Производство суперконцентрированной азотной кислоты



100 % азотную кислоту используют в органическом синтезе при получении гидрозина, также в качестве окислителя ракетного топлива. Образование 100 % азотной кислоты осуществляется в автоклаве при температуре 75 оС и давлении 50 атм. Образование кислоты идет по реакции:

                                50 атм

N2O4 + H2O + 0.5 O2 =  2 HNO3

                                    75 С, τ = 2 часа

Атмосферный воздух насосом 1 нагнетается в башню 2, орошаемую холодной водой. Затем воздух проходит фильтр 3, заполненный водоотнимающим средством. В результате этих операций воздух очищается от механических примесей и осушается. Чистый воздух поступает в теплообменник 4, где температура повышается до 250 оС. С этой температурой воздух поступает в смеситель 5, куда также подается аммиак. В смесителе получают аммиачно-воздушную смесь. Эта смесь идет в контактный аппарат 6, в котором при температуре 800-820 оС на поверхности платиновой сетки протекает реакция окисления аммиака до оксида азота(II) и воды. Здесь образуется 10 % оксида азота(II), вода и 5.5 % кислорода. После контактного аппарата нитрозные газы проходят теплообменник 4, где отдают тепло на нагрев исходного воздуха, а сами охлаждаются. Дополнительно газы охлаждаются в котле-утилизаторе 7 и поступают в газовый сепаратор 8, совмещенный с водяным холодильником. В сепараторе 8 оксид азота(II) окисляется до оксида азота(IV). Здесь образуется также 30 % азотная кислота, которая идет на орошение башни 9. В этой башне образуется 50 % азотная кислота, идущая на орошение башни 10. В башне 10 образуется 60 % азотная кислота (рис. 7.4).

Оксиды азота из башни 10 пропускают через рассольный холодильник 11. При температуре – 21 оС оксид азота(II) окисляется в оксид азота(IV). Он поступает в башню 12, орошаемую 98 % азотной кислотой, здесь получают нитроолеум (раствор оксида азота(IV) в 100 % азотной кислоте). Он идет в осветлительную башню 13, которая продувается «острым» паром.

Выделившиеся оксиды азота охлаждаются в холодильнике 14 до температуры – 21 оС. При этой температуре идет димеризация: NO2  + NO2 = N2O4.

Кислота из башен 10 и 13 смешивается с получением 75 % раствора азотной кислоты. Этот раствор загружают в автоклав 15, куда также подается димер N2O4 и кислород; автоклав закрывают; создают давление 50 атм путем нагнетания кислорода и включают электрообогрев для

 

Рис. 7.4. Технологическая схема производства 100 %-ной азотной кислоты

 

первоначального запуска реакции. В дальнейшем реакция идет с выделением тепла, поэтому в водяную рубашку подают холодный атмосферный воздух для поддержания постоянной температуры (75 оС). Продолжительность реакции 2 часа. По истечении этого времени давление снижают, открывают редуктор и кислоту выгружают.

В качестве товарного продукта получают 100 % азотную кислоту.

Концентрирование разбавленных растворов азотной кислоты

В азотнокислотной промышленности получают значительные количества разбавленной азотной кислоты. Кроме того, разбавленные растворы кислоты образуются в органическом синтезе и других производствах.

В целях интенсификации химических процессов, связанных с использованием азотной кислоты, требуется её концентрирование. Обычное физическое упаривание позволяет получить азотную кислоту с концентрацией не выше 68.4 %, так как при этой концентрации образуется азеотроп азотной кислоты с водой, кипящий при температуре 121 оС. Поэтому для концентрирования азотной кислоты используют азеотропную перегонку в присутствии 95 % серной кислоты, играющей роль водоотнимающего средства.

Процесс концентрирования азотной кислоты осуществляется в колпачковой колонне из ферросилициума (высота колонны 10 м, диаметр 1 м). В среднюю часть ректификационной колпачковой колонны 2 поступает холодная 95 % серная кислота, а снизу противотоком из камерной печи 1 подаются пары азотной кислоты с водой. Образуется тройной азеотроп: азотная кислота - серная кислота - вода. В этом азеотропе легче всего выкипает азотная кислота. Пары 100 % азотной кислоты поднимаются вверх, выходят из колонны, охлаждаются в водяном холодильнике 3 и сливаются в приемник 4. В кубе колонны 2 собирается 50 % серная кислота, которую концентрируют с помощью топочных газов в барабанном концентраторе 5. На выходе из аппарата стоит «мокрый» санитарный электрофильтр 6(рис. 7.5).

 

Рис. 7.5. Технологическая схема концентрирования азотной кислоты

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 7

7-1. За счет чего достигается высокая селективность процесса окисления аммиака в оксид азота(II)?

7-2. Почему скорость окисления оксида азота(II) аномально понижается с увеличением температуры?

7-3. Объясните, почему в обычных условиях синтеза может быть получена только «разбавленная» азотная кислота?

7-4. Почему концентрированная азотная кислота не может быть получена прямым упариванием разбавленной кислоты?

7-5. Что такое нитроолеум? Какова его роль в процессе синтеза?

ЗАДАЧИ К ГЛАВЕ 7

7-1. Определите массу 50 %-ной азотной кислоты, которую можно получить из 1 т аммиака при степени окисления его 97 % и степени абсорбции нитрозных газов 92 %.

