Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. Кислород

Аммиак, химические свойства, получение

1

H

ВодородВодород

1,008

1s1

2,2

Бесцветный газ

пл=-259°C

кип=-253°C

2

He

ГелийГелий

4,0026

1s2

Бесцветный газ

кип=-269°C

3

Li

ЛитийЛитий

6,941

2s1

0,99

Мягкий серебристо-белый металл

пл=180°C

кип=1317°C

4

Be

БериллийБериллий

9,0122

2s2

1,57

Светло-серый металл

пл=1278°C

кип=2970°C

5

B

БорБор

10,811

2s2 2p1

2,04

Темно-коричневое аморфное вещество

пл=2300°C

кип=2550°C

6

C

УглеродУглерод

12,011

2s2 2p2

2,55

Прозрачный (алмаз) / черный (графит) минерал

пл=3550°C

кип=4830°C

7

N

АзотАзот

14,007

2s2 2p3

3,04

Бесцветный газ

пл=-210°C

кип=-196°C

8

O

КислородКислород

15,999

2s2 2p4

3,44

Бесцветный газ

пл=-218°C

кип=-183°C

9

F

ФторФтор

18,998

2s2 2p5

4,0

Бледно-желтый газ

пл=-220°C

кип=-188°C

10

Ne

НеонНеон

20,180

2s2 2p6

Бесцветный газ

пл=-249°C

кип=-246°C

11

Na

НатрийНатрий

22,990

3s1

0,93

Мягкий серебристо-белый металл

пл=98°C

кип=892°C

12

Mg

МагнийМагний

24,305

3s2

1,31

Серебристо-белый металл

пл=649°C

кип=1107°C

13

Al

АлюминийАлюминий

26,982

3s2 3p1

1,61

Серебристо-белый металл

пл=660°C

кип=2467°C

14

Si

КремнийКремний

28,086

3s2 3p2

1,9

Коричневый порошок / минерал

пл=1410°C

кип=2355°C

15

P

ФосфорФосфор

30,974

3s2 3p3

2,2

Белый минерал / красный порошок

пл=44°C

кип=280°C

16

S

СераСера

32,065

3s2 3p4

2,58

Светло-желтый порошок

пл=113°C

кип=445°C

17

Cl

ХлорХлор

35,453

3s2 3p5

3,16

Желтовато-зеленый газ

пл=-101°C

кип=-35°C

18

Ar

АргонАргон

39,948

3s2 3p6

Бесцветный газ

пл=-189°C

кип=-186°C

19

K

КалийКалий

39,098

4s1

0,82

Мягкий серебристо-белый металл

пл=64°C

кип=774°C

20

Ca

КальцийКальций

40,078

4s2

1,0

Серебристо-белый металл

пл=839°C

кип=1487°C

21

Sc

СкандийСкандий

44,956

3d1 4s2

1,36

Серебристый металл с желтым отливом

пл=1539°C

кип=2832°C

22

Ti

ТитанТитан

47,867

3d2 4s2

1,54

Серебристо-белый металл

пл=1660°C

кип=3260°C

23

V

ВанадийВанадий

50,942

3d3 4s2

1,63

Серебристо-белый металл

пл=1890°C

кип=3380°C

24

Cr

ХромХром

51,996

3d5 4s1

1,66

Голубовато-белый металл

пл=1857°C

кип=2482°C

25

Mn

МарганецМарганец

54,938

3d5 4s2

1,55

Хрупкий серебристо-белый металл

пл=1244°C

кип=2097°C

26

Fe

ЖелезоЖелезо

55,845

3d6 4s2

1,83

Серебристо-белый металл

пл=1535°C

кип=2750°C

27

Co

КобальтКобальт

58,933

3d7 4s2

1,88

Серебристо-белый металл

пл=1495°C

кип=2870°C

28

Ni

НикельНикель

58,693

3d8 4s2

1,91

Серебристо-белый металл

пл=1453°C

кип=2732°C

29

Cu

МедьМедь

63,546

3d10 4s1

1,9

Золотисто-розовый металл

пл=1084°C

кип=2595°C

30

Zn

ЦинкЦинк

65,409

3d10 4s2

1,65

Голубовато-белый металл

пл=420°C

кип=907°C

31

Ga

ГаллийГаллий

69,723

4s2 4p1

1,81

Белый металл с голубоватым оттенком

пл=30°C

кип=2403°C

32

Ge

ГерманийГерманий

72,64

4s2 4p2

2,0

Светло-серый полуметалл

пл=937°C

кип=2830°C

33

As

МышьякМышьяк

74,922

4s2 4p3

2,18

Зеленоватый полуметалл

субл=613°C

(сублимация)

