Лабораторная работа № 4. Исследование влияния условий проведения газофазной реакции на объем реактора

4.1 Цель работы

Изучить влияние температуры и давления на степень превращения в реакции окисления оксида азота и оценить объем реактора вытесне­ния при различных условиях.

4.2 Краткие теоретические сведения

Процесс получения разбавленной азотной кислоты из аммиака осуществляют либо при атмосферном давлении, либо при повышенном давлении; причем химическая и принципиальная схемы этих процессов не отличаются друг от друга.

Химическая схема производства включает три основные реакции:

– контактное окисление аммиака до окиси азота:

4NH₃ + 5O₂ = 4NO + 6H₂O;

– окисление окиси азота до двуокиси азота: 2NO + O₂ = 2NO₂;

– абсорбция двуокиси азота водой с образованием азотной кислоты и окиси азота (которая возвращается в процесс):

3NO₂ + H₂O = 2HNO₃ + NO.

Суммарная реакция образования азотной кислоты из аммиака выражается в виде уравнения

NH₃ + 2O₂ = HNO₃ + H₂O.

Принципиальная схема производства азотной кислоты из аммиака включает шесть основных операций (рисунок 4.1).

1 – очистка воздуха и аммиака; 2 – окисление аммиака на

катализаторе; 3, 4 – охлаждение нитрозных газов с использованием тепла в холодильнике; 5 – окисление окислов азота и образование азотной кислоты; 6 – очистка отходных газов

Рисунок 4.1 – Принципиальная схема производства

азотной кислоты

Окисление оксида азота до диоксида азота осуществляется по схеме

2NO +О₂ = 2NO₂+Q . (4.1)

Эта реакция является гомогенной газовой реакцией, фактически необратимой, наблюдаемый порядок которой соответствует молекулярности. Она протекает с уменьшением объема и сопровождается выде­лением теплоты. Снижение температуры и повышение давления спо­собствуют смещению равновесия реакции вправо. Окисление оксида азота – самая медленная стадия производства азотной кислоты, она и определяет скорость всего процесса.

Газ, выходящий из реактора окисления аммиака, быстро охлажда­ется до температуры окружающего воздуха для конденсации из него водяных паров. До поступления в абсорбционные колонны, где получа­ется азотная кислота, газ подвергается окислению в реакторе вытесне­ния до тех пор, пока отношение NO₂/NO не будет равно 5/1. Состав га­за на входе в реактор:

NO – 9 мол.%; NO₂ – 1 мол. %; О₂ – 8 мол.%; N₂ – 82 мол.%.

Хвостовые газы производства азотной кислоты содержат после абсорбции колонн от 0,05 до 0,2 % оксидов азота, которые по санитарным требованиям без дополнительной очистки запрещено выбрасывать в атмосферу.

Хвостовые газы отправляют:

– в башни щелочной абсорбции, орошаемые водным раствором соды, где окислы азота (NO и NO₂) абсорбируются содовым раствором с образованием солей

NO + NO₂ + Na₂CO₃ = 2NaNO₂ + CO₂;

2NO₂ + NaCO₃ = NaNO₂ + NaNO₃ +CO₂;

– на каталитическое восстановление оксидов азота горючими газами (водородом, природным газом, аммиаком). Восстановление оксидов азота снижает их содержание в очищенном газе до 0,001–0,005 %.

Схема установки каталитической очистки газов от оксидов азота приведена на рисунке 4.2.

1 – абсорбционная колонна; 2 – подогреватель; 3 – контактный

аппарат; 4 – котел-утилизатор; 5 – паровая турбина; 6 – воздушный компрессор; 7 – газовая турбина

Рисунок 4.2 – Установка каталитической очистки газов

от оксидов азота