Производство мороженного

МИНОБРНАУКИ РФ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра биотехнологии и химии

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине «Химическая и биологическая безопасность»

на тему:

ПРОИЗВОДСТВО МОРОЖЕНОГО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст. гр. БТ-1103

Морозова Е.С.

Принял: Ожимкова Е. В.

 

 

 

 

 

 

 

Тверь 2014

 

 

Содержание

с.

 

 

Задание к курсовой работе

 

Производительность по НNO3: 1100 кг/ч

Степень окисления:

До NO2: 98%

До N2: 2%

Содержание в смеси NН3: 8%

Степень абсорбции NO2: 91%

Температура на входе: 75°С

 

Введение

 

До начала 20-го века HNO3получали из природной натриевой (чилийской) селитры:

 

NaNO3 + H2SO4 = NaHSO4 + HNO3(1)

 

При использовании 95-97% H2SO4и 96% NaNO3получали 96-98% HNO3. Позднее процесс стали вести под вакуумом, что снижало температуру процесса и его продолжительность.

В начале 20-го века был предложен метод фиксации атмосферного азота в пламени электрической дуги (1906г.). Для производства азотной кислоты этим методом не требуется искусственное сырье и сложное оформление процесса, но этот метод не выгоден в связи с большим расходом электроэнергии.

В 1913г. был освоен промышленный синтез аммиака из элементарных веществ, он быстро получил широкое распространение. Вскоре был разработан и способ получения азотной кислоты из аммиака.

1-й заводазотной кислоты, по схеме работающий при атмосферном  давлении производительностью 8000 т/год  был построен в 1916г. в г. Юзовке (СССР). В основе этого метода лежал метод окисления аммиака, полученного из коксового газа. Метод предложен русским ученым Андреевым. Он же предложили катализатор-платиновые сетки, изучил процессы окисления аммиака на сетках, абсорбцию оксидов азота водой и получение аммиачной селитры.

В наше время основным способом производства азотной кислоты (разбавленной) является способ, предложенный Андреевым.

 

1 Литературный обзор

 

1.1 Методы получения

 

Азотную кислоту в промышленности получают каталитическим окислением аммиака кислородом воздуха с последующей абсорбцией оксидов азота (неконцентрированная) и перегонкой 56-60 %-ной азотной кислоты в присутствии водоотнимающих средств (серной кислоты или сплава нитрата магния) и прямым синтезом (концентрированная).

Процесс производства разбавленной азотной кислоты складывается из трех стадий:

– Конверсии аммиака с целью получения оксида азота

4NH3 + 5O2 = 4NO +6H2O

– Окисления оксида азота до диоксида азота

2NO+ O2 ↔ 2NO2

– Абсорбция оксидов азота водой

4NO2 + O2 + 2H2O= 4HNO3

Суммарная реакция образования азотной кислоты выражается уравнением

NH3 + 2O2 = HNO3 + H2O

 

1.2 Направления использования азотной кислоты

 

По объему производства азотная кислота стоит сразу же после серной кислоты. Основными потребителями азотной кислоты и ее солей (нитратов) является сельское хозяйство, производство синтетических красителей и взрывчатых веществ.

Сельское хозяйство применяет соли азотной кислоты в качестве удобрений главным образом в виде нитрата аммония – аммиачной селитры, получаемой путем нейтрализации азотной кислоты аммиаком.

Азотная кислота используется также в производстве комплексных (сложных) удобрений, изготовляемых путем разложения природных фосфатов азотной кислотой. При введении солей калия в продукты азотнокислого разложения фосфатного сырья образуются тройные удобрения, содержащие азот, фосфор и калий. Такие удобрения называют нитрофоской.

В производстве взрывчатых веществ, при нитровании толуола, уротропина, ксилола, нафталина и других органических продуктов  применяют концентрированную азотную кислоту (96-98% НNO3).

Большие количества азотной кислоты используют также в процессе получения серной кислоты нитрозным методом. В последнее время окислы азота и азотная кислота нашли применение в качестве окислительных компонентов ракетного топлива.

 

 

2 Физико-химические основы процесса

 

2.1 Механизм процесса

 

Окисление аммиака кислородом воздуха без катализатора возможно только до N2.

На катализаторе между аммиаком и кислородом протекают следующие параллельные реакции:

(1)

(2)

 

(3)

 

 

Одновременно с этими реакциями могут протекать (параллельно и последовательно) побочные реакции:

(4)

(5)

(6)

 

Приведенные уравнения каталитического окисления аммиака являются суммарными и не отражают истинного механизма процесса.

