Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака Кислород

Аммиак бархатова — отчет о лабораторной работе каталитическое окисление аммиака вариант


Подборка по базе: Манерова.Общие подходы к работе с текстом..docx, титульны лист для отчета по информ.doc, Форма отчета по практике.docx, пример отчета.pdf, Исмагилов Б.М. Отчет.pdf, Лаб 3 Садртдинов Тимур Отчет.docx, Итоговый тест по КПК _Реализация требований обновленных ФГОС НОО, Краткий отчет дневник самокотроля.docx, БЖД ЛР-14 Форма отчета.doc, 2022-05 Отчет об учебной практике Афанасьева Диана.docx


Кафедра общей химической технологии

ОТЧЕТ О ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Каталитическое окисление аммиака

Вариант 1.

Выполнила __________________ Бархатова М.Д.

ХЕБО-13-17

Проверил __________________ д.х.н., профессор

Брук Л.Г.

Москва 2020

В настоящее время практически единственным промышленным способом получения азотной кислоты является контактное окисление аммиака кислородом воздуха в оксид азота (II) (1) с последующим окислением последнего в оксид азота(IV) (2) и поглощением полученных оксидов водой (3):

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O (1)

2NO O2 = 2NO (2)

4NO2 2H2O O2 = 4HNO3 (3)

Окисление аммиака кислородом воздуха до оксида азота (II) является первой стадией процесса получения азотной кислоты (1). Наряду с основной реакцией окисления аммиака до оксида азота (II) происходит окисление аммиака до молекулярного азота и оксида азота(I):

4NH3 3O2 = 2N2 6H2O (4)

4NH3 4O2 = 2N2O 6H2O (5)

При определенных условиях возможна диссоциация аммиака (6), а также последовательные реакции, приводящие к образованию молекулярного азота (7 и 8):

2NH3 = N2 3H2 (6)

2NO = N2 O2 (7)

4NH3 6NO = 5N2 6H2O (8)

Таким образом, окисление аммиака − процесс сложный.

Константы равновесия реакций (1, 4, 5) весьма велики (значительно больше 102) и, следовательно, все эти реакции практически необратимы. Реакция диссоциации аммиака (6) в интервале температур от −6 до 500°С обратима, при температурах выше 500°С она почти нацело смещена в сторону продуктов разложения аммиака.

Некаталитическое окисление аммиака в газовой фазе при высоких температурах протекает не с образованием оксида азота (II) (1), а с образованием молекулярного азота (4). Для эффективной реализации реакции (1) необходим селективный катализатор, активно адсорбирующий кислород. В промышленности чаще всего применяют платино-родиевые сплавы (кроме платины до 10% родия, палладия, рутения, осмия и др.) в виде сеток. Окисление аммиака на этом катализаторе протекает очень быстро, при времени контактирования порядка 10-4 с, а выход NO составляет примерно 98% на аммиак. Неплатиновые катализаторы, состоящие из оксидов железа и хрома, дают выход оксида азота (II) около 96%, но скорость реакции примерно в 100 раз меньше, чем на платиновых сетках. В промышленности часто используют комбинированный катализ с окислением вначале на платиновых сетках, а потом — на оксидном катализаторе.

Окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает в несколько стадий:

1) диффузия реагирующих веществ из газового объема к поверхности катализатора;

2) активированная адсорбция кислорода на активных центрах катализатора с образованием поверхностного комплекса (катализатор-кислород), из которого затем образуется новый комплекс (катализатор — кислород — аммиак);

3) стадии превращения последнего комплекса с образованием оксида азота (II) и воды;

4) десорбция продуктов реакции с поверхности катализатора (NO и H2O обладают небольшой адсорбционной способностью при температурах процесса и легко удаляются с поверхности);

5) диффузия продуктов реакции в газовый объем.

Наблюдаемая скорость каталитического окисления аммиака будет определяться скоростью диффузии того реагента, который находится в недостатке.

Механизм процесса окисления аммиака на поверхности катализатора схематично представлен на рис.1.

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.1. Схема окисления аммиака кислородом на поверхности платинового катализатора: 1 – старые связи, 2 – вновь образовавшиеся связи,

3 – место разрыва связей
Степень занятости активных центров катализатора кислородом в значительной степени зависит от температуры и концентрации кислорода в поступающей газовой смеси. Связывание кислорода с поверхностью катализатора в зависимости от температуры может происходить как за счет физической адсорбции, так и за счет хемосорбционных процессов. Физическая адсорбция и хемосорбция − процессы экзотермические, а значит, равновесное содержание сорбированного на катализаторе кислорода уменьшается с повышением температуры (рис.2). Физическая адсорбция даже при низких температурах протекает достаточно быстро и поэтому до значения t1 кривая представляет собой равновесную кривую физической адсорбции газа. При t1 одновременно с физической адсорбцией начинает протекать с небольшой скоростью и хемосорбция. С повышением температуры скорость хемосорбции возрастает, и при температуре t2 количество адсорбированного газа приближается к равновесному.

