Технологическая часть. Характеристика исходного сырья, вспомогательных материалов и готовой продукции Характеристика исходного сырья Аммиак является важнейшим химическим продуктом, так как он служит исходным сырьём для получения самых разнообразных азотсодержащих соединений.
Источников связанного азота, имеющих промышленное значение, в природе очень мало. Азот играет особо важную роль в природе; он участвует в основных биохимических процессах и образует важнейшие питательные вещества для растений, животных и человека. Достаточно крупные месторождения связанного азота в виде азотнокислого натрия (нитрата натрия) имеются только в Чили, они были открыты в начале 19 в. Небольшое количество связанного азота при переработке коксового газа. Основную же массу азотсодержащих продуктов (около 95%) производят на основе аммиака, искусственно получаемого на химических предприятиях. Аммиак представляет собой бесцветный газ с характерным запахом.
При охлаждении до - 30°С он сжижается, а при 78°С затвердевает, образуя бесцветную кристаллическую массу. Критическая температура аммиака 132,4°С, критическое давление 111,5 атм. Аммиак хорошо растворим в воде: при 20°С и атмосферном давлении в 1л воды растворяется 700 л газообразного аммиака.
Несколько хуже он растворяется в органических жидкостях. При непосредственном соединений аммиака с кислотами получают соли, например нитрат или сульфат аммония. При взаимодействии аммиака с СО2 образуется карбамид (мочевина), который является одним из лучших азотных удобрений благодаря высокой концентрации азота и хорошим физическим свойствам; на основе карбамида получают также разнообразные химические продукты. Водные растворы аммиака (аммиачная вода), водно-аммиачные растворы солей и жидкий аммиак широко применяются в сельском хозяйстве для непосредственного внесения в почву в качестве жидких азотных удобрений.
Сухие аммиак и воздух образуют взрывоопасные смеси; пределы взрываемости таких смесей при 18°С ограничены интервалом содержания аммиака от 15,5 до 27%. Таким образом, смеси, содержащие менее 15,5 и более 27% аммиака, при зажигании их искрой не взрываются. При повышении температуры пределы взрываемости аммиачно-воздушных смесей расширяются.
Учитывая эти особенности аммиачно-воздушных смесей, при осуществлении промышленных процессов поддерживают содержание аммиака до 15,5 или выше 27%. Синтетический аммиак в большей или меньшей степени загрязнён примесями. Такими примесями являются катализаторная пыль. Смазочное масло. Для получения газообразного аммиака служат испарительные станции и дистилляционные отделения жидкого аммиака. Дальнейшая очистка осуществляется в фильтрах, состоящих из чечевицеобразных элементов, фильтрующим материалом в которых служит хлопчатобумажная замша. Тонкой очистке аммиачно-воздушная смесь подвергается в фильтре с поролитовыми трубками.
Характеристика готового продукта Химически чистая азотная кислота (мол. масса 63) представляет собой бесцветную жидкость с сильным едким запахом. На воздухе концентрированная азотная кислота дымит, смешивается с водой в любых соотношениях с выделением тепла. Чистая безводная азотная кислота малоустойчива. Теплоёмкость водных растворов азотной кислоты уменьшается с повышением концентрации азотной кислоты. С увеличением концентрации кислоты температура кипения раствора NH3 - H2O растёт, достигая максимума при 68,4% HNO3, а затем начинает снижаться.
Смесь, содержащая 68,4% HNO3, является азеотропной - в её парах столько же азотной кислоты, сколько в жидкости. С ростом давления температура кипения кислоты повышается при сохранении концентрации, отвечающей азеотропной смеси. Разложение азотной кислоты происходит по уравнению: 2HNO3 = 2NO2 + Н2О + 0,5О2 При нагревании азотная кислота разлагается с выделением N2O3 по уравнению: 2HNO3 = N2O3 + О2 + Н2О Полностью азотная кислота разлагается при температуре около 533К. Скорость разложения HNО3 возрастает с увеличением её концентрации, а при повышении температуры всего на 5°С. 99%-ная азотная кислота разлагается в два с лишним раза. Плотность HNO3 изменяется пропорционально её концентрации, что позволяет по величине плотности определять её концентрацию.
Азотная кислота - сильный окислитель.
