автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.01, диссертация на тему:Получение концентрированного нитрозного газа окислением аммиака кислородом

Для* службового використання

'(? 0 0 і 5

На правах рукопису

Самоаленко Сергія Іванович

ОДЕШШЯ КОНЦЕНТРОВАННОП) НІТРОЗНОГО ГАЗУ 'ОКИСЛЕННЯМ АМІАКУ КИСНЕМ •

05.17.01 - технологія неорганічних речовин

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата .технічних наук

Робота виконала на кафедрі аналітичної ■ хімії Харківського політехнічного інституту

Науковий ке рівніш Офіційні опоненти

Провідна організація

доктор технічних наук, ' професор Кпещов М.Ф.,

доктор технічних наук,

' професор Щпка 0. В.

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Дуковенко 0.0.

Сєвєродонецьке ВО "Азот"

Захист відбудеться - 1993 р. о годині

па засіданні спеціалізованої ради Д 068.39.04 при Харків -ському політехнічному інституті. . .

. /310002, іл.Харків, вул.Фрунзе,21 / і ' . ,

З дисертаціє» їлогліа ознайомитися в бібліотеці Харківского

політехнічного інституту. ■ ’ •

Автореферат розіслано - ¿0/ ТЬО-Ь 1993 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради

. І^шіь Г- І.

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

, Актуальність роботи. В промислових умовах азотну кислоту одержують абсорбцією оковдів азоту водою, що утворюються при окисленні аміаку повітрям на платиноїдному або двухступінчатому каталізаторі. Вліст аміаку в газі, що надходить на окислення, складає 10-11$ що визначається вмістом кисню в повітрі та межами вибуховості аміачно-повітряних сумішей.

Низький парціальний тиск оксиду азоту П в нітрозному газі не дозволяє прискорити найбільш повільну стадію - окислення А/0 до що в цілому визначає звидкість процесу одержання азотної кислоти. Для інтенсифікації процесу його проводять під тиском, що зв"язано

з додатковою витратою енергії та необхідністю використання дорогого обладнання. ' .

Іншим шляхом інтенсифікації виробництва азотної кислоти є використання концентрованого нітрозного газу. Одним із способів одержання концентрованого нітрозного газу о окислення аміаку киснем при швидкості газу вище швидкості росповсвдження вибуху.

• Ефективність застосування кисню в виробництві азотної кислоти також визначається зниженням об"єму газу по всій технологічній лінії, витрат на його транспортування та металоємністю обладнання. Іфім того зменшуються викиди в атмосферу шкідливих газів, що при сучасній гостроті питання про забруднення навколишнього середовища має велике значення. ■

Застосуванню кисню для окислення аміаку присвячено значну кількість робіт. Відомі дослідження проведені по контактному окисленню аміаку повітрям збагаченим киснем, опубліковані роботи по парокисневому окисленню аміаку, а таксик чистил киснем при лінійній швидкості газу, що перевищує швидкість росповсвдження вибуху. В останньому випадку окислення запропоновано проводити в трубчатому апараті. Іракці я протікає на внутрішній поверхні монолітних платиноїдних трубок. ..

В зв"язку з великим вмістом платиноїдного каталізатору і низькою продуктивністю даний спосіб не знайшов практичного застосування. До того ж ряд питань даної технології не має достатньої наукової проробки. Це відноситься, перш за все, до теплового режиму окислення концентрованих аміачно-кисневих сумішей.

Враховуючи сказане, можна'заключити, що розробки технології одержання концентрованого нітрозного газу, як одному з шляхів створення ефективного і екологічно безпечного способу виробництва азотної кислоти є актуальними. '

Мета роботи. №тою виконаного дослідження є визначення оптимальних режимів роботи для промислових умов окислення високих концентрацій аміаку киснем на платиноїдній сітці трубчатої форми та двухступінчатому каталізаторі прі лінійних швидкостях газу вище швидкості росповсвдження вибуху. Візначення теплового режиму роботи трубчатого контактного апарату при окисленні концентрованих аміачно-кисневих сумішей. . ' ■

Наукова новизна. Вівчено процео окислення концентрованих . аміачно-кисневих сумішей під атмосферним тиском на платиноїдній сітці трубчатої форми та на сітці в поєднанні з оксидним непла-тиновим каталізатором. ' . .

Запропоновано склад оксидного каталізатору для другої ступіні окислення аміаку киснем, що мас підвищенну механічну міцність та термостійкість. Оіерлана математична залежність виходу оксвду азоту П від лінійної шнидкості газу в залежності від геометричних характеристик трубчатого контактного елементу. Запропоновано рівняння для розрахунку тривалості контактування на платиноїдній сітці трубчатої форми. .