7-2. В 150 г раствора, содержащего смесь соляной и азотной кислот, растворяется максимум 36 г оксида меди(II). После упаривания раствора и прокаливания соли масса остатка составила 44.25 г. Определите массовую долю каждой кислоты в исходном растворе.

7-3. Смесь азота, оксида азота(II) и оксида азота(IV) объёмом 164.4 мл пропустили через воду, после чего остались непоглощёнными 121.2 мл смеси, которую далее пропустили через раствор сульфата железа(II). В результате 15 мл газа остались непоглощёнными. Вычислите состав исходной смеси (% по объёму) и напишите уравнение происходящих реакций.

7-4. Тетраоксид азота (N2O4) обратимо разлагается до NO2. При температуре 27 оС и давлении 760 мм.рт.ст. относительная плотность газовой смеси по водороду равна 38.278. Рассчитайте степень диссоциации N2O4 и константу равновесия для данной реакции в указанных условиях.

7-5. Вычислите объём 50 %-ного раствора азотной кислоты (плотность 1.3 г/мл), необходимый для полного растворения 3 г смеси двух оксидов меди с массовой долей меди в ней 85 %.

7-6. К 500 мл раствора (плотность 1.2 г/мл), содержащим азотную и ортофосфорную кислоты с молярной концентрацией 0.40 и 0.2 моль/л, соответственно, добавили 140 г 10 %-ного водного раствора гидроксида натрия. Вычислить массовые доли веществ в образовавшемся растворе.

7-7. В толстостенный медный сосуд ёмкостью 6.72 л, заполненный при н.у. кислородом, поместили 452 мл азотной кислоты с массовой долей 0.2 (плотность 1.115 г/мл) и 21.4 г хлорида аммония. Сосуд закрыли и постепенно нагревали до 700 оС, затем медленно охладили. Определите массы веществ, образовавшихся в сосуде.

7-8. На производство азотной кислоты подается 1.18·104 кг аммиака, 3.63·104 кг кислорода, 11.30·104 кг азота в час. Определите состав аммиачно-воздушной смеси в процентах (по объему).

7-9. На окисление поступает 26 000 м3 сухой аммиачно-воздушной смеси, содержащей 8 % NH3 (по объему). Степень превращения NH3 в NO 0.98. Определите повышение температуры за счет реакции окисления. Энтальпия реакции окисления аммиака -226.45 кДж/моль. Средняя удельная теплоемкость нитрозного газа 32.34 кДж/кмоль·К.

7-10. Определите концентрацию азотной кислоты, стекающей с первой тарелки абсорбционной колонны, если в колонну подается 1821 кг воды и 27916 м3/ч нитрозных газов, содержащих (по объему) 9 % оксида азота(IV) и 0.24 % паров воды. Степень абсорбции NО2 на первой тарелке 98 %.

7-11. Составьте материальный баланс контактного аппарата окисления аммиака в расчете на 1000 кг аммиака. Концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси 11.5 % (по объему), 98 % аммиака окисляется до NO, остальное количество до N2. Состав воздуха (об. %): азота – 79, кислорода -  21.

7-12. На окисление 3785.6 м3/ч аммиака поступает 27 080 м3/ч воздуха. Определите коэффициент избытка воздуха и концентрацию аммиака в аммиачно-воздушной смеси.

7-13. Определите производительность установки, на которой получают 100 %-ную азотную кислоту (в т/сут), если в 1 ч подается 135 000 м3 аммиачно-воздушной смеси, содержащей 11 % NH3. Степень окисления аммиака 0.47, степень абсорбции оксидов азота 0.985.

7-14. Определите степень окисления аммиака, если для получения 1000 т/сут 100 %-ной азотной кислоты на окисление ежечасно подается 135 000 м3 аммиачно-воздушной смеси, содержащей 11.5 % NH3.

7-15. Определите массу аммиака и воздуха, необходимую для получения 4 т 50 %-ной азотной кислоты, при следующих условиях: степень окисления аммиака 0.97, степень абсорбции оксидов азота 0.92. Содержание аммиака и аммиачно-воздушной смеси 11.5 % (по объему).

7-16. Сколько азотной кислоты (кг) можно получить из 21 кмоль оксида азота(IV)? Сколько кислоты получается при абсорбции этой массы NO2 водой и сколько воздуха (состава 21 % О2, 79 % N2) необходимо добавлять для доокисления образующегося оксида азота NO до оксида азота NO2.

7-17. Составьте материальный баланс производства 1 т азотной кислоты. Производственными потерями пренебречь. Состав воздуха (об. %): азота – 79, кислорода -  21.

7-18. Определите теоретически возможную концентрацию азотной кислоты при полном окислении аммиака.

7-19. Определите часовой расход воды на абсорбцию оксидов азота из нитрозного газа, содержащего 9.5 % NО2 поступающего в абсорбционную колонну со скоростью 48 000 м3/ч. Степень абсорбции 0.98.

7-20. Рассчитайте константу равновесия реакции окисления оксида азота(II) при температуре 200 оС для нитрозного газа, содержащего оксид азота(II) – 9.92 % (об.) и кислород – 5.68 % (об.) при 0.1 МПа.

 


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 2520; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!