ОБЩИЕ Методические указания

Растворимость в воде:

При растворении происходит сильное поглощение тепла (аналогично нитрату калия), что значительно замедляет растворение. Поэтому для приготовления насыщенных растворов нитрата аммония применяется нагревание, при этом твёрдое вещество засыпается небольшими порциями.

Также соль растворима в аммиаке, пиридине, метаноле, этаноле.

Аммиа́к — NH₃, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта)

Аммиак почти вдвое легче воздуха, ПДКр.з. 20 мг/м3 — IV класс опасности (малоопасные вещества) по ГОСТ 12.1.007. Растворимость NH₃ в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды.

Молекула аммиака имеет форму тригональной пирамиды с атомом азота в вершине. Три неспаренных p-электрона атома азота участвуют в образовании полярных ковалентных связей с 1s-электронами трёх атомов водорода (связи N−H), четвёртая пара внешних электронов является неподелённой, она может образовать донорно-акцепторную связь с ионом водорода, образуя ион аммония NH₄⁺. Благодаря тому, что не связывающее двухэлектронное облако строго ориентировано в пространстве, молекула аммиака обладает высокой полярностью, что приводит к его хорошей растворимости в воде.Азо́тная кислота́ (HNO₃), — сильная одноосновная кислота. Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации с моноклинной и ромбической решётками.

Азотная кислота смешивается с водой в любых соотношениях. В водных растворах она практически полностью диссоциирует на ионы. Образует с водой азеотропную смесь с концентрацией 68,4 % и t_кип120 °C при нормальном атмосферном давлении. Известны два твёрдых гидрата: моногидрат (HNO₃·H₂O) и тригидрат (HNO₃·3H₂O).

Азот в азотной кислоте четырёхвалентентный ,степень окисления +5. Азотная кислота — бесцветная, дымящая на воздухе жидкость, температура плавления −41,59 °C, кипения +82,6 °C с частичным разложением. Растворимость азотной кислоты в воде не ограничена. Водные растворы HNO₃ с массовой долей 0,95-0,98 называют «дымящей азотной кислотой», с массовой долей 0,6-0,7 — концентрированной азотной кислотой. С водой образует азеотропную смесь (массовая доля 68,4 %, d₂₀ = 1,41 г/см, T_кип = 120,7 °C)

При кристаллизации из водных растворов азотная кислота образует кристаллогидраты:

• моногидрат HNO₃·H₂O, T_пл = −37,62 °C
• тригидрат HNO₃·3H₂O, T_пл = −18,47 °C

Твёрдая азотная кислота образует две кристаллические модификации:

• моноклинная, пространственная группа P 2₁/a, a = 1,623 нм, b = 0,857 нм, c = 0,631, β = 90°, Z = 16;
• ромбическая

Моногидрат образует кристаллы ромбической сингонии, пространственная группа P na2, a = 0,631 нм, b = 0,869 нм, c = 0,544, Z = 4;

Плотность водных растворов азотной кислоты как функция её концентрации описывается уравнением

где d — плотность в г/см³, с — массовая доля кислоты. Данная формула плохо описывает поведение плотности при концентрации более 97 %.

Физико-химические основы процесса синтеза

Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония.

Нейтрализация.Нейтрализация азотной кислоты аммиаком – это необратимый гетерогенный процесс хемосорбции, протекающий с выделением тепла по уравнению

HNO₃ + NH₃ = NH₄NO₃ – DH.

Реакция идет в диффузионной области, и ее скорость лимитируется диффузией аммиака из газа к поверхности жидкости. Количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, складывается из теплового эффекта реакции и теплоты растворения образовавшегося нитрата аммония в воде:

Q_å = Q₁ – (Q₂ + Q₃),

Таким образом, тепловой эффект процесса зависит от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации.

Подогрев компонентов (азотной кислоты и газообразного аммиака) улучшает перемешивание системы, ускоряет процесс нейтрализации и повышает концентрацию раствора нитрата аммония.

Упаривание раствора нитрата аммония.В результате нейтрализации образуется водный раствор нитрата аммония. При этом за счет теплового эффекта реакции нейтрализации часть воды испаряется в виде сокового пара. Интенсивность испарения зависит от величины теплового эффекта и температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора определяется как концентрацией азотной кислоты, так и температурой.

С ростом концентрации азотной кислоты возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония и увеличивается масса выделяющегося сокового пара.

Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации, выделяющуюся в самом процессе (рис. 5.1.).

Q_подв

H₂O(пар) NH₄NO₃ + H₂O NH₄NO₃

DH _реакц

Рисунок 5.1 - Использование тепла при упаривании раствора

Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет:

- снизить затрату внешнего тепла;

- обеспечить за счет отвода тепла из системы оптимальный температурный режим процесса нейтрализации и избежать опасных перегревов;

- исключить применение сложных охладительных устройств.

При использовании азотной кислоты концентрацией 60 – 65 % и температуре процесса около 70ºС оказывается возможным за счет использования теплоты нейтрализации выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония.

В соответствии с принципом использования тепла все существующие варианты технологического процесса производства нитрата аммония делятся на две группы:

1 Без упаривания раствора. Концентрирование раствора осуществляется исключительно за счет теплоты нейтрализации азотной кислоты концентрацией 65%. При этом образуется 96% плав нитрата аммония:

Q = DH; Q_подв = 0.

2 С упариванием раствора. Концентрирование раствора осуществляется как за счет частичного использования теплоты нейтрализации, так и за счет подводимого извне тепла:

Q = DH + Q_подв.

При этом в зависимости от концентрации азотной кислоты последующее упаривание раствора нитрата аммония может производиться:

- при 58% кислоте в 1-й ступени;

- при 50% кислоте в 2-й ступени.

5.2.3 Технологические системы производства

Технологический процесс производства нитрата аммония состоит из следующих основных стадий: нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком, выпаривание нитрата аммония, кристаллизации и гранулирования плава, охлаждения, классификации и опудривания готового продукта (рис.5.2.).

В настоящее время в связи с освоением производства 58 – 60% азотной кислоты основная масса нитрата аммония производится на установках АС-67, АС-72, АС-72М, мощностью 1360 и 1575 т/сутки с упариванием в одну ступень, а также на установках безупарочного типа (рис.5.3. и 5.4.)

Рисунок 5.2 - Принципиальная схема производства нитрата аммония

Газообразный аммиак из подогревателя 1, обогреваемого конденсатом сокового пара, нагретый до 120 - 160ºС, и азотная кислота из подогревателя 2, обогреваемого соковым паром, при температуре 80 - 90ºС поступают в аппарат ИТН (с использованием теплоты нейтрализации) 3. Для уменьшения потерь аммиака вместе с паром реакцию ведут в избытке кислоты. Раствор нитрата аммония из аппарата ИТН нейтрализуют в донейтрализаторе 4 аммиаком, куда одновременно добавляется кондиционирующая добавка нитрата магния и поступает на упаривание в выпарной аппарат 5. Из него образовавшийся плав нитрата аммония через гидрозатвор-донейтрализатор 6 и сборник плава 7 направляется в напорный бак 8 и из него с помощью виброакустических грануляторов 9 поступает в грануляционную башню 10. В нижнюю часть башни засасывается атмосферный воздух, и подается воздух из аппарата для охлаждения гранул «КС» 12. Образовавшиеся гранулы нитрата аммония из нижней части башни поступают на транспортер 11 и в аппарат кипящего слоя 12 для охлаждения гранул, в который через подогреватель 13 подается сухой воздух. Из аппарата 12 готовый продукт направляется на упаковку. Воздух из верхней части башни 10 поступает в скрубберы 14, орошаемые 20% раствором нитрата аммония, где отмывается от пыли нитрата аммония и выбрасывается в атмосферу. В этих же скрубберах очищаются от непрореагировавшего аммиака и азотной кислоты газы, выходящие из выпарного аппарата и нейтрализатора. Аппарат ИТН, грануляционная башня и комбинированный выпарной аппарат – основные аппараты в технологической схеме АС-72М.

Рисунок 5.3 - Технологическая схема производства АС-72М:

1 – подогреватель аммиака; 2 – подогреватель кислоты; 3 – аппарат ИТН; 4 – донейтрализатор; 5 – выпарной аппарат; 6 – гидрозатвор-донейтрализатор; 7 – сборник плава; 8 – напорный бак; 9 – виброакустический гранулятор; 10 – грануляционная башня; 11 – транспортер; 12 – охладитель гранул «КС»; 13 – подогреватель воздуха; 14 – промывной скруббер

Аппарат ИТНимеет общую высоту 10 м и состоит из двух частей: нижней реакционной и верхней сепарационной. В реакционной части находится перфорированный стакан в который подают азотную кислоту и аммиак. При этом за счет хорошей теплоотдачи реакционной массы стенкам стакана, реакция нейтрализации протекает при температуре, более низкой, чем температура кипения кислоты. Образующийся раствор нитрата аммония закипает, и из него испаряется вода. За счет подъемной силы пара парожидкостная эмульсия выбрасывается из верхней части стакана и проходит через кольцевой зазор между корпусом и стаканом, продолжая упариваться. Затем она поступает в верхнюю сепарационную часть, где раствор, проходя ряд тарелок, отмывается от аммиака раствором нитрата аммония и конденсатом сокового пара. Время пребывания реагентов в реакционной зоне не превышает одной секунды, благодаря чему не происходит термического разложения кислоты и нитрата аммония. За счет использования теплоты нейтрализации в аппарате испаряется большая часть воды и образуется 90% раствор нитрата аммония.

Комбинированный выпарной аппарат высотой 16 м состоит из двух частей. В нижней кожухотрубной части диаметром 3м происходит упаривание раствора, проходящего через трубки, обогреваемые сначала перегретым паром, нагретым до 180ºС воздухом. Верхняя часть аппарата служит для очистки выходящей из аппарата паровоздушной смеси и частичного упаривания поступающего в аппарат раствора нитрата аммония. Из выпарного аппарата выходит плав нитрата аммония концентрацией 99,7% с температурой около 180ºС.

Грануляционная башня имеет прямоугольное сечение 11х8 м² и высоту около 65 м. Через отверстие в нижней части в башню поступает наружный воздух и воздух из охладителя гранул. Поступающий в верхнюю часть башни плав нитрата аммония диспергируется с помощью трех виброакустических грануляторов, в которых струя плава превращается в капли. При падении капель с высоты около 50 м они затвердевают и превращаются в гранулы. Кристаллизация плава с влажностью 0,2% начинается при 167ºС и заканчивается при 140 ºС. Объем воздуха, подаваемого в башне, составляет в зависимости от времени года 300 – 500 м³/час.

В установках АС – 72М применяется магнезиальная добавка против слеживаемости продукта (нитрат магния). Поэтому операции обработки гранул ПАВ, предусмотренной в схемах АС – 67 и АС – 72, не требуется.

Принципиальными отличиями технологической схемы производства нитрата аммония безупарочным методом (рис. 5.4.) являются: использование более концентрированной азотной кислоты; проведение процесса нейтрализации при повышенном (0,4МПа) давлении; быстрый контакт нагретых компонентов.

В этих условиях на стадии нейтрализации образуется парожидкостная эмульсия, после разделения которой получают плав концентрацией 98,5%, что позволяет исключить отдельную стадию упаривания раствора.

Рисунок 5.4 - Технологическая схема безупарочного метода:

1 – подогреватель азотной кислоты; 2 – подогреватель аммиака; 3 – реактор (нейтрализатор); 4 – сепаратор эмульсии; 5 – барабанный кристаллизатор; 6 – нож; 7 – барабанная сушка.

Нагретые в нагревателях 1 и 2, обогреваемые паром, выходящим из сепаратора, эмульсии 4, азотная кислота и аммиак поступают в нейтрализатор 3, где в результате реакции образуется эмульсия из водного раствора нитрата аммония и водяного пара. Эмульсия разделяется в сепараторе 4 и плав нитрата аммония подается в барабанный кристаллизатор 5, в котором нитрат аммония кристаллизируется на поверхности металлического барабана, охлаждаемого изнутри водой.

Образовавшийся на поверхности барабана слой твердого нитрата аммония толщиной около 1 мм срезается ножом 6 и в виде чешуек поступает для просушивания в барабанную сушилку 7. Подобный продукт в виде чешуек используется для технических целей.

Исходные данные:

Расчет выполнить для агрегата АС-72М производительностью 420 000 т/год 100 мас. % NH₄NO₃. Количество рабочих дней в году 330. Концентрация HNO₃ 56 мас. %. Концентрация газообразного NH₃ 100 мас. %. Концентрация получаемого раствора аммиачной селитры 91,5 мас. %. Начальная температура азотной кислоты 80С. Начальная температура аммиака 135 С. Потери HNO₃ 1,5 мас. %, NH₃ – 1,5 мас. %. Давление сокового пара 130 кПа. Остальные данные, необходимые для расчета, – литературные и цеховые.

Используемая литература.

Приложение

Аппарат ИТН. Сборочный чертеж

Чертеж колпачковой тарелки

Чертеж отбойника

Чертеж распределителя аммиака

Чертеж распределителя кислоты

ХИМИЯ

методические указания и варианты индивидуальных заданий для работы студентов под руководством преподавателя

для специальностей 140101.65 – «Тепловые электрические станции»; 140204.65 - «Электрические станции»; 220301.65 – «Автоматизация технологических процессов и производств»; 180101.65 – «Кораблестроение»; 180403.65 – «Эксплуатация судовых энергетических установок»; 180404.65 – «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики»;

111001.65 – «Промышленное рыболовство»; и направления 111000.62 – «Рыболовство»

Калининград

Издательство ФГОУ ВПО «КГТУ»

УДК 54

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе ФГОУ ВПО «КГТУ»

«____»___________2008 г.

Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой химии ФГОУ ВПО «Калининградский государственный университет» «___» ________2008 г.,

протокол №____

Методические указания рекомендованы к опубликованию Ученым советом факультета фундаментальной подготовки ФГОУ ВПО «Калининградский государственный университет» « » _____2008 г, протокол №

РЕЦЕНЗЕНТ - кафедра химии ФГОУ ВПО «Калининградский

государственный технический университет »

©ФГОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет», 2008 г.

ОБЩИЕ Методические указания

Методические указания предназначены для самостоятельной работы студентов I курса специальностей 140204.65, 140101.65, 220301.65, 180101.65, 180403.65, 180404.65, 111001.65 и направления 111000.62, изучающих курс химии.

Изучение курса химии студентами указанных специальностей и направления предполагает обязательное выполнение расчетных упражнений, решение задач. Данное методическое указание способствует закреплению теоретических знаний и дает студенту возможность ориентироваться в вопросах химии.

При решении задач студенту необходимо обращаться к учебнику и справочной литературе, что способствует развитию навыков самостоятельной работы с литературой.

Выполнение заданий предполагает четкое уяснение студентами основных законов, понятий и единиц измерений, принятых в химии.

В методической разработке приведены примеры решения задач, в которых показано как правильно оформлять индивидуальное задание, а также по 30 вариантов заданий по каждой из рассматриваемых в учебной программе дисциплины химия тем.

Номер варианта задания для студента определяет преподаватель. Работа оформляется в отдельной тетради. Обязательно указывается номер индивидуального задания и тема, которая соответствует данной работе. Индивидуальные задания студенты выполняют под руководством преподавателя.

Методические указания содержат приложения, включающие справочные материалы, необходимые для выполнения индивидуальных заданий.

Для подготовки к практическим занятиям и выполнению заданий студенты должны пользоваться учебными и справочными пособиями для высших учебных заведений. Список основных литературных источников приведен в методических указаниях.

Рекомендуемая литература

1. Глинка Н.Л. Общая химия: Учеб. пособие. – М.: Интеграл-Пресс, 2001. – 728 с.

2. Гуров А.А. Химия: Учебник для вузов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. – 784 с.

3. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия: Учеб. пособие. – М.: Химия, 2000. – 592 с.

4. Князев Д.А., Смарыгин С.Н. Неорганическая химия: Учеб. пособие. – М.: Дрофа, 2005. – 591 с.

5. Коровин Н.В. Общая химия. – М.: Высшая школа, 1998. – 558 с.

6. Глинка Н.Л. Задачи и упражнения по общей химии. – М.: Интеграл-Пресс , 2001. – 240 с.

7. Нижникова Е.В., Кочановская Е.В., Воробьев В.И., Поднебеснова Ф.В. Химия. Методические указания по выполнению лабораторных работ для студентов специальностей: 080502.65-Экономика и управление на предприятии (в пищевой промышленности, в АПК);140101.65-Теплоыве электрические станции; 140204.65-Электрические станции; 150207.65-Реновация средств и объектов материального производства; 180101.65-Кораблестроение; 151001.65-Технология машиностроения; 111001.65-Промышленное рыболовство; 180403.65-Эксплуатация судовых энергетических установок; 180404.65-Эксплуатация судового электрооборудования; 220301.65-Автоматизация технологических процессов и производств (в пищевой промышленности); 260601.65-Машины и аппараты пищевых производств; 260602.65-Пищевая инженерия малых предприятий; 270102.65-Промышленное и гражданское строительство; 270109.65-Теплогазоснабжение и вентиляция.- Калининград: Издательство ФГОУ ВПО «КГТУ», 2008.

ВАРИАНТЫ индивидуальных ЗАДАНИЙ