На основі розрахованих значень теплоємності газових сумішей та матеріальних балансів процесу виконані теплові розрахунки та знайдені величини підвищення температурі при окисленні 1% аміаку повітрям та киснем. ■ • . ‘

Практична цінність. Одержані результати досліджень показують можливість здійснення безпечного процесу одержання концентрованого нітрозного газу в промислових умовах без збільшення вкладу ' платиноїдів в порівнянні з діючою технологією окиснення.аміачно-повітряних сумішей. З метою зменшення можливості вибуху в вихідну аміачно-кисневу суміш запропоновано вводити до І($ водяної пари, що не впливає на вихід оксиду азоту П та техніко-економічні показники схеми переробки концентрованого нітрозного газу в азотну кислоту.

' Дяя практичних розрахунків запропоноване рівняння для визначення виходу оксиду азоту П від лінійної швидкості газу в залежності від геометричних характеристик трубчатого контактного елементу. • .

Проведений розрахунок основних теплових потоків трубчатого контактного апарату при окисленні стехіометричних аміачно-кисневих сумішей виявив, що недосягнення очікуваної високої температури

в зоні контакту зумовлено в основному втратами тепла в навколишнє середовище.

^пропоновано технологічну схему переробки концентрованого нітрозного газу в азотну кислоту. Очікуваний економічний ефект складав. 275,5 тис.крб. в цінах 1991 року.

Апробація робота. Сьновні результати дисертації доповідались: на УІ та УП Всесоюзних семінарах: "Совершенствование агрегатов производства азотной кислоты" «.Харків, 1988, 1991; на ХІУ Всесоюзній науково-технічній конференції по технології неорганічних речовин та мінеральних добрив, м.Львів, 1988.

Публікації. Ш темі дисертації опубліковано 7 робіт, одержано

І авторське свідоцтво.

. СВ'см та структура дисертації. Робота складається із вступу,

6 глав, заключения, списку використаних джерел та 7 додатків.

Дісертація викладена на 143 с машинописного тексту та має ІЗ рисунків та ЗІ таблиць.

ч Отисок літератури містить 118 найменувань робіт вітчизняних та закордонних авторів. . .

. ' Основний вміст роботи. -

Аналітичний огляд літератури. В огляді літератури наведені різні споооби одержання концентрованого нітрозного газу. Шказано, що найбільш перспективним з технологічної та екологічної точок зору є окислення стехіометричних аміачно-кисневих сумішей при лінійних шввдкостяг газу вище швидкості росповсвдження вибуху, йззглянуті умови' безпечного проведення даного процесу. .

. Проте, в літературі відсутні дані про окислення концентрованих аміачнокиснзвих оумішей на платиноїдній оітці трубчатої форми, а та- -кож да двухступінчатому каталізаторі, що складаєтьоя з платиноідної сітки трубчатої форли та оксидного неплатинового каталізатора.

Нз розглянуті питання теплового режиму окислення високих концентрацій аміаку киснем.

В огляді також розглянуті властивості платиноїдного каталізатора, його експлуатація та втрати, шляхи зниження вмісту платиноїдів в процес конверсії аміаку.

• Ш основі аналізу літературних даних сформульовані мета та завдання дослідження. . . '

- б -

Окислення високих концентрацій аміаку на трубчатому контактному елементі. '

.Дослідження процесу конверсії аміаку киснем проводили під атмосферним тиском, температурі контактування ІІЗЗХ.

Шіот аміаку в вихвдній суміші складав 3{$ об’ємних. Як каталізатор викорістовували трубки з платиноїдної сітки різної довжини та діаметру. Вілив лінійної швидкості вивчали на трубках діаметром'

5.10-Зм та довжиною 0,1 м, 0,2 м, 0,3 м, а також на трубці довжиною •0,2л та діаметром 3. ІО-3 м, 5. ІО-3 м, 8. ІО-3 м. .

Для виявлення залежності між виходом оксиду азоту П та параметрам процесу був запланований повний факторний експерімент на оотові двухрівневої моделі. Ікхід оксиду азоту П визначався в залежності від довжини трубки, швидкості газового потоку та діаметру трубки. Після реалізації плану експерименту визначили коефіцієй-

• ти регресії та встановлена адекватність поданого рівняння: .

у=95,76+1,4125X^0, 2І25Х2+0,0625^+1,1375X^2+0,312-

-0,1375X2X3+0, II 25ХіХ2Х3 /і/

В рівнянні /І/ Хр Х2. Х3 - закодовані значення відповідно довжини контактної трубки, швидкості газового потоку та діаметру т)дубки. ' '

В табл. І наведені дані про отупінь перетворення аміаку до

оксиду азоту П в залежності від лінійної швидкості газу при діа-

метрі контактної трубки 5. ІО^м та різної її довжини.

%с перебування газу на платиноїдпих сітках трубчатої форли вивначали по запропонованій нами формулі: ' • •

. <Г =25,65.І04 (сі -0,187. ІО-3) /2/

. Н , .1їс ■

де: . СІ - діаметр контаїстної трубки; Рк, Тк - тиск та тешература

’ . газу в умовах контактування; МіПа, К; ^ . .

■ Н - напруженість каталізатору, кг Л'Нд/м .добу; .

. Со - вміст аміаку в суміші, % об. ■

Таблиця І

Залежність ступінв окислення аміаку до МО від лінійної ' швидкості газу. Діаметр контактної трубки - 5. їй-3 м.

