NO снижается из-за усиления побочных реакций (в основном реакции(2), имеющей более высокую энергию активации.

Слайд 11

Влияние температуры на максимальный выход NO имеет экстремальный характер, и с

повышением давления выход NO снижается,Р1<Р2

Слайд 12

Итак, давление влияет отрицательно на процесс окисления аммиака: падает выход NO,

нужно больше селективного катализатора, а это драгметаллы, возрастают потери катализатора из-за высокой температуры, разрушения и уноса газовым потоком. И все же процесс в промышленности проводят под повышенным давлением. Здесь учитывается свойство ХТС, о котором мы говорили: оптимальный режим элемента вне и внутри ХТС может быть различным. Использование повышенного давления значительно повышает скорость абсорбции NO до NO2, а также окисления оксида азота. В целом получается выигрыш и ХТС в работает в оптимальном режиме.

Слайд 13

Реактор окисления аммиака
реактор

Слайд 14

Подсистема окисления оксида азота
Физико-химические свойства процесса
- гомогенная обратимая экзотермическая реакция:
2NO

+ O2 2NO2 + Q
При температурах ниже 400 К равновесие практически полностью сдвинуто в сторону образования NO2. Реакция может протекать везде - трубопроводах, теплообменниках и в других аппаратах. Установлено, что кинетическая модель отвечает стехиометрии реакции и имеет вид:
Давление ускоряет реакцию, что также говорит в пользу его повышения в ХТС. Реакция протекает не очень быстро. Потому устанавливают окислитель - полый аппарат, обеспечивающий необходимое время пребывания реакционной смеси для завершения реакции.

Слайд 15

Подсистема абсорбции оксидов азота
Физико-химические основы процесса
Диоксид азота взаимодействует с водой по

схеме:
2NO2 + H2O = HNO3 + HNO2; (1)
3HNO2 = HNO3 + 2NO. (2)
Образующаяся по первой реакции азотистая кислота нестойка и сразу разлагается с выделением части NO в газовую фазу. Суммарно абсорбция представлена уравнением
3NO2 + H2O 2HNO3 + NO + Q (3)

Слайд 16

Это гетерогенный процесс в системе «Г-Ж». По сравнению со стадией диффузии

NO2 (полярный, кислый оксид) химическая реакция протекает быстро. Образующийся при этом оксид азота NO частично окисляется в растворе кислородом.
Итак, лимитирующей стадией является диффузия диоксида азота NO2 в жидкую фазу. Количество абсорбируемого диоксида азота зависит от скорости переноса NO2 из потока газа через газовый пограничный слой к поверхности раздела фаз (см. курс ПАХТ):

Слайд 17

Из уравнения следует, что скорость поглощения диоксида азота водными растворами азотной

кислоты определяется температурой, давлением, концентрацией кислоты, интенсивностью массопереноса. С повышением температуры растет Р*NO2, при этом движущая сила процесса переноса уменьшается, что снижает скорость поглощения NO2 и соответственно уменьшается концентрация получаемой
азотной кислоты. При понижении температуры и увеличении
давления снижается Р*NO2 , и движущая сила процесса
абсорбции растёт и соответственно повышается скорость поглощения диоксида азота.
Для увеличения движущей силы процесса поглощения используется противоток жидкой и газовой фаз в аппарате.
Необходимо также организовать турбулентное движение контактирующих фаз и освободить в абсорбере пространство для гомогенного окисления оксида азота до диоксида.
Если добавить воздух в процессе абсорбции, то в свободном пространстве абсорбера пойдет реакция
2NO + O2 2NO2 + Q (4).

Слайд 18

Выбор абсорбера
Подходящей конструкцией
такого реактора-абсорбера
может быть абсорбционная
колонна

с ситчатыми
тарелками. Пространство между тарелками работает как газофазный окислитель выделившегося NO. Барботаж на тарелке в слое жидкости обеспечивает интенсивный массообмен с газом, Встроенные теплообменники обеспечивают пониженный уровень температуры по высоте абсорбера.

Слайд 19

Суммарно в абсорбционной колонне протекает превращение, описываемое следующим брутто-уравнением как сумма

уравнений (3) и (4):
4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3 .
Из общего балансового уравнения превращения
NH3 в HNO3 получим:
NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O
видно, что на 1 объем NH3 расходуется 2 объема кислорода. На стадии окисления аммиака подается 1,8 объема О2 с воздухом. Остальной кислород (воздух) надо подавать в абсорбционную колонну для полноты окисления NO.

Слайд 20

Энерготехнология в производстве HNO3
Газы после абсорбции находятся под повышенным давлением, потенциал

которого можно использовать в газовой турбине для привода воздушного компрессора. Но энергии отходящих газов как рабочего тела турбины не достаточно для сжатия воздуха до давления на входе в систему. Во-первых, имеют место потери на преодоление гидравлического сопротивления в аппаратах и трубопроводах, и отходящие газы имеют давление несколько меньшее, чем на входе. Во-вторых, объем отходящего газа также меньше - почти весь кислород расходуется на образование продукта. Энергию рабочего тела можно увеличить, если его нагреть. Для этого в технологическую систему вводят энергетический узел - горелку природного газа.

Слайд 21

Сжатый газ с повышенной энергией подается в газовую турбину, которая находится

на одном валу с компрессором для сжатия воздуха перед его смешением с аммиаком.

Слайд 22

Очистка отходящего газа от оксидов азота (высокотемпературная каталитическая)
Реактор каталитической очистки при использовании

природного газа в качестве восстановителя устанавливают в системе после энергетического узла, так как высокая температура (700–750 0С) позволяет провести процесс восстановления оксидов азота:
CH4 + 2NO2 = N2 + 2H2O + CO2
горение природного газа CH4 + 2O2 = 2H2O + CO2
Недостатки метода высокотемпературной очистки:
Большой расход природного газа, высокая температура, выбросы парникового газа.

ХТС производства азотной кислоты

Содержание

Химическая схема производстваСырьем является синтетический аммиак, кислород воздуха и вода. Протекают

Исходя из химической схемы (1)-(3), функциональная схемавключает подсистемы: окисления аммиака, последующее

Рис. 1Вода

Подсистема окисление аммиака. Физико-химические свойства процесса Окисление аммиака - сложная каталитическая

Условия процессаРеакция - быстрая, протекает во внешне-диффузионной области на внешней поверхности

ПЛАТИНОИДНЫЕ КАТАЛИЗАТОРНЫЕ СЕТКИ

Побочные реакции снижают выход NOРис. 2

Влияние соотношения O2 : NH3 в потокена выход NOИзбыток одного

Влияние давления и температуры на процессС ростом давления возрастают концентрации компонентов