Теоретические основы получения сульфата аммония из аммиака и серной кислоты

Санкт–Петербургский Государственный Технологический Институт

(Технический  Университет) 
 
 
 
 

Кафедра технологии       Факультет:  1

неорганических  веществ      Курс:   4

                                                            Группа:  161 
 
 
 

Учебная дисциплина: Теоретические основы технологии

    неорганических веществ 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА 
 

Тема: Теоретические основы получения сульфата аммония

из аммиака  и серной кислоты 
 
 
 
 
 

Студент:    _______________     
 
 

Руководитель:   _______________      
 
 

Оценка  за курсовую работу:      ________________ 
 
 
 
 
 

Санкт–Петербург

2009

Содержание 

Введение………………………………………………………………………………......3

1. Физико–химические свойства сульфата аммония……………………………..…....4
2. Физико–химические основы получения сульфата аммония

нейтрализацией серной кислоты………………………………………………..5

3. Производство сульфата аммония из аммиака коксового газа……………9
1. Сатураторный метод……………….………………………………………….10
2. Бессатураторный метод……………………………...………………………..12
4. Производство сульфата аммония из синтетического аммиака….........14

Заключение………….………………………………………………….……………….15

Список литературы………………………………………………………………….….16 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

      Среди основных способов получения сульфата аммония, которые наиболее часто  используются в химической промышленности, имеются следующие:

    – процесс нейтрализации серной кислоты синтетическим аммиаком;

    – использование аммиака из газа коксовых печей для его химической реакции с серной кислотой;

    – получение в результате обработки гипса растворами карбоната аммония;

    – получение при переработке отходов производства капролактама.

    Вместе  с тем имеются и другие способы  производства сульфата аммония, например, получение его из дымовых газов электростанций и сернокислотных заводов. Для этого в горячие газы вводят газообразный аммиак, который связывает имеющиеся в газе окислы серы в различные соли аммония, в том числе и в сульфат аммония.

    В данной курсовой работе рассмотрены  способы получения сульфата аммония из аммиака и серной кислоты. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Физико–химические свойства

сульфата  аммония 

    Сульфат аммония (NH₄)₂SO₄ – белые кристаллы ромбической формы.

    Относительная молекулярная масса – 132.14 г/моль.

    Плотность – 1.769 г/см³ (при 20°С).

    Насыпная  плотность: 0.77–1.01 т/м³

    Давление  аммиака над сульфатом аммония: 0.5 мм рт. ст. (при 205°С)

                                                 50.8 мм рт. ст. (при 300°С)

    Температура плавления: 513°С (разлагается на аммиак и серную кислоту)

    При нагревании разлагается с потерей  аммиака, превращаясь в кислые соли.

    Растворение идет с поглощением тепла – 1 ккал (при 19.6°С).

    Температура кипения насыщенного водного  раствора: 108.9°С (760 мм рт. ст.)  

    В присутствии аммиака растворимость  сульфата аммония значительно уменьшается. Растворимость в воде также уменьшается с увеличением концентрации органических веществ в растворе, причем влияние последних сильнее, чем влияние температуры.

    Растворимость сульфата аммония в воде показана ниже. 
 
 

 
 
 
 

2. Физико–химические основы получения

сульфата  аммония нейтрализацией серной кислоты 

    Сульфат аммония получают по реакции

2NH₃(г) + H₂SO₄ = (NH₄)₂SO₄ + 66.9 ккал

путем нейтрализации газообразного аммиака серной кислотой. При мокром способе производства продукт кристаллизуется из пересыщенных растворов, при сухом – осуществляется нейтрализация.

    При насыщении аммиаком 75–78%-ной серной кислоты в реакционном аппарате выделяется значительное количество тепла, достаточное для нагрева реакционной смеси до температуры кипения и для испарения из нее значительного количества воды. Башенная серная кислота, часто применяемая в этом производстве, содержит сотые доли процента окислов азота в виде нитрозилсерной кислоты. В непрерывном производственном процессе башенную кислоту смешивают с реакционным раствором, при этом она разбавляется и нагревается за счет тепла гидратации и нейтрализации аммиаком. Вследствие этого происходит денитрация с выделением окислов азота в газовую фазу по реакции:

2SO₅NН + H₂O = 3H₂SO₄ + NO + NО₂

    При больших масштабах производства сульфата аммония количество выделяющихся окислов азота велико, несмотря на незначительное содержание их в серной кислоте.

    Наиболее  целесообразно производить денитрацию серной кислоты до нейтрализации ее аммиаком, т.к. в противном случае некоторое количество аммиака теряется вследствие следующей реакции:

NO + NO₂ + 2NH₃ = 8N₂ + ЗН₂O

    Обычно  осуществляют предварительную денитрацию башенной кислоты, разбавляя ее водой или маточным раствором сульфата аммония, причем концентрация кислоты, направляемой на нейтрализацию, снижается на 8–10%.

    Из  примесей, находящихся в башенной серной кислоте (около 0.2%), наиболее вредное  влияние в процессе получения  сульфата аммония оказывают сульфаты железа и алюминия. При нейтрализации кислоты из этих солей образуются коллоидные гидроокиси железа и алюминия

(Fe, Al)₂(SO₄)₃ + 6NH₃ + 6H₂O = 2(Fe, Al)(OH)₃ + 3(NH₄)₂SO₄

обволакивающие  кристаллы сульфата  аммония  и тормозящие их рост. Устранение этого явления достигается путем неполной нейтрализации кислоты – в непрерывно действующих реакторах поддерживают кислую реакцию среды.