Дзвжина контактної грубки, м Напруженість каталізатору по аміаку, кг /VH/м .добу Лінійна 1 Ступінь окислення швидкість аміаку до -V0, % Час перебування газу на каталізаторі, с. 10

І ОН J , м/с Ккспери- ментальні дані іЬзрахована по рівнянню

0,1 200 0,75 94,4 94,6 1,91

0,1 . 450 1,5 94,2 94,1 0,83

0,1 650 2,0 92,2 93,6 0,576

0,1 750 . 3,0 90,3 92,8 ■ 0,508

0,2 100 0,75 97,3. 96,2 3,824

0,2 200 1,5 97,0 95,8 1,695

0,2 .300 . 2,0 . 97,1 95,6 1,153

0,2 400 3,0 93,7 95,1 0,982

0,2 500 3,5 92,7 0,751

0,3 80 0,75 95,7 97,6. 3,744

0,3 200 2,0 97,4 . 97,5 . 2,521 .

0,3 .300 3,0 97,6 97,3 1,076

0,3 450 5,0 94,7 0,838

Зниження ступїню окиолення аміаку до оксиду азоту П в трубчатому контактному елементі при збільшенні лінійної швидкості газу, можна пояснити недостатньою турбулентністю газового потоку.

Іфім того, при лінійній швидкості газу 0,75-2,0 м/с максимальна температура на каталізаторі /ІІЗЗ Г/ спостерігається в верхній її частині і зберігається до середини трубки, після чого відбувається зниження температури /рис"; І/.

Іі II ;з ^ ,

М '

¿І ю" г ¿І

■

' Гі

. 5 *•:>

, ^ с - і,со с,:*, ' о,іь о.го

>ЬЛМ КиНТАКЖІ ттажи, и '■

’ РисЛ. В)зподілення температур по довжині контактної

трубки. " ' . .

1 - лінійна швидкість газу 1,5 м/с •

2 - лінійна швидкість газу 3,0 гя/с

Окислення аміаку до //О відбувається відразу ж після надход- • жеігая його на каталізатор. Частка побічних реакцій тут незначна.

Із збільшенням лінійної швидкості газу вище оптимального значення відбуваються зміщення горячої зоїи вниз по довжині трубки. ЇЬбоча поверхня каталізатора при цьому скорочується, зменшується час перебування газу в зоні реакції. Це призводить до проскоку аміаку та взаємодію його з продуктами реакції в об’ємі за каталізатором,

Для поліпшення турбулентності газового потоку в зоні контакту нами запропонована конструкція контактного, елементу з двома Циліндрами з платиноїдної сітки, розміщеннями коаксиально. ■

Діаметр зовнішнього шліцдру 8. ІО-3 м, а внутрішнього - 5. ІО-3 м.

Довжина обох циліндрів - 0,2 м. Дослідження проводили при тих же технологічних параметрах, що для контактного елементу діаметром

8. ІО-3 м та довжиною 0,2 м. '

Одержані дані показують, що висока ступінь перетворення аміаку до //0 спостерігається прі більших значеннях величини лінійної швидкості газу, ніж для контактного апарату з однією платиноїдною сіткою. Проте, низька, продуктивність та великий вміст платішоїдів визначають неефективність такої конструкції контактного елемента.

Час перебування газу на каталізаторі в трубчато^ контактному елементі складає ^І0~^с для лінійних швидкостей при яких спостері-

- -

гається максимальний вихід л/0, що на два порядку більше, ніж при окисленні аміачно-повітряних сумішей на сітках, розташованих перпендикулярно газовому потоку.

Збільшення часу перебування газу в зоні контакту на таку величину мало б сприяти протіканню реакції, що проводять до дефік-сації азоту. Проте, в цих умовах ступінь окислення аміаку до А/ 0 досягала 96-97#. Це свідчить про те, що швидкість побічних реакцій нижче швидкості основної. - окислення аміаку до оксвду азоту, П.

Шхід оксиду азоту П знижується із збільшенням діаметру контактної трубки» причому ця залежність зберігається також при змі-ненні лінійної швидкості газу, рис.2.

' ЛІНІЙНА Ш.’ЗІІСТЬ ГАЗУ, и/с . " . .

Рис. 2. фхід оксиду азоту П від лінійної швидкості газу

І - Діаметр трубки - 3. І О-3 м •

' 2 - Діаметр трубки - 5. ІО-3 м . ' .

• 3 - Діаметр трубки - 8. ІО-3 м

Збільшення діаметру контактної трубки приводить до збільшення об’єму міх його каталітичною поверхнею. При зростанні величини лінійної швидкості газу час перебування його в зоні контакту зменшується і недостатній для дифузії компонентів реакції з центру газового потоку до поверхні каталізатору, що приводить до проскоку аміаку. ■ . .

