Раздел 2 Технология неорганических веществ

2.1. Каталитическое окисление аммиака

2.1.1. Цель работы. Знакомство с основными закономерностями и обоснованием выбора условий реализации сложного, необратимого, каталитического, гетерогенного процесса и расчет основных технологических показателей.

2.1.2. Введение

В настоящее время практически единственным промышленным способом получения азотной кислоты является контактное окисление аммиака кислородом воздуха с последующим поглощением полученных оксидов водой. Стадия окисления аммиака во многом, определяет показатели всего производства азотной кислоты: от условий и качества ее проведения зависят расходные коэффициенты по аммиаку, платиновым металлам, энергии, т.е. основные показатели, влияющие на экономику процесса. Процесс окисления аммиака - сложный и может с одинаковой вероятностью протекать как с образованием оксида азота (II), так и молекулярного азота и оксида азота (I). В этом случае определяющими факторами являются активность и селективность используемого катализатора и оптимизация технологических условий процесса.

2.1.3. Теоретические основы процесса Химия процесса и равновесие.

Окисление аммиака кислородом воздуха до оксида азота (II) является первой стадией процесса получения азотной кислоты. Наряду с основной реакцией окисления аммиака до оксида азота (II) (2.1.1)(здесь и далее приведены тепловые эффекты реакции):

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O 946 ^кДж/_моль (2.1.1)

происходит окисление аммиака до элементарного азота и оксида азота (I):

4NH₃ + 3O₂ = 2N₂ + 6H₂O 1328 ^кДж/_моль (2.1.2)

4NH₃ + 4O₂ = 2N₂O + 6H₂O 1156 ^кДж/_моль (2.1.3)

При определенных условиях возможна диссоциация аммиака

2NH₃ = N₂ + 3H₂ – 91 ^кДж/_моль (2.1.4)

а также последовательные реакции, приводящие к образованию элементарного азота (2.1.5 и 2.1.6):

2NO = N₂ + O₂ 180 ^кДж/_моль (2.1.5)

4NH₃ + 6NO = 5N₂ + 6H₂O 1810 ^кДж/_моль (2.1.6)

Таким образом, окисление аммиака - процесс сложный/

Константы равновесия реакций (2.1.1-2.1.3) характеризуются очень большими величинами (значительно больше 10²) и, следовательно, все эти реакции необратимы. Реакция диссоциации аммиака (2.1.4) в интервале температур от -86 до 500°С обратима, при температурах выше 500°С она почти нацело смещена в сторону продуктов разложения аммиака. Например, при 800°С и 0,1 МПа равновесная концентрация аммиака составляет 0,011%, а при 1 МПа – 0,12% объем.

Таким образом, в широком диапазоне изменения температуры исходное вещество (аммиак) нацело превращается в конечные продукты. Поскольку окисление аммиака - процесс сложный, и кроме оксида азота (II) получаются побочные продукты: азот и оксид азота (I), то выбор условий проведения процесса определяется необходимостью направить взаимодействие исходных веществ по пути образования оксида азота (II). С учетом практической необратимости рассматриваемых реакций, этого можно достичь только путем создания условий, при которых скорость основной реакции будет значительно превышать скорости побочных реакций. И чем значительней будет эта разность скоростей, тем выше будет практический выход оксида азота(II).