В таблице 1 приведены термодинамические характеристики этих реакций, из которых можно видеть, что среди реакций окисления аммиака кислородом наибольшую термодинамическую вероятность имеет реакция (2), характеризующаяся наибольшим изменением энергии Гиббса. Вероятность реакции (1) с повышением температуры возрастает почти вдвое, а реакции (2) почти не изменяется.

 

Таблица 1 – Термодинамические характеристики реакций

Реакция	ΔН298, кДж/моль	ΔG, кДж/моль при температуре		ΔS298, кДж/(моль*К)
		298 К	1173 К
1 2 3 4 5 6	-226,00 -317,20 -276,11 -452,62 45,80 90,310	-246,21 -326,85 -274,75 -1814,80 16,55 -84,50	-414,55 -355,22 _____ -874,00 -82,54 78,30	44,78 32,44 -4,67 13,90 103,16 12,36

 

2.2 Термодинамика  процесса

 

Реакции окисления аммиака сопровождаются значительной убылью свободной энергии, протекают с большой скоростью, практически необратимо (до конца). Теплоты, выделяющейся в результате реакции, вполне достаточно, чтобы процесс протекал автотермично.

Каталитическое окисление аммиака – многостадийный гетерогенно-каталитический процесс, протекающий во внешнедиффузионной области и лимитируемый диффузией аммиака к поверхности катализатора.

Скорость каталитического окисления аммиака по реакции (1) очень высока. За десятитысячные доли секунды степень превращения аммиака в оксид азота (II) достигает 97-98% при атмосферном давлении и 95-96% под давлением до 0,88-0,98 МПа. Однако выход оксида азота (II) может быть различным на одном и том де катализаторе в зависимости от выбранных технологических параметров – температуры, давления, линейной скорости газа, содержания аммиака в аммиачно-воздушной смеси, напряженности катализатора, числа сеток и некоторых других факторов.

 

2.3 Кинетика процесса

 

Скорость реакции окисления аммиака на платиновом катализаторе характеризуется количеством аммиака, окисляемого на единице поверхности сеток за единицу времени. В промышленных условиях эта величина называется напряженностью катализатора, которая измеряется в кг NH3 на 1 м2активной поверхности сеток в сутки. Напряженность катализатора находится в пределах 500-800 кг/(м2×сут) при работе под атмосферным давлением и в пределах 2600-3900 кг/(м2×сут) при работе под давлением 8 кгс/см2 (0,8 МН/м2).

Для определения времени пребывания газовой смеси в зоне катализаторных сеток (времени конверсии) пользуются уравнением

(1.1)

где τ – время, с;

S–площадь сетки, м2;

рК– давление газа в конверторе, мм рт. ст.;

υ0 – объемная скорость газовой смеси (при 0°С и 760 мм рт. ст.), м3/с;

ТК - температура процесса конверсии,К;

f1,f2, f3–коэффициенты, характеризующие свободный объем сеток с различным числом плетений (n1, n2, n3и т.д.);

d1, d2, d3–диаметры нитей отдельных сеток, см.

Коэффициент fопределяется по формуле

(1.2)

где n – число плетений сетки на 1 см2.

Если комплект катализаторных сеток, закладываемых в конвертор, выполнен из сеток с одинаковым числом плетений nи сотканных из проволоки одинакового диаметра d, то уравнение (1.1) упрощается:

 

(1.3)

где m – число сеток в слое катализатора.

Существует вполне определенная линейная скорость прохождения газов через катализатор, ниже или выше которой степень конверсии аммиака уменьшается. При скоростях газа, превышающих оптимальные, аммиак не успеет полностью окислится и может проскакивать за катализаторные сетки, вступая там в реакцию с окисью азота. Константа равновесия реакции взаимодействия аммиака с NOпри 500°С очень мала:

(1.4)

 

Равновесие этой реакции полностью смещено в сторону образования элементарного азота.

В производственных условиях за катализаторными сетками иногда наблюдается образование аммиачной селитры из непрореагировавшего аммиака. Нитрат аммония отлагается в последующей аппаратуре азотнокислотных систем при понижении температуры нитрозных газов.

 

2.4 Влияние основных  параметров на скорость процесса

 

2.4.1 Температура

 

Температура оказывает наибольшее влияние на выход оксида азота (II). Зависимость выхода NOот температуры на платиновом катализаторе показана на рисунке 1. При повышении температуры выход NO возрастает, причем существует оптимальная температура (для чистой платины 
900-920°С), при которой достигается максимальный выход.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – одна сетка из платины;2 – три сетки из сплава № 5

Рисунок 1 – Зависимость выхода оксида азота (II) от температуры

 

Большое значение имеет температура зажигания катализатора, которая зависит от состава катализатора и в меньшей степени от состава аммиачно-воздушной смеси. На платине реакция окисления аммиака начинается при 195°С. Особенностью окисления является то, что сначала происходит так называемое мягкое окисление аммиака до молекулярного азота. Заметное количество оксида азота (II)начинает появляться при 300°С. С ростом температуры выход оксида азота (II) растет, достигая максимального значения 96% на чистой платине и 99% на сплавах Pt-Pd-Rh. Проведение процесса при высоких температурах помимо увеличения выхода оксида азота (II) имеет и другие преимущества: растет скорость реакции окисления аммиака и уменьшается скорость контактирования. Так при повышении температуры с 650 до 900°С  время контактирования  сокращается с 5 ×10-4 до 1,1 ×10-4 с. Но при повышении температуры увеличиваются потери дорогостоящей платины, т.е. ухуджаютсяэкономческие показатели процесса. Для экономичного проведения окисления аммиака рекомендуются следующие условия:

Таблица 2 __ Экономичные условия окисления аммиака

Давление, МПа	0,1	0,304-0,51	0,71-1,011
Температура, °С	780-800	850-870	880-920

 

 

Повышение температуры с 780 до 850°Сприводит к увеличению прямых потерь катализатора почти вдвое.

При выборе температуры конверсии необходимо также учитывать наличие примесей в аммиачно-воздушной смеси. Температура должна быть тем выше, чем больше примесей содержится в исходной газовой смеси.

 

 

 

 

 

 

 

1 - 900°С; 2 - 950°С; 3 - 980°С;

4 - 1010°С

Рисунок 2 – Зависимость выхода оксида азота (II) от давления

и температуры при τопт

 

2.4.2 Давление

 

С ростом давления наблюдается снижение выхода оксида азота (II). Поэтому проектирование и сооружение установок с использованием повышенного давления на стадии конверсии аммиака сдерживались. Вместе с тем использование высокого давления при окислении аммиака позволяет повысить производительность агрегата, уменьшить размеры аппаратов. Этот факт, в связи со стремлением к увеличению единичной мощности агрегатов, приобретает все большее значение. На современных крупных агрегатах производства азотной кислоты процесс окисления аммиака осуществляется под давлением 0,41 – 0,73 Мпа.

Основным условием получения высоких выходов NO под давлением выше атмосферного являются повышение температуры и времениконтактирования (увеличения числа сеток).

Из рис.2 видно, что для обеспечения выхода оксида азота (II) более 98% при давлениях 0,41-0,71 Мпа необходимы температуры выше 950°С.

Повышением давления в процессе конверсии можно увеличить линейную скорость газа и напряженность катализатора, что в свою очередь связано с увеличением числа катализаторных сеток. Из рисунка 3 видно, что увеличение числа сеток ведет к повышению степени конверсии аммиака и линейной скорости газа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 – 10 сеток; 2 – 20 сеток; 3 – 50 сеток

Рисунок 3 – Зависимость выхода NO от скорости газа и числа сеток 
при 1,96 МПа и 900°С

.

 

 

Очевидно, что такие параметры, как давление, линейная скорость газа, напряженность катализатора,  тесно связаны между собой и при выборе режима окисления для получения высокого выхода NOдолжны подбираться с особой тщательностью.

 

2.4.3 Концентрация  исходных веществ

 

Для окисления аммиака применяют воздух. Поэтому концентрация NH3в аммиачно-воздушной смесиопределяется в том числе содержанием кислорода в воздухе. Согласно уравнению реакции  
4NH3 + 5O2 = 4 NO + 6 H2Oдля полного окисления 1 моль аммиака необходимо 1,25 моль кислорода. Исходя из этого, определим максимально возможное содержание аммиака в аммиачно-воздушной смеси (объемные доли в %).

 

 

 

Однакопри соотношении О2 :NH3 = 1,25 даже при атмосферном давлении выход оксида азота (II) не превышает 60-80%. Кроме того, при содержании в смеси 14,4% NH3 пришлось бы работать в области взрывоопасных концентраций. Нижний предел взрываемости аммиачно-воздушной смеси при атмосферном давлении составляет 13,8%NH3. Пределы взрываемости аммиачно-воздушных смесей показаны на рис.4. При увеличении соотношения О2 :NH3до 1,7, что соответствует содержанию аммиака в смеси 11,5%, выход NOвозрастает. При дальнейшем увеличении соотношения О2 :NH3,путем снижения концентрации аммиака, выход оксида азота (II) меняется незначительно.