Органические вещества под действием концентрированной азотной кислоты разрушаются, а некоторые из них способны воспламеняться. Азотная кислота растворяет все металлы, кроме золота, платины, титана, тантала, родия и иридия. Техническая азотная кислота вследствие содержания в ней растворенных NO2 имеет желтоватый цвет. Азотная кислота концентрацией до 60% электропроводна. Надазотную кислоту получают при обработке концентрированной азотной кислоты 100%-ной перекисью водорода при низкой температуре по реакции: HNO3 + Н2О2 = HNO4 + Н2О Надазотная кислота разлагается со взрывом.
Нитроолеум - дымящая жидкость желтоватого цвета, сильный окислитель. Нитроолеум с содержанием 30 об.% NO2 при атмосферном давлении кипит при температуре 311 К, с содержанием 40 об.% NO2 - при температуре 302К. При этом в парах содержится 96,5 об.% оксидов азота и 3,5 об.% паров азотной кислоты. 1.2.2. Модели рассматриваемой ХТС Химическая модель 4NH3 + 50 2 = 4NO + 6Н2О 2NO+O2=2NO2 3NO2 + H2O = 2NО3 + N0 NH3 + 2О2 = HNO3 + Н2О + 421,2 Технологическая схема Рис. 3. Технологическая схема производства азотной кислоты 1-воздухозаборная труба; 2-воздухоочиститель; 3-газовый компрессор; 4-газовая турбина; 5-воздухоподогреватель; 6-испаритель аммиака; 7-смеситель с фильтром; 8-контактный аппарат; 9,17-котёл-утилизатор; 10-окислитель с фильтром; 11-абсорбционная колонна; 12-отдувочная колонна; 13-холодильник-конденсатор; 14-подогреватель хвостовых газов; 15-реактор каталитической очистки; 16-камера сгорания; 18-выхлопная труба.
Атмосферный воздух, забранный на территории завода, проходит тщательную очистку от возможных примесей, находящихся в воздухе, проходит воздухозаборную трубу 1 и воздухоочиститель 2. Очищенный атмосферный воздух поступает на всас компрессора газотурбинного агрегата.
Сжатие происходит в осевом компрессоре 3, приводимый в движение газовой турбиной 4, до давления 0,73 МПа, нагреваясь при этом до 135°С , и поступает далее в подогреватель воздуха 5, где его температура поднимается до 250оС за счёт теплоты выходящих из окислителя 10 нитрозных газов. В смесителе 7 воздух смешивается с газообразным аммиаком, который поступает сюда из испарителя аммиака 6. Образовавшаяся аммиачно-воздушная смесь далее поступает в контактный аппарат 8, где при температуре около 900°С на Pt Rh - Pd -катализаторе происходит окисление аммиака.
Нитрозные газы, содержащие 9 -9,5% N0, поступают в котёл-утилизатор 9, в котором происходит охлаждение до необходимой температуры и образование пара. Далее газы поступают в окислитель 10, в котором окисляются до диоксида азота.
Охлаждённые в подогревателе воздуха 5, подогревателе хвостовых газов 14 и холодильнике-конденсаторе 13 до температуры около 45°С нитрозные газы поступают в абсорбционную колонну 11, орошаемую противоточно водой. Поскольку абсорбция NO2 водой экзотермична, абсорбционные тарелки снабжены змеевиковыми холодильниками, в которых циркулирует охлаждающая вода. Полученная азотная кислота самотёком поступает в отдувочную колонну 12, где с помощью горячего воздуха из готовой азотной кислоты происходит отдувка растворённых в ней нитрозных газов, которые подаются в абсорбционную колонну.
Хвостовые газы, пройдя систему каталитической очистки от оксидов азота восстановлением их аммиаком до элементного азота в атмосферу. Структурная схема Функциональная схема Операторная схема 2. Анализ ХТС Материальный баланс NH3 + 2O2  HNO3 + H2O М(NH3) = 17 М (HNO3) = 63 М (2O2) = 64 М (H2O) = 18 1. Теоретически необходимое количество NH3: С учетом степени окисления: 0,2698 – 90% х - 100% Непрореагировавший аммиак: 0,2997 – 0,2698 = 0,0299 т. 2. Теоретически необходимое количество О2: С избытком 2О2: 1,016•1,15 = 1,1684 т (1,15 = 100% + 15%, 1,15 = 1 + 015) 3. Теоретически полученное количество Н2О: Таблица материального баланса Расход Масса, т Приход Масса, т NH3 0,2997 HNO3 1,00 2O2 1,1684 Н2О 0,2857 2O2 избыток 0,1524 NH3 непрореагир. 0,0299 1,4681 1,468