    Ниже изображены изотермы растворимости в системе (NH₄)₂SO₄ – H₂SO₄ – H₂O. В этой системе в твердой фазе могут существовать различные кислые соли. Отдельные участки кривых соответствуют насыщению раствора: 1 – (NH₄)₂SO₄; 2 – 4(NH₄)₂SO₄ ·H₂SO₄; 3 – 3(NH₄)₂SO₄ ·H₂SO₄; 4 – (NH₄)₂SO₄ ·H₂SO₄; 5 – (NН₄)₂SO₄ ·3Н₂SO₄. Поле кристаллизации (NH₄)₂SO₄ лежит в области систем, содержащих небольшие количества серной кислоты – а₁E₁c при 10°C и a₂E₂c при 90°C. Во избежание выпадения кислых солей содержание серной кислоты в жидкой фазе системы должно быть меньше, чем в точках Е, т.е. меньше 11.08% при 10°C или 19.77% при 90°C. Хотя в процессе нейтрализации реакционная масса имеет высокую температуру, но при последующем отделении кристаллов она охлаждается, поэтому при выборе состава реакционного раствора необходимо исходить из положения поля кристаллизации сульфата аммония при невысоких температурах. Практически кислотность раствора поддерживают на уровне 6–7% свободной серной кислоты, что исключает возможность кристаллизации кислых солей.

    Кристаллы сульфата аммония, выделяющиеся из такого кислого раствора, сравнительно мелки, что несколько затрудняет их отфильтровывание и отмывку от маточного раствора. Для получения более крупных кристаллов содержание серной кислоты в растворе должно было бы быть в пределах 9–15 г серной кислоты в 1 л. При еще меньшей кислотности раствора опять получаются мелкие кристаллы. Как при высокой, так и при очень незначительной кислотности раствора сульфат аммония образует пересыщенные растворы, что ведет к появлению мелких кристаллов. Указанная же кислотность соответствует условиям, при которых кристаллизация идет медленнее, а кристаллы получаются крупнее. Однако работа с такой кислотностью допустима лишь при незначительном содержании в растворе веществ, образующих коллоидные осадки.

    Вредное влияние коллоидных осадков при кристаллизации из слабокислых растворов может быть устранено путем осаждения соединений железа и алюминия добавкой небольших количеств суперфосфата, фосфорной кислоты и других  реагентов.

    Величина  кристаллов увеличивается также с возрастанием продолжительности их роста. В непрерывно действующих аппаратах интенсивное перемешивание кристаллической суспензии инертным газами – воздухом или водяным паром – препятствует осаждению кристаллов плотным слоем на дно аппарата, где их рост прекращается. Замедление процесса кристаллизации достигается также при двухступенчатой нейтрализации – в первой ступени получается кислый насыщенный раствор сульфата аммония, который после охлаждения донасыщается аммиаком во второй ступени. Равномернее распределение аммиака по всему объему нейтрализуемой массы обеспечивает равномерное распределение тепла и зарождающихся центров кристаллизации.

    При отжиме образовавшихся кристаллов сульфата аммония на центрифугах в нем остается часть маточного раствора (до 1.5% влаги). При охлаждении соли продолжается ее кристаллизация из оставшегося маточного раствора, что приводит к срастанию поверхностей отдельных кристаллов, и вся масса цементируется в сплошную глыбу. Во избежание этого после отжима от маточного раствора соль следует промывать на центрифуге водой. При промывке вода растворяет мелкие кристаллы, и масса становится более рыхлой. Иногда для уменьшения кислотности продукта его промывают аммиачной водой. Когда центрифугированию подвергается соль, имеющая щелочную реакцию, т.е. содержащая свободный аммиак, промывку лучше производить горячей водой, т.к. выделившиеся в этом случае гидроокиси железа и алюминия, забивающие поры между кристаллами, коагулируют в более крупный осадок и промывка облегчается.

    С целью улучшения физических свойств готового продукта и уменьшения слеживаемости его подвергают сушке. Сушку сульфата аммония проводят различными способами – на вибротранспортере и в барабанных сушилках. В последнее время в связи с повышенными требованиями к влажности продукта сушку стали осуществлять в псевдоожиженном слое. Кроме того, испытана высокоэффективная сушка в вихревой камере, дающая продукт с влажностью 0.1–0.6%, и в вертикальной трубе, в которой удается высушить продукт до содержания влаги 0.02–0.08% . Сушится сульфат аммония воздухом, предварительно нагретым паром до 110–130°С. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Производство сульфата аммония

из  аммиака коксового  газа 

    Содержащийся  в коксовом газе аммиак (7–10 г/м³) можно перерабатывать в сульфат аммония тремя способами: косвенным, прямым и полупрямым.

    Косвенный способ состоит в следующем: коксовый газ подвергают охлаждению в газовых  холодильниках для выделения  из него смолы и водяных паров. Оставшийся в газе аммиак поглощают водой в аммиачных скрубберах. Затем из аммиачной и надсмольной воды, образовавшейся вследствие расслоения смолы и сконденсировавшихся водяных паров, в дистилляционных колоннах отгоняют аммиак, который связывают серной кислотой с образованием сульфата аммония. Этот метод требует больших капиталовложений на сооружение аммиачных скрубберов, а также большого расхода электроэнергии воды и пара. Кроме того, он связан с большими потерями аммиака. Вследствие своей нерентабельности этот способ в промышленности не применяется.