Залежність виходу N 0 від співвідношення 02 : вивчали в

межах 1,3-2,5, концентрація аміаку в суміші змінювалась від 28 до 44% об. Сб’ємна швидкість аміаку була постійною /прі налружекності каталізатору по аміаку 200 кг/м .добу/. Для запобігання впливу ^

лінійної швидкості на виїід оксиду азоту П окислення проводили в діапазоні лінійної швидкості 1,0-1,5 м/с, коли вплив останньої не позначається на вихід //0. З одержати датіх;рис. З,видно, що при співвідношенні 02 : //Нд близькому до стехіометричному /І.У ступінь конверсії не перевищує 87-88$. При зростанні співвідношення від 1,3 до 1,8 відбувається збільшення виходу ЖО до 96-97$.

Подальше збільшення співвідношення до 2,5 не веде до збільшення • виходу оксвду азоту П. . .

Оптимальне співвідношення із зміною температурі не 'лишається постійним. При збільшенні температури контактування штильне співвідношення 0^ : НІІ3 зменшується. Такі зміни погоджуються з літературними даними про дифузійний характер процесу контактного окислення аміаку. . ■

сііввілшид ол:м/і " '

2.5 2.0 1,6 1.4 І.з ' ’

т

, —0 — 1 1 N \\

\к \ 1 2

ЗО ’ 35 40 45 ЬО

юіст ам:аку в ихілііс. с»!«:. ' ■. • ■

Рис.З. Залежність ступені конверсії аміаку до • *

. від співвідношення 02 : /УНд ■

1 - Температура конверсії - ІІЗЗ К

2 - Температура конверсії - 973 К ■

■ Дослідження впливу температури конверсії на вихід' /1/0 вивчали в іптервалі температур-873-1113 К при лінійній швидкості газу 1,5 м/с, довжина контактної трубки 0,1 та 0,3 м, діаметр 5. ІСГ3 м. '

Одержана залежність показана на рис. 4. .

ТШ1ЕРАТУРА КОНТАКТУВАННЯ. К ,

Рис. 4. Шхід /V 0 від температур контактування.

І - Довжина контактної трубки 0,1 м

. 2 - Довжина контактної трубки 0,3 м

Збільшення тешератури від 873 до 1213 К приводить до збільшення ступіні конверсії аміаку до МО від 88 до 94 % для трубки довжиною 0,1 м і від 87 до Ч>% для трубки довжиною 0,3 м. •

Невелике підвищення ступіні конвероії, що спостерігається при експерименті, слід розглядати як результатне стільки великого впливу температури в дослідженнях межах на швидкість реакції.

Для реакцій, швидкість яких визначається ивидкістю дифузії компонентів реакції з об'єму до поверхні каталізатора, вплив температури незначний, поскільки коефіцієнт дифузії Д із збільшенням тешератури збільшується відновідно рівнянню:

3)тг

де п змінюється від 1,5 до 2,0.

Окислення високих концентрацій аміаку /більше 15 % /V в суміші/ вибухонебезпечно. Шявність водяної пари в аміачно-кисневої суміші звужує межі вибуховості , а при її кількості 10 % імовірність вибуху набагато зменшується. Деяка відмінність процесу окислення аміаку в трубчатому контактному елемвнті /аеродинаміка, дифузія компонентів, розподілення газової суміші/ від

платоноїдних сіток визначило проведення дооліджень впливу водяної пари. ■ ' .

Дослідження проводили на трубчатому контактному елементі довжиною 0,2 м та діаметром 5.ІСГ3 м при температурі контактування ІІЗЗК. Співвідношення 02 = 1,8:1, лінійна швидкість газу .

змінювалась від 2,1 до 2,3 м/с. Вліст водяної паря в вихідній газовій суміші змінювався від до 10 % об’ємних. Результати досліджень подані в табл.2. -

: , ■ Таблиця 2.

Ступінь окислення аміака до оксвду азота П в залежності від кількості водяної пари в газовій-суміші.

■ Склад газової суміші, % об. Лінійна швидкість газу, м/с Ступінь . • окислення йміа^а до Л'О,

/УЯд °2 X ги о

34,97 62,67 2,36 2,14 96,06

34, 81 62,65 2,54 • 96,10 -

34,72 62,49 2,79 96,80

32,60 63,40 .4,00 '.2,18 96,57

32, 80 63,02 4,18 . 96,60

32, 84 62,89 4, 27 96,49

31,41 • 57,48 II,II 2,36 . 96,01

31,37 57,92 10,71 96,55

31,44 57,65 10,91 . 96,08

' Одержані дані показують, що вміст пари до 10 % не впливає на ступінь конверсії аміаку до оксиду азоту II в цлатиноїдній сітчатій трубці. .

Ця обставина може бути використана при промисловому оформленні технологічного процесу для усування можливості вибуху при окисленні концентрованої аміачно-кисневої суміші в трубчато'4' контактному апараті. • .

'З метою економії платини та з врахуванням одержаних закономірносте/! окислення концентрованих аміачно-кисневих сумішей проведені дослідження по здійсненню процесу в трубках з платинованною внутрішньою поверхнею. ' .

% носій використовували титанову трубку довжиною 0,2 м та внутрішнім діаметром 5.5 . ІО-3 м. Піутрішню поверхню трубки. попередньо оксидували електрохімічним методом. Кількість нанесеної платини складала І г/м2.