34

Se

СеленСелен

78,96

4s2 4p4

2,55

Хрупкий черный минерал

пл=217°C

кип=685°C

35

Br

БромБром

79,904

4s2 4p5

2,96

Красно-бурая едкая жидкость

пл=-7°C

кип=59°C

36

Kr

КриптонКриптон

83,798

4s2 4p6

3,0

Бесцветный газ

пл=-157°C

кип=-152°C

37

Rb

РубидийРубидий

85,468

5s1

0,82

Серебристо-белый металл

пл=39°C

кип=688°C

38

Sr

СтронцийСтронций

87,62

5s2

0,95

Серебристо-белый металл

пл=769°C

кип=1384°C

39

Y

ИттрийИттрий

88,906

4d1 5s2

1,22

Серебристо-белый металл

пл=1523°C

кип=3337°C

40

Zr

ЦирконийЦирконий

91,224

4d2 5s2

1,33

Серебристо-белый металл

пл=1852°C

кип=4377°C

41

Nb

НиобийНиобий

92,906

4d4 5s1

1,6

Блестящий серебристый металл

пл=2468°C

кип=4927°C

42

Mo

МолибденМолибден

95,94

4d5 5s1

2,16

Блестящий серебристый металл

пл=2617°C

кип=5560°C

43

Tc

ТехнецийТехнеций

98,906

4d6 5s1

1,9

Синтетический радиоактивный металл

пл=2172°C

кип=5030°C

44

Ru

РутенийРутений

101,07

4d7 5s1

2,2

Серебристо-белый металл

пл=2310°C

кип=3900°C

45

Rh

РодийРодий

102,91

4d8 5s1

2,28

Серебристо-белый металл

пл=1966°C

кип=3727°C

46

Pd

ПалладийПалладий

106,42

4d10

2,2

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1552°C

кип=3140°C

47

Ag

СереброСеребро

107,87

4d10 5s1

1,93

Серебристо-белый металл

пл=962°C

кип=2212°C

48

Cd

КадмийКадмий

112,41

4d10 5s2

1,69

Серебристо-серый металл

пл=321°C

кип=765°C

49

In

ИндийИндий

114,82

5s2 5p1

1,78

Мягкий серебристо-белый металл

пл=156°C

кип=2080°C

50

Sn

ОловоОлово

118,71

5s2 5p2

1,96

Мягкий серебристо-белый металл

пл=232°C

кип=2270°C

51

Sb

СурьмаСурьма

121,76

5s2 5p3

2,05

Серебристо-белый полуметалл

пл=631°C

кип=1750°C

52

Te

ТеллурТеллур

127,60

5s2 5p4

2,1

Серебристый блестящий полуметалл

пл=450°C

кип=990°C

53

I

ИодИод

126,90

5s2 5p5

2,66

Черно-серые кристаллы

пл=114°C

кип=184°C

54

Xe

КсенонКсенон

131,29

5s2 5p6

2,6

Бесцветный газ

пл=-112°C

кип=-107°C

55

Cs

ЦезийЦезий

132,91

6s1

0,79

Мягкий серебристо-желтый металл

пл=28°C

кип=690°C

56

Ba

БарийБарий

137,33

6s2

0,89

Серебристо-белый металл

пл=725°C

кип=1640°C

57

La

ЛантанЛантан

138,91

5d1 6s2

1,1

Серебристый металл

пл=920°C

кип=3454°C

58

Ce

ЦерийЦерий

140,12

f-элемент

Серебристый металл

пл=798°C

кип=3257°C

59

Pr

ПразеодимПразеодим

140,91

f-элемент

Серебристый металл

пл=931°C

кип=3212°C

60

Nd

НеодимНеодим

144,24

f-элемент

Серебристый металл

пл=1010°C

кип=3127°C

61

Pm

ПрометийПрометий

146,92

f-элемент

Светло-серый радиоактивный металл

пл=1080°C

кип=2730°C

62

Sm

СамарийСамарий

150,36

f-элемент

Серебристый металл

пл=1072°C

кип=1778°C

63

Eu

ЕвропийЕвропий

151,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=822°C

кип=1597°C

64

Gd

ГадолинийГадолиний

157,25

f-элемент

Серебристый металл

пл=1311°C

кип=3233°C

65

Tb

ТербийТербий

158,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1360°C

кип=3041°C

66

Dy

ДиспрозийДиспрозий

162,50

f-элемент

Серебристый металл

пл=1409°C

кип=2335°C

67

Ho

ХольмийХольмий

164,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1470°C

кип=2720°C

68

Er

ЭрбийЭрбий

167,26

f-элемент

Серебристый металл

пл=1522°C

кип=2510°C

69

Tm

ТулийТулий

168,93

f-элемент

Серебристый металл

пл=1545°C

кип=1727°C

70

Yb

ИттербийИттербий

173,04

f-элемент

Серебристый металл

пл=824°C

кип=1193°C

71

Lu

ЛютецийЛютеций

174,96

f-элемент

Серебристый металл

пл=1656°C

кип=3315°C

72

Hf

ГафнийГафний

178,49

5d2 6s2

Серебристый металл

пл=2150°C

кип=5400°C

73

Ta

ТанталТантал

180,95

5d3 6s2

Серый металл

пл=2996°C

кип=5425°C

74

W

ВольфрамВольфрам

183,84

5d4 6s2

2,36

Серый металл

пл=3407°C

кип=5927°C

75

Re

РенийРений

186,21

5d5 6s2

Серебристо-белый металл

пл=3180°C

кип=5873°C

76

Os

ОсмийОсмий

190,23

5d6 6s2

Серебристый металл с голубоватым оттенком

пл=3045°C

кип=5027°C

77

Ir

ИрридийИрридий

192,22

5d7 6s2

Серебристый металл

пл=2410°C

кип=4130°C

78

Pt

ПлатинаПлатина

195,08

5d9 6s1

2,28

Мягкий серебристо-белый металл

пл=1772°C

кип=3827°C

79

Au

ЗолотоЗолото

196,97

5d10 6s1

2,54

Мягкий блестящий желтый металл

пл=1064°C

кип=2940°C

80

Hg

РтутьРтуть

200,59

5d10 6s2

2,0

Жидкий серебристо-белый металл

пл=-39°C

кип=357°C

81

Tl

ТаллийТаллий

204,38

6s2 6p1

Серебристый металл

пл=304°C

кип=1457°C

82

Pb

СвинецСвинец

207,2

6s2 6p2

2,33

Серый металл с синеватым оттенком

пл=328°C

кип=1740°C

83

Bi

ВисмутВисмут

208,98

6s2 6p3

Блестящий серебристый металл

пл=271°C

кип=1560°C

84

Po

ПолонийПолоний

208,98

6s2 6p4

Мягкий серебристо-белый металл

пл=254°C

кип=962°C

85

At

АстатАстат

209,98

6s2 6p5

2,2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=302°C

кип=337°C

86

Rn

РадонРадон

222,02

6s2 6p6

2,2

Радиоактивный газ

пл=-71°C

кип=-62°C

87

Fr

ФранцийФранций

223,02

7s1

0,7

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

пл=27°C

кип=677°C

88

Ra

РадийРадий

226,03

7s2

0,9