При дальнейшем повышении температуры происходит разрыв связей между адсорбированным газом и активными центрами катализатора, что приводит к резкому снижению количества адсорбированного вещества. Это снижение обусловлено тем, что наряду с возрастанием константы скорости сорбции с повышением температуры начинает сказываться смещение равновесия в сторону десорбции. Скорость десорбции растет быстрее, чем скорость сорбции вследствие меньшей энергии активации последней. Таким образом, практическая кривая адсорбции имеет минимум и максимум.

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.2. Зависимость количества адсорбированного кислорода от

температуры: 1 – равновесная кривая физической адсорбции,

2 и 3 – равновесная и практическая кривые хемосорбции
Выбор оптимальных условий для сложного необратимого каталитического процесса сводится к созданию такого технологического режима, который обеспечивал бы высокую скорость основной реакции.

Температура. На платиновом катализаторе с изменением температуры практический выход оксида азота (II) изменяется по кривой с максимумом (рис.3). Такой характер кривой определяется влиянием температуры на возможность протекания побочных реакций и на их скорость.

При низких температурах, примерно до 500°С, когда количество адсорбированного кислорода сравнительно невелико, окисление аммиака протекает в основном с образованием молекулярного азота (2.1.4), некоторого количества оксида азота (II) и, возможно, оксида азота(I).

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.3. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от температуры при разных давлениях: 1 – 0,1 МПа, 2 – 0,8 Мпа
С повышением температуры до 700-800°С выход NOвозрастает, так как увеличивается доля активных центров катализатора, занятых кислородом (кривая 3, рис.2) и растет скорость диффузии исходных веществ к поверхности катализатора. При дальнейшем повышении температуры происходит повышение скорости десорбции кислорода, и резко возрастают скорости побочных каталитических реакций и реакций, протекающих в объеме. В результате снижается выход оксида азота (II) и возрастает выход молекулярного азота. При выборе температуры окисления аммиака необходимо учитывать другой фактор, влияющий на экономические показатели процесса — потери дорогостоящей платины, которые возрастают с повышением температуры.

Необходимый температурный режим в реакторе может быть обеспечен теплом, выделяющимся при реакциях окисления аммиака, т.е. окисление аммиака проводят в автотермическом режиме.

Состав исходной смеси. Для обеспечения высокого выхода оксида азота (II) необходимо проводить процесс при избытке кислорода (рис.4). При стехиометрическом отношении кислорода к аммиаку (см. реакцию (1)), равном 1,25, часть активных центров катализатора не заполняется кислородом, что способствует реакциям разложения аммиака, окисления его до N2и, возможно, до N2O. В промышленности при использовании платино-родиевых сеток объемное отношение поддерживается в пределах 1,7 − 1,9.

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.4. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от объемного отношения кислорода к аммиаку
Повышение отношения кислорода к аммиаку свыше двух не сказывается на выходе оксида азота (II), но приводит к снижению концентрации оксида азота (II) в нитрозных газах за счет введения воздуха, что ухудшает работу абсорбционного отделения, где происходит поглощение нитрозных газов водой с образованием азотной кислоты. При использовании неплатиновых катализаторов отношение кислорода к аммиаку должно быть более двух.

Давление. Процесс окисления аммиака является стадией производства азотной кислоты, включающего еще стадии окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV) (9) и абсорбцию последнего водой (10). Проведение всех стадий под небольшим давлением имеет ряд преимуществ: повышается скорость и производительность последующих стадий в производстве азотной кислоты: реакции окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV) и абсорбции нитрозных газов водой, уменьшается объём аппаратов.

2NO O2 = 2NO2 (9)

2NO2 H2O 0,5 O2 = 2HNO3(10)

Повышение давления имеет большое значение для работы агрегатов большой единичной мощности. Однако с повышением давления уменьшается скорость внешней диффузии аммиака к поверхности катализатора, которая является лимитирующей, и затрудняется процесс десорбции продуктов каталитического окисления с поверхности катализатора в объём. Для компенсации этого необходимо повышать температуру процесса. Чем выше давление, тем более высокая температура требуется для достижения одного и того же выхода оксида азота (II) (рис.3).

С повышением температуры увеличиваются потери платины. Потери платины из-за летучести образующихся на ее поверхности оксидов и ее эрозии составляют при 900 – 950 ̊С и 0,8 МПа 250 − 400 мг на 1 т 100% HNO3. Часть платины осаждается на стенках коммуникаций и может быть собрана и регенерирована (до 50 — 70%). Потери платины могут быть уменьшены за счет добавок других металлов 8-ой группы (Pd, Rh, Ru).

Время контактирования. Реакция окисления аммиака происходит во внешнедиффузионной области, и поэтому увеличение объемной скорости и уменьшение времени контактирования оказывает положительное влияние на интенсивность процесса (рис.5).

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.5. Зависимость практического выхода оксида азота (II) от времени контактирования
Схема лабораторной установки

Схема представлена на рис 6. Газообразный аммиак из баллона 1 через ротаметр 2 поступает в смеситель 3. Ротаметр 2 не калиброван и является лишь индикаторным прибором, регистрирующим заданный расход аммиака (h мм). Расход аммиака регулируется вентилем А. Воздух подается с помощью воздуходувки 4, очищается от масла в фильтре 5, заполненном стеклянной ватой, затем поступает в смеситель 3. Расход воздуха измеряют с помощью калиброванного ротаметра 6 и регулируют вентилем Б. Аммиачно-воздушная смесь поступает в верхнюю часть контактного аппарата 7 и проходит через комбинированный катализатор (четыре платиновых сетки и слой оксидного катализатора). Полученные нитрозные газы по нижней трубке направляют на нейтрализацию.

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Рис.6. Схема лабораторной установки для окисления аммиака: 1 – баллон; 2,6 – ротаметры; 3 – смеситель; 4 – воздуходувка; 5 – фильтр; 7 -контактный аппарат: 8 – катализаторная корзина; 9 – термопара; 10 – спираль; 11 – смотровое окно; 12 – колба для отбора пробы газа

Контактный аппарат состоит из трех частей: верхнего стального конуса, футерованного алюминием; средней цилиндрической части и нижнего конуса, изготовленного из хромоникелевой стали. С целью снижения потерь тепла аппарат снаружи покрыт теплоизоляцией. Между фланцами верхнего конуса и цилиндрической частью зажат фланец катализаторной корзины 8 для таблеток неплатинового катализатора. Над корзиной укреплены платиновые сетки. Для измерения температуры в зоне катализатора в качестве датчика используют термопару 9. В верхний конус контактного аппарата вмонтирована платиновая спираль 10, которая разогревается электрическим током от сети через ЛАТР: сила тока контролируется амперметром. Аппарат имеет смотровое стекло 11 для наблюдения за разогреванием катализатора. Трубка с краном В служит для отбора аммиачно-воздушной смеси, поступающей в контактный аппарат, трубка с краном Г − для отбора нитрозных газов. Трубка с краном Д необходима для слива слабой азотной кислоты, образующейся при частичной конденсации влажных нитрозных газов.
Порядок выполнения работы

Подготовка колб для отбора газовых проб

1. Круглодонные колбы с пришлифованными пробками должны быть вымыты. Горловины колб и шлифы очищают от остатков смазки фильтровальной бумагой, наносят на шлиф пробки и горловину вакуумную смазку и тщательно притирают (шлифы после смазки и притирания должны быть совершенно прозрачными).

2. В колбу, предназначенную для анализа аммиачно-воздушной смеси, наливают из бюретки 25 мл 0,1 н раствора серной кислоты и 3 капли индикатора метилового красного. В другую колбу, предназначенную для анализа нитрозных газов, наливают 25 мл 0,1 н раствора гидроксида натрия и добавляют 3 капли того же индикатора. Затем пробки на колбах вновь притирают.

3. Колбы помещают поочередно в защитное устройство из металлической сетки и откачивают воздух вакуумным насосом до момента закипания жидкости. После этого поворачивают пробку так, чтобы отверстие в ней не совпадало с отверстием в горлышке колбы.

4. Взвешивают колбы на электронных весах.

Техника проведения эксперимента

1. Включают воздуходувку 4 и устанавливают вентилем Б заданный расход воздуха.

2. Осторожно поворачивая вентиль А, устанавливают заданный расход аммиака. Во избежание получения взрывчатой смеси содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси не должно превышать 11% объем. (не более 45 дел. (!)).

3. Для начала реакции необходимо разогреть катализатор, для чего включают платиновую спираль 10.

4. При достижении в контактном аппарате температуры 300°С выключают ток, проходящий через спираль. В дальнейшем температура в контактном аппарате будет поддерживаться за счет тепла, выделяющегося при реакции.

После установления постоянной температуры в контактном аппарате (600оС) отбирают пробы аммиачно-воздушной смеси и смеси нитрозных газов. Эта операция выполняется двумя студентами следующим образом:

1. Проводят отдувку нитрозных газов, для чего открывают кран Г и в течение нескольких секунд выпускают газ в выхлопную линию.

2. Присоединяют подготовленную колбу с кислотой к газоотборной трубке с краном В, а со щелочью к газоотборной трубке с краном Г.

3. Открывают краны В и Г.

4. Осторожно поворачивают пробки так, чтобы отверстия на них близко подошли к отросткам на горловинах колб.

5. Одновременно по счету «раз» дополнительным поворотом пробок обеспечивают поступление газа в колбы.

6. Через 3 — 4 с поворачивают пробки в первоначальное положение, прекращая, таким образом, доступ газа в колбы, перекрывают краны В и Г, и отсоединяют колбы.

7. Прекращают подачу аммиака, затем после полного охлаждения контактного аппарата выключают воздуходувку.

8. Определяют концентрации аммиака в аммиачно-воздушной смеси и оксида азота (II) в нитрозных газах. Если нужно провести опыт при других условиях, то изменяют расход воздуха или аммиака и вновь отбирают пробы газовых смесей на анализ после установления постоянной температуры в реакторе.
Исходные данные

Вариант 1.

Расход воздуха при условиях лаборатории – 40 л/мин

Температура в контактном аппарате – 750оС.

Данные о катализаторах:

-платиновый:

число сеток – 1,

рабочая площадь сетки – 40 см2,

число ячеек – 1024 на см2,

диаметр нити 0,09 мм.

-неплатиновый:

объем катализатора – 90 мл,

доля свободного объема – 0,6.

Концентрация аммиака в аммиачно-воздушной смеси – 5,6% масс.

Концентрация оксида азота (II) в нитрозных газах – 9,2% масс.

Температура в лаборатории – 18оС,

барометрическое давление – 750 мм.рт.ст.

Расчётная часть

Выход оксида азота (II) по аммиаку, который в предположении 100 % степени превращения аммиака совпадает с селективностью:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Содержание аммиака и воздуха в аммиачно-воздушной смеси в объемных процентах:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Объёмный расход аммиака:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Расходы аммиака и воздуха, приведённые к нормальным условиям:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Массовые количества введенных веществ:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Количество полученного оксида азота (II):

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O (1)

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Количество оставшегося в газовой смеси кислорода:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O (1)

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

4NH3 3O2 = 2N2 6H2O (4)

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Количество образовавшегося азота по реакции (4):

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Количество реакционной воды:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Таблица 1. Материальный баланс контактного аппарата для окисления аммиака

ПРИХОД РАСХОД
Наименование л, н.у. г %масс Наименование л, н.у. г %масс
Аммиак 3,75 2,85 5,64 Оксид азота (II) 3,50 4,68 9,26
Воздух 37,03 Азот по реакции 0,13 0,16 0,32
В том числе:

Кислород

Азот из воздуха 29,25 36,57 72,37
7,78 11,11 21,99 Кислород 3,215 4,59 9,08
Азот 29,25 36,57 72,37 Вода 4,53 8,97
Невязка 0 0
Всего: 40,78 50,53 100,00 Всего 50,53 100,00

Базис – 1 кг NO, коэффициент пересчета = 1000/4,68=213,675

Таблица 2. Материальный баланс контактного аппарата для окисления аммиака (по базису)

ПРИХОД РАСХОД
Наименование л, н.у. г %масс Наименование л, н.у. г %масс
Аммиак 801,28 608,97 5,64 Оксид азота (II) 747,86 1000,00 9,26
Воздух 7912,38 Азот по реакции 27,78 34,18 0,32
В том числе:

Кислород

Азот из воздуха 6249,99 7814,10 72,37
1662,39 2373,93 21,99 Кислород 686,97 980,77 9,08
Азот 6249,99 7814,10 72,37 Вода 967,95 8,97
Невязка 0 0
Всего: 8713,66 10797,00 100,00 Всего 10797,00 100,00

Время контактирования:

  1. Для платинового катализатора

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

  1. Для неплатинового катализатора:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Объёмное отношение O2 к NH3:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Интенсивность работы катализатора:

  1. Для платиногового катализатора:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

  1. Для неплатинового катализатора:

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Практический выход оксида азота (II):

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O (1)

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Какой объем кислорода необходим для каталитического окисления 120 л аммиака

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий