Теоретическое обоснование

В промышленности концентрированную азотную кислоту получают окислением аммиака с последующим поглощением образующихся оксидов азота водой. Переработка аммиака в азотную кислоту начинается с его окисления кислородом воздуха по реакции:

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O + 910 кДж. (1)

Окислениe аммиака в промышленных условиях ведут в контактном аппарате на платино-родиевом (5—10 % родия.) катализаторе в виде сетки при температуре 800—900 °С под давлением или без него. Одновременно могут протекать реакции

4NН₃ + 4O₂ → 2N₂O + 6H₂O + 1108 кДж (2)

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O + 1273 кДж. (3)

Практически необходимой реакцией является реакция (1). При более низких температурах уменьшает конечный выход продукта реакция (2), при более высоких — реакция (3). На практике используется концентрация аммиачно-воздушной смеси 10—12 об. %. Оптимальное время контактирования смеси с катализатором — 0,001—0,002 с. Получающиеся после окисления аммиака нитрозные газы содержат до 10—11 % монооксида азота. Далее их охлаждают. При этом за счет присутствующего в газах кислорода происходит окисление монооксида до диоксида:

2NO + O₂ →2NO₂ + 137 кДж, (4)

который поглощается водой в поглотительных башнях по реакции:

2NO₂ + Н₂О → НNО₃ + HNO₂ (5)

Азотистая кислота в кислых растворах и при достаточной концентрации разлагается на азотную кислоту и монооксид азота, который в избытке кислорода воздуха снова окисляется до диоксида и азотной кислоты. Принцип метода Материальный баланс представляет вещественное выражение закона сохранения массы применительно к химико-технологическому процессу: масса веществ, поступивших на технологическую операцию (приход) равна массе веществ, полученных в этой операции (расход), что записывается в виде уравнении баланса ∑m приход = ∑m расход. Материальный баланс составляется на единицу массы целевого продукта.

Аппаратура и материалы

Лабораторный журнал, калькуляор.

Указания по технике безопасности

При работе с реагентами необходимо применять индивидуальные средства защиты. Следует учитывать, что многие соединения, входящие в состав используемых реагентов, являются ядовитыми и вредными для здоровья, поэтому работу с ними следует проводить в вытяжном шкафу.

Запрещается: - глубоко вдыхать пары реагентов при работе с ними и определении их запаха; - пробовать реактивы на вкус, принимать пищу в лаборатории; - выливать в раковину органические вещества, а также сильно пахнущие неорганические соединения. Для слива указанных соединений в вытяжном шкафу есть специальные емкости.

Методика и порядок выполнения работы

Исходные данные Содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси — А (об. %). Степень контактирования — В (%). Степень окисления монооксида азота — С (%). Расчет введенного количества реагентов 1. На 1 т 100 %-й азотной кислоты необходимо аммиака (17/1000) · 0,63 = 270 кг. С учетом степени контактирования и степени поглощения полученных оксидов количество необходимого аммиака составит E = (270 · 100)/(B · Д) кг, или E/17 кмоль аммиака — (F) 2. Расчет аммиачно-воздушной смеси. Содержание аммиака в смеси равно A об. %. Следовательно, на воздух приходится 100 – A об. %. Нeо6хoдимoe количество воздуха G = (F/A) · (100 – А) кмоль, в том числе кислорода (G · 21)/100 кмоль, азота (G · 79)/100 кмоль. Состав аммиачно-воздушной смеси заносим в таблицу:

Компонент кмоль об. % кг NH₃ O₂ N₂Всего 100,0

Расчет введенного количества газов

1. Количество получающегося монооксида азота по реакции (1): 1 кмоль NH₃ дает 1 кмольNO, а при степени контактирования В из F кмоль получится монооксида азота F · В кмоль, или F · B · 30 кг.

2. По возможной реакции (3) из l кмоль NH₃ получается 0,5 кмоль N₂. В этой реакции участвуют 3 % аммиака от первоначального количества: F · 0,5 · 0,03 кмоль, или F · 0,5 · 0,03 · 28 кг N₂.

3. Количество получающихся водяных паров: Из уравнений реакций (1) и (3) видно, что 4 кмоль аммиака образуют 6 кмоль Н₂О, и суммарное количество паров воды составит (F · 6)/4 кмоль, или (F · 6 · 18)/4 кг Н₂О.

4. Количество оставшегося кислорода: По уравнению (1) вступило в реакцию кислорода H = (F · 5 · В)/4 кмоль. По уравнению (3) вступило в реакцию кислорода K = (F · 3 · 0,03)/4 кмоль. Всего вступило в реакцию кислорода (Н + К) кмоль, или (Н + К) · 32 кг. Осталось в нитрозных газах кислорода: L =(G · 21)/100 – (Н + К) кмоль, или L · 32 кг О₂.

5. Количество азота в нитрозных газах складывается из первоначального количества азота и азота, образовавшегося по реакции (3): M = (G · 79)/100 + F · 0,5 · 0,03, кмоль.

Содержание отчета и его форма

В своем журнале каждый студент записывает название лабораторной работы, цель, аппаратуру и материалы, порядок выполнения задания, приводит необходимы ссылки на нормативные документы, описывает вариант выполнения работы и решает задачи, согласно полученному заданию.Расчеты и оформление результатов Полученные результаты расчета материального баланса процесса окисления аммиака (контактного узла процесса) занести в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные способы получения азотной кислоты. В чем их особенности?

2. Как влияет давление на процесс окисления аммиака?

3. Как влияет температура на скорость реакции (3)?

4. Почему при окислении аммиака вначале получается монооксид азота?

5. Чем объяснить, что при многократном поглощении диоксида азота водой в присутствии кислорода в конечном счете получается азотная кислота, а при поглощении в его растворе щелочи — смесь нитратов и нитритов?

6. На синтез поступило 566 кг аммиака, из которого получено 2280 л азотной кислоты, с содержанием HNO₃ 12,23 %. Определить выход азотной кислоты (ρ = 1,69 г/см³).

Защита работы

Защита работы заключается:

- в выполнении задания и оформлении отчета по лабораторной работе;

- в ответах на контрольные идополнительные вопросы по лабораторной работе.

Список литературы

1. Бесков, В. С. Общая химическая технология : учебник для вузов / В. С. Бесков. –

Москва : ИКЦ "Академкнига", 2006. – 452 с.

2. Лабораторный практикум по общей химической технологии : учеб. Пособие / [В.А. Аверьянов] и др. ; под ред. В.С. Бескова. – 2-е изд. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 279 с.

3. http://www.chem.msu.ru – сайт библиотеки химического факультета Московского государственного университета.

4. http://lib.muctr.ru – сайт Информационно-библиотечного центра Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева.

5. http://library.spbu.ru – сайт научной библиотеки им. М. Горького Санкт-Петербургского государственного университета.