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=700°C

кип=1140°C

89

Ac

АктинийАктиний

227,03

6d1 7s2

1,1

Серебристо-белый радиоактивный металл

пл=1047°C

кип=3197°C

90

Th

ТорийТорий

232,04

f-элемент

Серый мягкий металл

91

Pa

ПротактинийПротактиний

231,04

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

92

U

УранУран

238,03

f-элемент

1,38

Серебристо-белый металл

пл=1132°C

кип=3818°C

93

Np

НептунийНептуний

237,05

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

94

Pu

ПлутонийПлутоний

244,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

95

Am

АмерицийАмериций

243,06

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

96

Cm

КюрийКюрий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

97

Bk

БерклийБерклий

247,07

f-элемент

Серебристо-белый радиоактивный металл

98

Cf

КалифорнийКалифорний

251,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

99

Es

ЭйнштейнийЭйнштейний

252,08

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

100

Fm

ФермийФермий

257,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

101

Md

МенделевийМенделевий

258,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

102

No

НобелийНобелий

259,10

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

103

Lr

ЛоуренсийЛоуренсий

266

f-элемент

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

104

Rf

РезерфордийРезерфордий

267

6d2 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

105

Db

ДубнийДубний

268

6d3 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

106

Sg

СиборгийСиборгий

269

6d4 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

107

Bh

БорийБорий

270

6d5 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

108

Hs

ХассийХассий

277

6d6 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

109

Mt

МейтнерийМейтнерий

278

6d7 7s2

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

110

Ds

ДармштадтийДармштадтий

281

6d9 7s1

Нестабильный элемент, отсутствует в природе

Металлы

Неметаллы

Щелочные

Щелоч-зем

Благородные

Галогены

Халькогены

Полуметаллы

s-элементы

p-элементы

d-элементы

f-элементы

Наведите курсор на ячейку элемента, чтобы получить его краткое описание.

Чтобы получить подробное описание элемента, кликните по его названию.

Окисление аммиака до оксида азота (ii) — киберпедия

При окислении аммиака кислородом воздуха на катализаторе возможно протекание следующих реакций:

1) 4NH3 5O2 = 4NO 6H2O – ΔH; ΔH = 907,3 кДж;

2) 4NH3 4O2 = 2N2O 6H2O – ΔH; ΔH = 1104,9 кДж;

3) 4NH3 3O2 = 2N2 6H2O – ΔH; ΔH = 1269,1 кДж;

а также реакция с участием образующегося оксида азота (II):

4NH3 6NO = 5N2 6H2O – ΔH; ΔH = 110 кДж.

Все реакции практически необратимы, поэтому направление процесса окисления определяется соотношением скоростей этих реакций. Из трех основных реакций окисления аммиака реакция 3 термодинамически наиболее вероятна, так как протекает с максимальным выделением тепла. Поэтому, в отсутствии катализатора окисление аммиака идет преимущественно до элементарного азота. Для ускорения целевой реакции окисления до оксида азота (II) применяют селективно действующие катализаторы. В современных установках используют платиновые катализаторы в виде пакета сеток из сплава платины с 7,5 % родия, или двухступенчатые катализаторы в виде слоя таблетированной смеси оксидов железа (III) и хрома (III). Введение родия повышает механическую прочность и уменьшает потери платины за счет ее уноса тоном газа. Поверхность подобных катализаторов достигает 1,5 м23 объема.

Механизм гетерогенного каталитического окисления аммиака состоит из следующих последовательных стадий:

· диффузия молекул аммиака и кислорода из газовой фазы к поверхности катализатора;

· активированная адсорбция молекул кислорода на поверхности катализатора с образованием промежуточного соединения;

· хемосорбция молекул аммиака и образование комплекса;

· разложение комплекса с регенерацией катализатора и образованием молекул оксида азота (II) и воды;

· диффузия продуктов реакции с поверхности катализатора в газовую фазу.

Схема действия катализатор представлена на рис.:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Рис. Схема окисления аммиака на катализаторе:

сплошные линии – ранее возникшие связи;

пунктирные – вновь образующиеся связи.

1 – катализатор, 2 – места разрыва связей.

Определяющей стадией всего процесса окисления является скорость диффузии кислорода к поверхности катализатора. Следовательно, каталитическое окисление аммиака на платиновом катализаторе протекает преимущественно в диффузионной области, в отличие от окисления на окисном катализаторе, которое идет в кинетической области.

Платиновые катализаторы весьма чувствительны к каталитическим ядам, содержащимся в аммиаку и воздухе, образующим аммиачно-воздушную смесь (АмВС). Фосфористый водород вызывает его необратимое, а ацетилен, сероводород и органические соединения серы обратимое отравление. Так как вследствие этого активность катализатора снижается, его периодически регенерируют промывкой соляной или азотной кислотой.

В процессе работы поверхность катализатора разрушается и частицы его уносятся с потоком газа. Эрозия катализатора тем больше, чем выше температура, давление и объемная скорость газа, проходящего через катализатор. Для систем, работающих под высоким давлением, унос катализатора составляет 0,3 – 0,4 г на тонну азотной кислоты.

В присутствии платиновых катализаторов селективность процесса окисления аммиака до оксида азота (II):

sNO = m NO / (m NO m N O m N )

составляет 0,95 – 0,98 дол. ед. В этих условиях скорость окисления до оксида азота (II) описывается уравнением:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ,

где: Аммиак — урок. Химия, 9 класс. — парциальное давление аммиака, окисляемого до оксида азота (II),

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. — парциальное давление аммиака, окисляемого до оксида азота (I) и элементарного азота,

k – константа скорости.

Энергия активации этой реакции составляет 33,494 кДж/моль.

Из двух, конкурирующих с целевой реакцией окисления аммиака, наиболее опасной является реакция, приводящая к образованию элементарного азота. Скорость обеих реакций может быть описана общим для гетерогенных реакций уравнением:

U = k M ∙ F KT ∙ ΔC

и зависит от таких параметров процесса как температура (через k M), давление и состав АмВС, то есть отношение кислород : аммиак (через ΔС), время контактирования, то есть время пребывания АмВС в зоне катализатора. Влияние этих факторов на скорость окисления аммиака до оксида азота (II) и до азота и, следовательно, выход продуктов окисления, различно.

Влияние температуры

Повышение температуры способствует увеличению скорости реакций и коэффициента диффузии аммиака в смеси и, поэтому, является наиболее эффективным средством, увеличения скорости процесса, протекающего преимущественно в диффузионной области. Это подтверждается термодинамическими данными.

Реакция ΔН, кДж/моль ΔG, кДж/моль
298 ºК 1173 ºК
4NH3 5O2=4NO 6H2O -226,0 -246,2 -414,6
4NH3 3O2=2N2 6H2O -317,2 -326,9 -335,2

Из таблицы следует, что вероятность реакции окисления до оксида азота (II) с повышением температуры возрастает почти вдвое, а реакции окисления до азота почти не изменяется.

Влияние состава АмВС

Соотношение аммиака и кислорода в газовой смеси влияет на температурный режим и общую скорость процесса в том случае, если лимитирующей в нем является химическая реакция, то есть процесс протекает в кинетической области. При стехиометрическом соотношении компонентов в АмВС степень превращения аммиака в оксид азота (II) не превышает 0,65 дол.ед. Для увеличения выхода оксида азота (II) процесс ведут при отношении О2 : NH3 = 1,8 – 2,0, что соответствует содержанию в АмВС 0,095 – 0,105 об. долей аммиака и 0,18 – 0,19 об. долей кислорода. Избыток кислорода используется на стадии доокисления оксида азота (II), а указанный состав АмВС обеспечивает автотермичность процесса окисления и лежит за пределом взрывчатости АмВС.

Влияние давления

Повышение давления ускоряет процесс окисления аммиака за счет увеличения концентрации реагентов и производительности катализатора, что позволяет сократить размеры аппаратуры. При этом, однако, снижается выход оксида азота (II) и увеличивается эрозия и унос катализатора, что удорожает продукцию. Так, если при атмосферном давлении (105 Па) унос катализатора не превышает 0,05 г на тонну азотной кислоты, то при давлении 0,8 МПа он достигает 0,4 г/тонну.

§

Скорость каталитического окисления аммиака до оксида азота (II) весьма высока. За десятитысячные доли секунды степень превращения составляет 0,97 – 0,98 дол.ед. при атмосферном давлении и 0,98 – 0,96 при давлении 0,8 – 1,0 МПа. Время контактирования может быть рассчитано из формулы:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ,

где: Vk – объем катализатора, определяемый в случае платинового катализатора числом сеток в пакете,

W – объемная скорость АмВС.

Время контактирования зависит от природы катализатора и составляет: для платиновых катализаторов около 10-2 с. Увеличение времени контактирования, то есть снижение объемной скорости АмВС приводит к развитию реакции окисления аммиака до элементарного азота.

Оптимальный режим процесса на этой стадии должен обеспечить селективность окисления аммиака, минимальные потери катализатора вследствие его уноса и автотермичность процесса. Этим требованиям удовлетворяют следующие условия: температура 800 ºС, давление 0,1 – 1,0 МПа, молярное отношение О2 : NH3 = 1,8 – 2,0, время контактирования 1-2∙10-4 сек.

Для соблюдения этих условий исходная АмВС должна иметь состав: аммиак 0,10 – 0,115 об.дол., кислород 0,18 – 0,19 об.дол., азот 0,70 – 0,72 об.дол.

При использовании АмВС такого состава нитрозные газы, выходящие из контактного аппарата, содержат от 0,08 до 0,11 об.дол. оксида азота (II).

Катализаторы

Превосходство платины по активности и селективности над всеми другими видами катализаторов было показано в 1902 г. Оствальдом. Характерно, что активность к реакции окисления аммиака проявляет подавляющее большинство металлов и их соединений, но высокий выход N0 (выше 90%) обеспечивают очень немногие из них. Обладая высокой активностью и селективностью, платина имеет низкую температуру зажигания 195 ºС, хорошую пластичность, тягучесть. Недостаток платины — ее быстрое разрушение при высоких температурах под воздействием больших скоростных потоков реагентов и катализаторных ядов. Это приводит к потерям дорогостоящего катализатора и снижению выхода N0, что и явилось причиной поисков каталитически активных сплавов платины с другими металлами. Проведенные промышленные испытания показали стабильную работу катализаторов из платины с добавками палладия, а также из тройного сплава Pt-Rh-Pd. Наибольшее распространение получили следующие катализаторы окисления аммиака: Pt 4% Pd 3,5%Rh — для работы при атмосферном давлении и Pt 7,5% Rh — при повышенном давлении.

Используемые для контактного окисления NH3 катализаторы изготавливают в виде сеток. Такая форма катализатора удобна в эксплуатации, связана с минимальными затратами металла, позволяет применять наиболее простой и удобный в эксплуатации тип контактного аппарата. В нашей стране применяются сетки из проволоки диаметром 0,09 мм, размер стороны ячейки 0,22 мм, число ячеек на 1 см длины — 32, на 1см2 – 1024.

Платинородиевые (ГИАП-1) и платинородиевопалладиевые (сплав № 5) катализаторы весьма чувствительны к ряду примесей, которые содержатся в аммиаке и воздухе. К таким примесям относятся гидриды фосфора и мышьяка, фтор и его соединения, дихлорэтан, минеральные масла, ацетилен, диоксид серы, сероводород и др. Наиболее сильными ядами катализатора являются соединения серы и фтора. Примеси заметно снижают селективность катализатора, способствуют увеличению потерь платины. Для поддержания стабильной степени конверсии аммиака необходима тщательная очистка аммиачно-воздушной смеси и от механических примесей, особенно от оксидов железа и пыли железного катализатора синтеза аммиака. Пыль и оксиды железа, попадая на катализаторные сетки, засоряют их, уменьшая поверхность соприкосновения газов с поверхностью катализатора, и снижают степень окисления аммиака.

Чистоту исходных веществ в производстве азотной кислоты обеспечивают двумя путями – дальним забором воздуха и усовершенствованием систем очистки воздуха и аммиака.

В процессе реакции окисления аммиака поверхность платиноидных сеток сильно разрыхляется. эластичные нити сеток становятся хрупкими, поверхность сетки увеличивается примерно в 30 раз. Сначала это ведет к повышению каталитической активности катализатора, а затем к разрушению сеток. Практикой установлены следующие сроки работы катализаторных сеток: для работы под атмосферном давлении – до 14 мес., под давлением 0,73 МПа – 8-9 мес.

§

Нитрозные газы, полученные на стадии окисления аммиака, содержат оксид азота (II), азот, кислород и пары воды. При окислении оксида азота (II) в оксид азота (IV) в этой системе протекают три параллельных реакции:

1) 2NO O2 2NO2 – ΔH, ΔH = 112,3 кДж,

2) 2NO2 N2O4 – ΔH, ΔH = 57,0 кДж,

3) NO2 NO N2O3 – ΔH, ΔH = 40,0 кДж.

Все эти реакции обратимы, протекают в гомогенной системе с выделением тепла и уменьшением объема. Вследствие этого понижение температуры и повышение давления сдвигает равновесие их вправо.

Константа равновесия первой реакции окисления оксида азота (II) выражается уравнением:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ,

и сильно зависит от температуры.

tºC
Kp 1,24∙1014 1,82∙108 8,5∙104 2,1∙10-3 5,6∙10-3 1,5∙10-3

Из таблицы следует, что при температурах ниже 100 ºС равновесие первой реакции почти полностью сдвинуто в сторону образования оксида азота (IV). При повышении температуры оно сдвигается влево и выше 700 ºС образования оксида азота (IV) практически не происходит. Так как нитрозные газы выходят из реактора при температуре около 800 ºС, в них оксид азота (IV) газы необходимо охладить ниже 100 ºС.

Обычно переработку нитрозных газов ведут при 10 – 50 ºС. В этих условиях часть оксида азота (IV) димеризуется в тетроксид N2O4. Степень димеризации его существенно зависит от температуры. При температуре выше 150 ºС равновесие второй реакции почти полностью сдвинуто влево и тетроксид азота в газе практически отсутствует. Даже при -20 ºС степень димеризации оксида азота (IV) не превышает 92%.

Скорости первой и второй реакций различны, поэтому соответствующие равновесия устанавливаются не одновременно. Первая реакция окисления протекает с меньшей скоростью, поэтому скорость всего процесса на этой стадии производства определяется именно скоростью окисления оксида азота (II), которая выражается общим для гомогенных реакций уравнением:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. .

Для этой реакции характерна аномальная зависимость ее скорости от температуры. Она ускоряется при понижении температуры и почти полностью прекращается с повышением температуры до определенного предела. Это объясняется особым механизмом окисления оксида азота (II) в оксид азота (IV), которое протекает в две стадии через образование промежуточного продукта – димера оксида азота (II):

2 NO N2O2 – ΔH,

N2O2 O2 2NO2 – ΔH.

Реакция образования димера обратима, протекает с выделением тепла и значительно быстрее, чем реакция его последующего окисления. Поэтому при повышении температуры равновесие реакции образования димера сдвигается влево и равновесная концентрация димера в газе понижается. Так как скорость реакции окисления димера:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

зависит от его концентрации, то уменьшение скорости при повышении температуры вызывает снижение скорости окисления димера и, следовательно, оксида азота (II) до оксида азота (IV).

Скорость реакции димеризации оксида азота (IV) в тетроксид весьма высока, поэтому равновесие второй реакции устанавливается практически мгновенно и соотношение оксидов NO2 : N2O4 определяется условиями этого равновесия, установившегося в газе.

Таким образом, понижение температуры и повышение давления в нитрозном газе способствует окислению оксида азота (II) в оксид азота (IV) и димеризации последнего.

Абсорбция оксида азота (IV)

Нитрозные газы, поступающие на абсорбцию, представляют сложную смесь различных оксидов азота (NO2, N2O4, NO, N2O), элементарного азота, кислорода и паров воды. Их состав зависит от условий окисления, то есть от состояния системы, описываемого тремя реакциями.

Все оксиды азота, входящие в состав нитрозных газов, нерастворимы в воде, но, за исключением оксида азота (II), взаимодействуют с ней. Поглощение их водой сопровождается химической реакцией хемосорбции, протекающей в системе «газ-жидкость», описываемой уравнениями:

2NO2 H2O HNO3 HNO2 – ΔH, ΔH = 116 кДж,

N2O4 H2O HNO3 HNO2 – ΔH, ΔH = 59 кДж

и распада нестойкой азотистой кислоты по уравнению:

3HNO2 HNO3 2NO H2O ΔH, ΔH = 76 кДж.

Суммируя эти уравнения, получаем итоговые уравнения поглощения оксидов азота водой:

3NO2 г H2O ж 2HNO3 ж NO г – ΔH, ΔH = 136 кДж,

3N2O4 г H2O ж 4HNO3 ж 2NO г – ΔH, ΔH = 101 кДж.

Из этих уравнений следует, что при абсорбции из трех моль оксида азота (IV) образуется два моля азотной кислоты и один моль оксида азота (II), который возвращается в цикл и снова окисляется до оксида азота (IV).

Механизм образования азотной кислоты при адсорбции оксида азота (IV) водой, а затем образующейся водной азотной кислотой, заключается в том, что оксид азота (IV) диффундирует через пограничный слой газа к поверхности жидкости и абсорбируется ею. При этом оксид азота (IV) реагирует с водой в первой реакции со скоростью, превышающей скорость диффузии и скорость реакции разложения азотистой кислоты в третьей реакции. Образующийся оксид азота (II) выделяется в газовую фазу, где окисляется кислородом до оксида азота (IV).

Скорость процесса абсорбции оксида азота (IV) водой описывается уравнения для гетерогенных процессов:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ,

где Δp – движущая сила абсорбции,

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. – парциальное давление NO2 в газовой фазе,

Аммиак — урок. Химия, 9 класс. – равновесное давление NO2 у поверхности водного раствора азотной кислоты.

С повышением концентрации кислоты в процессе абсорбции возрастает равновесное давление оксида азота (IV) и снижается движущая сила процесса. Вследствие этого процесс абсорбции замедляется.

Состояние системы «NO2 – HNO3 – H2O» и, следовательно, концентрация получаемой азотной кислоты зависит от температуры, давления, парциального давления оксида азота (IV) в поглощаемой газовой смеси и концентрации образовавшейся кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышения давления степень абсорбции оксида азота (IV) водной азотной кислотой возрастает, при том тем интенсивнее, чем выше концентрация его в нитрозных газах. При атмосферном давлении и температуре 25 ºС абсорбция оксида азота практически прекращается, когда концентрация кислоты достигнет 0,65 мас.долей.

Таким образом, возможность получения азотной кислоты концентрацией более 0,65 мас.дол. объективно ограничена температурой и давлением процесса абсорбции и содержанием оксида азота (IV) в нитрозных газах. В реальных условиях производства при температуре 40 ºС, давлении 0,1 МПа и понижении содержания оксида азота вследствие его поглощения из газа концентрация получаемой кислоты не превышает 0,5 мас.дол. Получение азотной кислоты более высокой концентрации требует иной технологии.

Степень абсорбции оксида азота (IV) непосредственно связана с абсорбционным объемом аппаратуры. Повышение степени абсорбции требует, особенно, в конце процесса, значительного увеличения абсорбционного объема. Так, если степень абсорбции, равная 0,92 дол.ед., может быть достигнута при Vаб = 22 м3/т кислоты, то для повышения ее до 0,98 дол.единицы, то есть на 6,5% абсорбционный объем должен быть увеличен до 70 м3/т. Так как увеличение абсорбционного объема вызывает резкое возрастание капитальных затрат, то экономически более выгодно не добиваться степени абсорбции выше 0,98 дол.ед., а поглощать остатки оксида азота (IV) в отходящих газах щелочными поглотителями с последующим окислением образовавшегося нитрита натрия концентрированной азотной кислотой и возвращением оксида азота (II) в цикл (инверсия оксида азота (II)):

2NO2 Na2CO3 = NaNO2 NaNO3 CO2,

3NaNO2 2HNO3 = 3NaNO3 2NO H2O.

§

Процесс синтеза азотной кислоты из аммиака протекает в несколько стадий, каждая из которых включает несколько химических реакций. Для количественных расчетов процесса, в частности, определения расходных коэффициентов и общего выхода азотной кислоты на исходное сырье, целесообразно пользоваться итоговым уравнением, полученным суммированием уравнений реакций каждой стадии после соответствующих операций деления и умножения их:

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O x 2

2NO O2 = 2NO2 x 6

3NO2 H2O = 2HNO3 NO x 4

8NH3 16O2 = 8HNO3 8H2O : 8

NH3 2O2 = HNO3 H2O

Охрана окружающей среды

Неуклонный рост производства азотной кислоты тесно связан с увеличением о6ъемаотходяших газов, а следовательно, с ростом количества выбрасываемых в атмосферу оксидов азота. Оксиды азота очень опасны для любых живых организмов. Некоторые растения повреждаются уже через 1 ч пребывания в атмосфере, содержащей 1 мг оксидов в 1 м3 воздуха. Оксиды азота вызывают раздражение слизистой оболочки дыхательных путей, ухудшение снабжения тканей кислородом и другие нежелательные последствия. Хвостовые газы производства азотной кислоты содержат после абсорбционных колонн от 0,05 до 0,2% оксидов азота, которые по санитарным требованиям без дополнительной очистки запрещено выбрасывать в атмосферу.