Контактний елемент досліджували на селективність по N0 при окйслеппі концентрованих аміачно-ішснешх сумішей, при тих технологічних параметрах, що для платиноїдпої сітки діаметром 5.ІО-3 м і довжиною 0,2 м. І^зультати досліджень подані в таблиці 3.

' - Таблиця З

Зілежність виходу ^0 від лінійної шводкості газу на наносному платинованому каталізаторі. -

Склад газової суміші, ' % ■ Лінійна швидкість І газу, і . м/с і 1 Ступінь окислення аміаку, %

°2 " УНз .

63,35 35,65 ■■ 0,75 і 72,30

64,49 35,51 і 71,80

64,67 . 35,33 І,50 • ! 72,70

64,79 35,21 і 72,51

64,40 35,60 2,0 ■ | , ' 71,93

64,58 35,42 і 71,90 .

64,70 35, ЗО . 3,0 і 65,50 .

64,85 35,15 1 1 64,73

З табл. З ні дно, ідо характер залежності селективності по оксиду азоту П від лінійної швидкості для платинованої поверхні аналогічний для платшюїдної сітки. Проте, абсолютне значення ступіні перетворення до УО значно ігалче. Зниження селекгивнос-' ті каталізатора можна пояснпти отруєнням каталітичної поверхні внаслідок сильної дифузії компонентів підложюі контактного елементу. при високій тешературі контактування.

Про тепловий режим окислення аміаку киснем.

З літературних джерел відомо, що прі окисленні аміака повітрям теоретичне відвищення температури складає 700 на І % аміаку. При проведенні досліджень в лабораторних умовах по окисленню високих концентрацій аміаку не спостерігалось значне підвищення температури. ■

•Враховуючи необхідність подальшого переносу досліджень в дослідно-промислові умови необхідно було виявити шляхом розрахунків на ' скільки градусів підвищиться температура при окисленні І % аміака киснем.

В процесі досліджень необхідно було:

1. Пзрівняти значення теплоємностей кожного компонента аміачно- . ■ повітряної та аміачно-кисневої сумішей та нітрозних газів по

. довідковим даним та розрахованих по емпіричним формулам в . інтервалі температур 300 - 1500 К. •

2. Ш основі матеріальних балансів контактних апаратів однієї по' тужності /УКЛ-7/ при використанні аміачно-повітряних та аміачно-кисневих сумішей розрахувати теилоєемності вихідних сумішей та нітрозних газів, після чого іх порівняти.

3. На основі прийнятої методики розрахунку теплового балансу контактного апарату враховуши тепловміст вихідної суміші, а також втрати тепла апаратом,-розрахувати А Т для двух типів сумішей та порівняти з експериментальними данними. .

На основі одержаних даних теплоємностей газових сумішей та матеріальних балансів процесу виконані теплові розрахунки процесу

і на їх основі знайдені величини підвищення температури при окисленні І % аміаку повітрям та киснем. Де показали розрахунки при окисленні І % аміака повітрям А Т складам в середньому 62° враховуючи втрати тепла. '

При окисленні аміаку киснем. А Т складає ~ 54° з урахуванням втрат тепла та 56,5° не враховуючи теплових втрат. Таким чином, при окисленні аміака кионем Л Т нижче на (Р, ніж при окисленні аміака повітрям. .

Проведені розрахунки температури поверхні каталізатора в .середній частині платиноїдної сітчатої трубки для різної лінійної швидкості газу Враховуючи термодифузію в ламінарному потоку. Шгрів поверхні каталізатора А Т можна розрахувати по рівнянню:

лТ'-^-Т£'%с о) ■

де: д - коефіцієнт дифузії, м /с; А - тепловий ефект реакції,

’ кДк; С - концентрація аміаку в суміші, моль/м3;

с/- діаметр контактної трубки, м;‘ щ - кількість оксиду азота, що утворюється, моль; ■

Ср - середня теплоємкість утворенного нітрозного газу,

В - множник, що враховує термодифузію, знаходиться в межах 1,03-1,05;

<£'- поправка на стефанівоький потік;

£ - геометрична поверхня дроту , що відноситься до одиниці площі сітки. , '

а ~Л0 /( ■ рй,)

де: X, - теплопровідність кнсню, кДї/град ;

- густина кисню, кг/м3 _

Розрахунки показали, що підвищення температури при окисленні високих концентрацій аміака на трубчатому контактному елементі нижче, ніж при окисленні.на пакеті горизонтально розташованих платиноїдних сіток. .

. Окислення аміаку киснем в апараті трубчатого типу.

Дослідження-проводили в трубчйгому контактному апараті, схема якого дана на рис.5. _

рис.5. Схема трубчатого . ' контактного апарату,

1 - трубки подачі газу; •

2 - трубки для вводу термо-

парі ;

3 - корпус; .

4 - контактні трубки;

5 - платиноїдні 'сітки

циліндричної форми;

6 - корзина для неплатипового

_ каталізатора; .

7 - термопара.

Кількість контактних трубок в апараті - 5 шт; довжина - 0,1 м, діаметр - 5.І0-3 м. Дослідження проводили прі тих же технологічних параметрах, що для однієї контактної трубки тих же геометричних параметрів. Результати досліджень подані в табл.4.

. Таблиця 4.

Залежність ступені окислення аміаку до//0 від . ліпійііої швидкості газу. ' ■ ■

Напруженість каталізатора по аміаку,, кг А'ІІд/м^ , добу Склад га|ової суміші, Лінійна швидкість газу, м/с Ступінь окис-ленн| аміаку,

°2

200 35, 51 64,49 0,75 94,11

35, ЗО 64,70 94,61

350 . 35,24 64,76 1,10 . . 93,69

35, 45 64; 55 93,94 ,

450 . 35,48 64,52 .1,50 93,85

35,39 64,61 93,94

550 35,35 64,65 1,80 93,10

35,62 64,38 ' 93,06

650 35,66 64,34 2,25 91,65

35,53 ■ 64,47 91,77 .

Характер залежності ступені окислення аміаку до оксиду азота П від лінійної швидкості газу в.трубчатому контактному апараті аналогічний для одиночного контактного елементу. Максимальна ступінь перетворення аміаку 93-94 % спостерігається в інтервалі лінійних швидкостей 0,75-2,0 ц/с при напруженості каталізатора по аміаку 450 кг/м^добу.

Ці дані викликали необхідність проведення досліджень по окисленню концентрованих аміачно-кисневих сумішей на двухступінчатому каталізаторі з метою виявлення можливості одержання високої ступені окислення аміаку до оксиду азота П при напружності каталізатора рівній для промислових агрегатів, що працюють під атмосферним тиском. :

Це дозволить підвищити.продуктивність трубчатого контактного апарату та зменшити при цьому вклад платиноїдпого каталізатора. Дослідження проводили.в трубчатому контактному апараті, схема якого дана- на мал. 5; Як другу ступінь застосовували термостійкий, селективний каталізатор на основі оксидів заліза. ІЗеплати-новий каталізатор використовували фракцією 3-4 ш, товщина шару -

- 0,02 м. Дослідження проводили при температурі 1133 К на перлій стуніні, температура в нєплатиновіЙ частині 1.093 К. Лінійна . швидкість в трубчатій частині контактного апарату 1,0 м/с - 3,0м/с при напруженості каталізатору 250 - 750 кг Л'І^/м2»доб. Концентрація аміаку в вихідній суміші складала 35 % об’ємних.

Одержані дані, що наведені в таблиці 5 показуйть, що ступінь перетворення шіаку до Л'О на двухступінчатому каталізаторі на І,.5-2,'6 % вище в порівнянні-з чисто. платиноїдним каталізатором трубчатої форми з одночасним збільшенням напруженності,

’ •. Таблиця 5.

Ікхід /V 0 від лінійної швидкості газу на , двухступінчатому каталізаторі.

Напруженність каталізатора по шіаку , кг /УНд/м^.добу Склад газової суміші, % Лінійна швидкість . газу в - Ступінь окислення аміаку,

°2 трубчатій частіші, м/с

250 35,67 64,33 0,75 95,67

35,41 64,59 95,72

350 35,48 64,52 1,10 95,33

95,39 64,61 95,58

450 35,60 64,40 1,50 95,52

35,71 64, 29 95,76

• 550 ' 35,72 64,28 . 1.8 95,25

35,45 64,55 . 95,46

650 35,37 64,63 2,25 94,71

35,46 ' 64,54 95,00

750 35,74- ' 64,26 • 2,8 92,51

' 35,59 64,41 92,42

то аміаку платиноїдної частини до величшш промислових значень для агрегатів, що працюють під атмосфергаїм піском.

• Проведений, розрахунок основних теплових потоків трубчатого . контактного апарату /табл.6/ показав, що недооягнення очікуваної високої температури в зоні контакту зумовлено в основному втратами тепла в навколишнє середовище.

. Таблиця 6.

ТЬплові потоки трубчатого контактного апарату /напруженість каталізатора 650 кг /Л^/м .добу/

К Шйменування тепло. вих потоків Прихід тепла Вітрати тепла

Дї/хв. % • Ж/хв. %

І Ваідна газова суміш 373,2 0,79 __ '

2 Прихід тепла в результаті’ окислення аміаку 46749,5 99,21 __

3 Втрати тепла з нітроз-ним газом . - . * 16472,4 35,72

4 Втрати тепла в навколишнє середовище конвекцією - 29640 64,28

Всього 47122,7 100,0 46112,4 100,0

Переробка концентрованих оксидів азоту

в азотну кислоту. . . .

Проведені дослідження по окисленню стехіометричних аміачно-кисневих сумішів свічать про можливість одержання концентрованого оксиду азоту П в трубчатому контактиому апараті при технологічних параметрах: температура контактування - І093-ІІІЗ К, лінійна швидкість газу -в контактних трубках - 2,0-2,5 ь/с.

Дня безпечного проведення процесу у вихідну суміш можливо'введення до 10 % водяної пари.

Принципова технологічна схема переробки концентрованих оксидів азоту в азотну кислоту подана на рис. 6. .

Враховуючи складність виділення реакційної вода з нітрозного газу процес ведуть у дві стадії. .

Ш першій стадії з першого холодильника виводяться частина води у вигляді 32 %-го розчину азотної кислоти. Вода, що залишилася, виводиться з другого холодильника у вигляді 60 /5-го розчину

азотної кислоти. Окислення оксиду азоту П проводиться під піском

0,35 МГЬ у дві стадії - гомогенно киснем -та гетерогенно концентро-

■ ваною азотною кислотою. Изпло реакції окислення іменем відводиться послідовно у двох теплообмінниках.

Рис.6. Принципова схема переробки концентрованих оксидів азоту в азотну кислоту.

І - Контактний апарат; 2 - ІЬтел-утилізатор; 3; 4 - Холодильники;

5 - Компресор; 6 - Скислювач; 7;8 - Теплообмінники; 9 - Доокислю-вач; 10- Розсільний холодильник; II; 12- Змішувачі; ІЗ - .Автоклав; 14 - Відбілильна колона; 15 - Збірник 98 % азотної кислоти; 16 - йктифікаційна колона; 17 - Збірник 60 % азотної кислоти.

Окислений газ охолоджується та конденсується у розсільному холодильнику. - Рідкі оксиди азоту змішуються з частиною кислоти з першого холодильника та кислотою з доокисіовача. Оцеріюна суміш надходить в автоклав, де під тиском 5 МПа та підвиценній температурі відбувається синтез концентрованої азотної кислоти. ГЬзчіш, що містить-32 £ азотної кислоти з першого холодильника надходить В ректифікаційну колопу, де концентрується ДО вмісту 60 % Н^Од та збирається в збірнику. Одержала 60 %-яа. азотна кислота маке використовуватись як продукційна, або як вихідпа для наступного концентрування нітратмагнієвим або сірчанокислотним способом.

. По запропонованій схемі можна одержати 544 кг 60 %-та розчину азотної кислоти та 636 кг 98 %-і азотної кислоти. -

Результати техяіко-економічних розрахунків показали, що засто-,сування кисню ца стадії конверсії аміаку економічно доцільно у виробництві концентрованої та некоицентрованої азотної кислоти. Очікуваний економічний ефект при переробці концентрованих оксидів азоту в концентровану та неконцентровану азотцу кислоту складає ' 275550 крб/рік /в цінах 1991 року/ по запропонованій схемі.

- ' ШСНОВКИ .

1. Дзсліджепо процес окислення аміаку киснем на плат иноїдн ому

каталізаторі трубчатої форми для одержання концентрованих оксидів азоту. З метою запобігання вибуху дослідження проводили в контактних трубках при лінійній швидкості газу вище швидкості росповсюджешш вибуху. .

2. ІЬказано, що в трубці певної довжини із збільшенням лінійної швидкості газу знижується ступінь перетворення аміаку. Збільшення довжини трубки с одночасним збільшенням лінійної швидкості газу веде до підвищення виходу //0. 'Максимальна ступінь пере. творення до оксиду азоту П-96-97 % відбувається при лінійній

швидкості газу 0,7-3,0 м/с для трубки довжиною. 0,3 м та 94 %

. для трубки довжиною 0,1 із/с при лінійній швидкості газу

0,7-2,0 м/с. .

Напруженість каталізатора по аміаку при цьому складає 350 та 450 кг ^І^/м2.добу відповідно, йіхід //0 знижується із збіль-. шенням діаметру контаїстної трубки, причому ця залеиіість зберігається при зміненні лінійної швидкості газу.

3. Запропоновано рівняння для розрахунку часу контактування на •

платиноїдній сітці трубчатої форми. Встановлено, що час контактування в трубчатому контактному елементі більше, ніж при окислеіщі аміачно-повітряних сумішей на платиноїдних сітках, . розміщенних перпендикулярно газовому потоку. .

4. Одержана математична залежність ступені конверсії аміаку від лінійної швидкості газу в залежності від діаметру та довжини контактної трубки,,що дозволяв розрахувати оптимальні геометрии-. . ні параметри трубчатого контактного елементу для застосування

в промислових умовах. . ‘ .

5. Дія Досягнення високого ступеня перетворення аміаку до оксвду

азоту П процес слід вести при температурі І093-ІІ93 К та співвідношенні) кисню до аміаку в межах 1,7-1,8. Показано, що оптимальне співвідношення кисню до аміаку не залишається постійним, Із збілшенням температури контактування оптимальне співвідношення зменшується. , .

6. Дослідження по окисленню аміачно-кисневих сумішей на наносному платинованому каталізаторі показали, що характер залежностей селективності по оксвду азоту П від технологічних параметрів процесу для платинованої поверхні аналогічний для платино-їдної сітки, однак абсолютне значення ступені перетворення аміаку до ПО значно нижче. При цьому спостерігалось незво-ротнє зниження селективності каталізатора, що пояснюється взаємною дифузією компонентів підложки та каталізатора при температурі контактування. .

7. (кислення високих концентрацій аміака киснем з водяною парою в кількості до об. в суміші на платшоїдному каталізаторі трубчатої форми показало, що водяна пара в такій кілнсості не впливає на ступінь конверсії аміаку до Ы0 та на техніко-економічні показники схеми переробки концентрованих оксидів азота в азотну кислоту. Ця обставина може бути використана

в промисловому офорлленні процесу з метою усунення можливості вибуху. . - - '

8.На основі розрахованих величин теплоємностей газових сумішей ■ . та Матеріальних балансів процесу виконані теплові розрахунки

та знайдені величини підвищення температури при окисленні І % аміака повітрям та киснем. При окисленні І % аміаку повітрям підвищення температури складає в середньому 62 % /з врахуванням втрат тепла/. При окисленні киснем - 54° з урахуванням втрат тепла та 56,5° без урахування втрат тепла.

9. ІЬзрахована швидкість підвищення температури при окисленні ' концентрованих аміачно-кисневих сумішей на трубчатому контактному елементі. Встановлено, що зміна температури зумовлена кількістю окисленого аміаку. ■

10. Запропоновано склад неплатинового каталізатору на основі оксидів заліза для другої ступені окислення-аміаку, який мас підвищенну механічну міцність та термостійкість.

11. Досліджено процес окислення концентрованих аміачно-кисневих сумішей на двухступінчатому каталізаторі. 0цер;глпі результати

^ ■ показують підвищення на 1,5-2,0 % виходу УО з одночасним збільшенням напружешгості до аміаку платиноїдної частини до промисловик значень для агрегатів, що працюють під атиосфер-ним тиском.

12. Приведений розрахунок основних теплових потоків трубчатого контактного елементу при окисленні концентрованих аміачно- ■ кисневих сумішей показав, що недосягнення високих температур. • на поверхні каталізатора зумовлено високими втратами тепла

в навколишнє середовище. Не викликало значно більшою поверхне» теплообміну контактних трубок в порівнянні з традиційним способом окислення аміачно-повітряних сумішей. .

13. Запропонована технологічна схема переробки концентрованих оксидів азоту в неконцентровану та міцну азотну кислоту.

14. йіконані техніко-екон омічні розрахунки показали доцільність . застосування технічного кисню на стадії конверсії аміаку

при виробництві азотної кислота. •

викуваний економічний ефект по запропонованій схемі переробки концентрованого оксиду азоту П в азотну кислоту складає 275,5 тис.крб. в цінах 1991 року.'

' Основний вміст диоертації викладено в роботах:

І. A.C. № ІІ97207 от 19.12.1983 г.. Катализатор для окисления аммиака. -Клещев H. 5., Ткачук Н.Ы., Самойленко С. И. и др. ,

- Опубликованию не подлежит. '

2. Скксдение стехиометрических аммиачно-кислородных смесей ■ /Ткачук Н.М., Самойленко С.И., Черкашн В.Н. ТЬз. докл.

ХІУ Ebec.научно-техн. конференции по ТНВ и мин. удобрения.!. -Львов, -1988, - с.141.

3. Изследование процесса окисления стехиометрических количеств

аммиака чистым кислородом/. '

Юіещев Н.Ф., Черкашин В.Н., Самойленко С.И., Ткачук ІІ.М. Тез. докл. УІ Всес. семинара "Совершенствование агрегатов производства азотной кислоты". - Харьков: НШТЭХЮ4 -1988. - .

- с. І50-І5І /для служебного пользования/. '

4. О тепловом режиме реакции окисления аммиака.

/Клещев Н.Ф., Харитонова 1.Ф., СамоЙленко С. И. и др.

РУк.деп. в УкрНИИНТЙ, Л 897- Ук. 90.21.05.90 г.

5. Счисление концентрированных аммиачно-кислородных смесей на платиноидном катализаторе.

/Черкашн fl.IL, Харитонова Ж.Ф., СамоЙленко С.И., Лзвшин Н.П. Хим. технология - 1991; - Д I, -с.96-99. . •

6. Огаслепие аммиака кислородом пхи повышенных линейных окорос-тях. /Кяещёв Н.Ф., Черкашин КН., СЬмоЙленко С.И., и др. .

ТЬз. докл. 311 Шее. семинара "Совершенствование агрегатов производства азотной кислоты. - Харьков - 1991. с. 33-35,

' /Для служебного пользования/. .

7. К определению основных параметров процесса окисления ашиака кислородом в трубчатом контактном аппарате /Бэрисова Р.Г., СамоЙленко С.П., Клещев ИФ., Черкашин В.Н. Экотехнологии

' и ресурсосбережение /хим.технология/ - 1992. - Я 5, -с.43-46.

Автор висловлю подяку, доцентові кафедри загальної та неорганічної хімії Черкащину Віктору Микитовичу за постійну увагу та допомогу у проведенні цієї роботи. ' -