Радикальное решение проблем очистки хвостовых газов – каталитическое восстановление оксидов азота снижает их содержание в очищенном газе до 0,001-0,005%. что обеспечивает санитарные нормы по содержанию оксидов азота в приземном слое воздуха при мощностях производства кислоты до 1 млн т/год, сосредоточенных в одной точке и при высоте выброса 100-150 м. На ряде существующих предприятий по производству азотной кислоты под давлением применен метод очистки, в котором восстановителем является природный газ, а в качестве катализатора используется палладий на носителе, в качестве второго слоя катализатора — носитель (оксид алюминия). На катализаторе протекают следующие реакции:

CH4 202 CO22О;

CH4 2NO2 N22О СО2;

CH4 4NO 2N22О СО2.

Метод обеспечивает снижение содержания оксидов азота в выхлопных газах до 0,005%. Теплота реакции используется для получения пара. Данный метод очистки органически связан с технологией производства азотной кислоты. Он нашел применение в агрегате, работающем под давлением 0,716 МПа, и в aгpeгaтe AK-72.

В качестве восстановителя вместо природного газа применяют также аммиак. Этот метод характеризуется тем, что на алюмованадиевом катализаторе аммиак реагирует только с оксидами азота, т. е. обеспечивает селективное восстановление:

4NH3 6NO 5N2 6H2О;

8NH3 6NO2 7N2 12H2О.

Одним из наиболее реальных способов утилизации оксидов азота, обеспечивающих санитарные нормы содержания оксидов азота в приземном слое атмосферы после рассеивания их из выхлопной трубы, является адсорбционно-десорбционный метод, в котором используется непрерывно циркулирующий сорбент (силикагель). Разработаны способы адсорбции на молекулярных ситах, промывки кислым раствором мочевины и другими промывными жидкостями. На современных установках получения азотной кислоты нет постоянных источников сточных вод. Эти установки потребляют большое количество оборотной охлаждающей воды. Растворы, периодически сливаемые из насосов и другого оборудования, например при проведении ремонта, собирают в приямок и нейтрализуют.

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.Аммиак — урок. Химия, 9 класс.Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Схема производства азотной кислоты под давлением 0,716 МПа с приводом компрессора от газовой турбины:

1 – фильтр воздуха; 2 – реактор каталитической очистки; 3 – топочное устройство; 4 – подогреватель метана; 5 – подогреватель аммиака; 6 – смеситель аммиака и воздуха с пролитовым фильтром; 7 – холодильник-конденсатор; 8 – сепаратор; 9 – абсорбционная колонна; 10 – продувочная колонна; 11 – подогреватель отходящих газов; 12 – подогреватель воздуха; 13 – сосуд для окисления нитрозных газов; 14 – контактный аппарат; 15 – котел‑утилизатор; 16,18 – двухступенчатый турбокомпрессор; 17 – газовая турбина

§

Блок-схема

Рис. Структурная блок-схема производства азотной кислоты:

1 – блок подготовки сырья; 2 – блок окисления аммиака; 3 – блок абсорбции нитрозных газов.

Условно постоянная информация для расчета

G – масса потока;

V – объём потока;

N – количество молей потока;

g – доля компонентов в потоке: нижний индекс номер потока; верхний – компонент.

Составы потоков

№ потока Индекс потока Ед. измер. Содержание компонентов
NH3 O2 N2 NO H2O HNO3
кмоль 100%     
кмоль  21% 79%   
кмоль 9,4% 19,0% 71,5%   
кмоль  кмоль кмоль кмоль кмоль 
кмоль     кмоль 
кмоль  кмоль кмоль   
кг     44% 59%
кмоль  3,0% кмоль кмоль 2,6% 

Балансовая математическая модель

Составление системы уравнений

4NH3 5O2 = 4NO 6H2O ΔH1

2NO O2 2NO2 ΔH2

2NO 1,5O2 H2O = 2HNO3 ΔH3

СН4 4NO = CO2 2N2 2H2O

Уравнения для блока контактирования:

По оксиду азота:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По азоту:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По кислороду:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По воде:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Уравнения для блока абсорбции:

По оксиду азота:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По воде:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По кислороду:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Уравнение для потока выхлопных газов:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

По метану:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Подготовка системы для решения на ЭВМ

Соответствие переменных потокам

Матрица коэффициентов


ур-я
ai при xi Свободный член
bi
х1 х2 х3 х4 х5 х6 х7 х8 х9
0,09 –1
0,717 –1
0,186 –1,25 –1
–0,14
47,62
-0,01 –0,025 154,76
–0,030 0,21 35,71
–0,03 –1 0,945 -0,79
-0,005
Обратная матрица 
11,11 0,00 0,00 0,00 11,11 0,00 0,00 0,00 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00 1,00 0,00 0,00 0,00 0,00
7,97 -1,00 0,00 0,00 7,97 0,00 0,00 0,00 0,00
2,07 0,00 -1,00 0,00 0,82 0,00 0,00 0,00 0,00
1,56 0,00 0,00 1,00 1,56 0,00 0,00 0,00 0,00
-1,55 -0,03 0,11 -1,00 -1,40 1,00 0,11 0,03 0,00
0,23 -1,20 4,52 0,00 5,91 0,00 4,52 1,20 0,00
-9,81 -0,17 5,41 0,00 -3,05 0,00 5,41 0,17 0,00
0,00 0,00 0,00 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 1,00
  
х1
х2
х3
х4
х5
х6
х7 443,2
х8
x9
  
х1
х2
х3
х4
х5
х6
х7 443,2
х8
x9

Материальный баланс ХТС

Расчет

1.Введено

N(NH3) =N12 Аммиак — урок. Химия, 9 класс. = 529,1 ∙ 0,094 =49,74 кмоль

m (NH3) = N(NH3) ∙ M(NH3) = 49,74 ∙ 17 = 845,58 кг

N(N2) = N12 ∙ (1 — Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ) ∙ 0,79 = 529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,79 = 378,7 кмоль

m (N2) = N(N2) ∙ M(N2) = 378,7 ∙ 28 = 10603,6 кг

N(O2) = N12 ∙ (1 — Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ) ∙ 0,21 = 529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,21 = 100,7 кмоль

m (O2) = N(O2) ∙ M(O2) = 100,7 ∙ 32 = 3222,4 кг

m (возд.) = m (O2) m (N2) = 3222,4 10603,6 = 13826 кг

2. Получено

m (HNO3)56 = 1500 кг (по условию)

m (HNO3) = m (HNO3)56 ∙ СHNO3 = 1500 ∙ 0,56 = 840 кг

m (HO)­ = m (HNO3)56 — m (HNO3) = 1500 – 840 = 660 кг

N(H2O)ВГ = N40 Аммиак — урок. Химия, 9 класс. = 443,2 ∙ 0,026 = 11,52 кмоль

m (H2O)ВГ = N(H2O)возд. ∙ М(H2O) = 11,52 ∙ 18 = 207,36 кг

N(NO)ВГ = NNO23 ∙ (1 — χ2) = 47,6 ∙ (1 – 0,95) = 2,38 кмоль

m (NO)BГ = N(NO)ВГ ∙ М(NO) = 2,38 ∙ 30 = 71,4 кг

N(O2)ВГ = N40 Аммиак — урок. Химия, 9 класс. = 443,2 ∙ 0,03 = 13,3 кмоль

m (O2)ВГ = N(O2)ВГ ∙ M(O2) = 13,3 ∙ 32 = 426 кг

N(N2)ВГ = N12 ∙ (1 — Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ) ∙ 0,79 Аммиак — урок. Химия, 9 класс. N12Аммиак — урок. Химия, 9 класс. ∙ (1 — χ2) =

=529,1 ∙ (1 – 0,094) ∙ 0,79 Аммиак — урок. Химия, 9 класс. 529,1 ∙ 0,094 ∙ (1 – 0,95) = 379,9 кмоль

m (N2)ВГ = N(N2)ВГ ∙ M (N2) = 379,9 ∙ 28 = 10637,2 кг

Материальный баланс химико-технологической системы производства азотной кислоты на 1500 кг

Введено Получено 
Статья прихода Масса, кг % Статья расхода Масса, кг %
Аммиак 845,58 5,7 56% -я азотная к-та: 
Воздух:  Азотная кислота 11,8
Кислород 3222,4 21,7 Вода 9,3
Азот 10603,6 71,3 Выхлопные газы: 11271,86 
Вода 207,36 1,4 Оксид азота 28,5 0,2
    Азот 74,4
    Кислород 3,0
    Вода 207,36 1,5
Всего: 14878,94 Всего: 14271,86

Невязка: 14878,94 – 14271,86 = 607,08кг

Расчет основных технологических показателей процесса

Расходные коэффициенты по сырью (аммиаку):

· Теоретический расходный коэффициент:

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

· Практический расходный коэффициент:

γ =Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Конверсия аммиака.

Аммиак — урок. Химия, 9 класс.(по условию).

Выход.

h = Аммиак — урок. Химия, 9 класс.

Селективность.

φ = 96,2 %,поскольку степень превращения равна 100%.

Выводы

Исключительное значение азотной кислоты для многих отраслей народного хозяйства и оборонной техники и большие объемы производства обусловили интенсивную разработку эффективных и экономически выгодных направлений совершенствования азотнокислотного производства. К таким направлениям относятся:

— создание систем высокой единичной мощности (до 400 тыс. т/год), работающих по комбинированной схеме;

— разработка высокоактивных избирательно действующих неплатиновых катализаторов окисления аммиака;

— возможно более полное использование энергии сжатых отходящих газов и низкопотенциальной теплоты процессов путем создания полностью автономных энерготехнологических схем;

— создание замкнутого оборота охлаждающей воды;

— решение проблемы очистки отходящих газов с утилизацией оксидов азота путем внедрения адсорбционно-десорбционного метода очистки на силикагеле и цеолитах;

— возможно более полное удаление остатков оксидов азота из отходящих газов с использованием в качестве восстановителей горючих газов и аммиака.

Список использованной литературы

1. Общая химическая технология: Учеб. для вузов/А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен — 3-е изд., перераб. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 528 с.;

2. Соколов Р.С. Химическая технология: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений: В 2 т. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2000. – Т. 1: Химическое производство в антропогенной деятельности. Основные вопросы химической технологии. Производство неорганических веществ. – 368 с.;

3. Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Егорова Е.В. Расчет материального баланса химико-технологических систем интегральным метод ом. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2007. — 30 с.;

Сборник заданий и методических указаний по расчету материального баланса химико-технологических производств. Учебно-методическое пособие. /Авт: Брук Л.Г., Егорова Е.В., Кононова Г.Н., Сафонов В.В., Смирнова С.Н., Чабан Н.Г., Шварц А.Л. Под ред. Брука Л.Г., Кононовой Г.Н., Сафонова В.В. Изд. 3-е, перераб. – М.: ИПЦ МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2008. – 72 с.

Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий