Производство азотной кислоты

Введение

 

Азотная кислота - одна из важнейших минеральных  кислот. По объему производства в химической промышленности она занимает второе место после серной кислоты. Азотная  кислота широко применяется для  производства многих продуктов, используемых в промышленности и сельском хозяйстве:

• нитратов целлюлозы, металлов, аммония;
• нитрофоса, нитрофоска;
• взрывчатых веществ;
• нитролаков;
• пластических масс;
• красителей;
• ракетного топлива;
• ароматических нитросоединений;
• цветной металлургии.

Концентрационная  азотная кислота образует на поверхности железа тонкий, но плотный слой нерастворимого в концентрированной кислоте оксида, защищающего металл от дальнейшего разъедания. Эта способность железа пассивироваться используется для защиты его от коррозии.

Концентрированную азотную кислоту (особенно с добавлением 10% H₂SO₄) перевозят обычно в стальных цистернах. Многие органические вещества (в частности животные и растительные ткани) при действии HNO₃ разрушаются, а некоторые из них от соприкосновения с очень концентрированной кислотой могут воспламеняться. В лабораторной практике обычно применяется азотная кислота, содержащая около 65% HNO₃ (пл.1,40). В промышленности применяют два сорта азотной кислоты: разбавленную с содержанием 50-60% HNO₃ и концентрированную, содержащую 96-98% HNO₃.

1 Сырье для производства азотной кислоты

 

В настоящее  время в промышленных масштабах  азотная кислота производится исключительно  из аммиака. Поэтому структура сырья  азотнокислотного производства совпадает  со структурой сырья для производства аммиака, как это видно из рис. 1.

 

Рис. 1 Сырье для производства азотной кислоты

 

В настоящее  время основную массу азотной  кислоты производят из синтетического аммиака, получаемого на основе конверсии  природного газа. Аммиак, поступающий  из цеха синтеза, содержит катализаторную пыль и пары компрессорного масла, являющиеся каталитическими ядами на стадии окисления аммиака. Поэтому аммиак подвергается тщательной очистке фильтрованием через матерчатые и керамические (поролитовые) фильтры и промывкой жидким аммиаком. Аналогично очищают от механических и химических примесей воздух, который поступает в цех через заборную трубу, устанавливаемую, как правило, вдали от территории предприятия. Для очистки воздуха используются орошаемые водой скрубберы и матерчатые двухступенчатые фильтры.

азотная кислота синтез концентрация

 

2 Общая схема азотно-кислотного производства

 

Существуют  два способа производства азотной кислоты: получение разбавленной кислоты с последующим концентрированием ее в случае необходимости и непосредственное получение концентрированной кислоты.

Наиболее распространен  первый способ, что связано с использованием в народном хозяйстве как концентрированной, так и разбавленной кислоты. Методы различаются физико-химическими  закономерностями протекающих процессов и технологическими схемами. Однако независимо от схемы, синтез азотной кислоты из аммиака описывается общей химической схемой:

 

 

Первая стадия процесса (конверсия аммиака) одинакова  как для получения разбавленной, так и для получения концентрированной кислоты, вторая стадия (переработка нитрозных газов) отличается рядом особенностей. Решающее значение при выборе параметров той или иной технологической схемы имеет выбор оптимального давления на каждой из стадий процесса. В производстве азотной кислоты повышение давления существенно интенсифицирует химические реакции на всех стадиях процесса, способствует эффективности теплообмена, позволяет использовать более совершенные массообменные устройства, уменьшает размеры аппаратуры и коммуникаций и, в конечном итоге, позволяет снизить капитальные расходы.

В то же время  повышение давления оказывает и  негативное влияние на экономические  показатели работы агрегата. К ним  относятся:

• ускорение побочных реакций на стадии окисления аммиака,
• снижение степени конверсии, потери катализатора вследствие его уноса потоком газа и необходимость частой замены его, что связано с остановкой производства.

Технико-экономический  анализ показывает, что применение единого (повышенного) давления на всех стадиях производства целесообразно лишь в том случае, когда мощность установки не превышает 600-800 т/сутки. Установки большей мощности экономически выгодно создавать только с использованием разных давлений на стадии конверсии аммиака и стадии переработки нитрозных газов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Производство азотной кислоты

 

Чистая азотная кислота  – бесцветная жидкость, замерзающая  при - 41°С, кипящая при 86°С. Максимальная температура кипения 121,9°С имеет  раствор содержащий 68,4% HNO₃ и представляющий собой азеотропную смесь. Азотная кислота – очень сильный окислитель. Многие органические вещества при действии азотной кислоты разлагаются, а некоторые способны воспламеняться. Особенно сильна как окислитель разбавленная азотная кислота. Концентрированная азотная кислота пассивирует такие металлы как железо. На этом основано использование стали как конструкционного материала в производстве азотной кислоты.

Промышленность  выпускает азотную кислоту двух видов: разбавленную с содержанием 50 – 60 % HNO₃ и концентрированную, содержащую 96 – 98 % HNO₃. Разбавленная кислота используется в основном для производства азотсодержащих минеральных удобрений. Крепкая азотная кислота применяется для производства взрывчатых веществ, красителей, пластических масс, нитролаков, кинопленки, и других важных продуктов. Азотную кислоту производят из аммиака.

Физико-химические основы процесса.

Производство  разбавленной азотной кислоты из аммиака складывается из следующих  стадий:

1.      контактное окисление аммиака до оксида азота (II);

5 NH₃ + 5 O₂ ® 4 NO + 6 H₂O + Q₁                                                           (1)

2.      доокисление оксида азота (II) до оксида азота (IV);

2 NO + O₂  «   2 NO₂  + Q₂  (2)

3.      поглощение оксида азота (IV) водой с образованием азотной кислоты.

4 NO₂ + 2 H₂O + O₂ ®  4 HNO₃ + Q₃                                                         (3)

Суммарная реакция  образования азотной кислоты  выражается уравнением: 

NH₃ + 2 O₂      ®    HNO₃ + H₂O

Контактное окисление  аммиака.

При окислении  аммиака кроме основной реакции  могут протекать параллельные побочные процессы.

2 NH₃ + 2 O₂   ®  N₂O + 3 H₂O + Q₄                                                                                          (4)

4 NH₃ + 3 O₂   ®  2 N₂ + 6 H₂O + Q₅  (5)

4 NH₃ + 6 NO ® 5 N₂  + 6 H₂O + Q₆                                                          (6)

и последовательная реакция

2 NO  ®    N₂ + O₂ (7)

Поэтому одной  из проблем увеличения выхода азотной  кислоты является создание такого катализатора, который бы действовал избирательно на реакцию (1), мало влияя на побочные реакции. В производстве азотной кислоты в качестве катализаторов используются платиноидные катализаторы (Pt, Pt-Rh и Pt-Pd-Rh-сплавы с содержанием платины 81 – 92%). Основная реакция – очень быстрая и протекает во внешнедиффузионной области, причем процесс лимитируется диффузией кислорода к поверхности катализатора. Это обусловливает повышенную по сравнению кислородом концентрацию аммиака на поверхности катализатора и повышение удельного веса побочных реакций неполного окисления с образованием азота и закиси азота. Поэтому необходим значительный избыток кислорода у поверхности, чтобы вытеснить из нее аммиак. Тогда его окисление будет более глубоким до NO. Влияние соотношения O₂ : NH₃ в потоке на выход NO показано на рисунке 1. Можно видеть, что при соотношении O₂ : NH₃ более 1,8 селективность по NO достигает постоянной максимальной величины, близкой к 100% и далее практически не меняется. 

Состав газовой  смеси. 

При выборе соотношения O₂ : NH₃ руководствуются зависимостью выхода NO от этого соотношения (рисунок 1), связанной с лимитированием процесса диффузией кислорода к поверхности катализатора. Оптимальными значениями O₂ : NH₃ является величина 1,8 – 2,0, что соответствует содержанию аммиака в аммиачно-воздушной смеси 9,5 – 10,5 (об. %). Следует учитывать, что при обычной температуре смесь аммиака с воздухом взрывается в интервале 16 – 27 (об. %), а при увеличении температуры и давления предел взрываемости расширяется.

Время контакта. 

Высокая селективность  катализаторов позволяет в условиях оптимальных давлений, температур и соотношения O₂ : NH₃ достигать 97 – 98% выхода NO при практически полной конверсии аммиака. Поскольку NO при увеличении времени контактирования может далее разлагаться на элементарные N₂ и О₂, то за время контакта выбирается то минимальное время, при котором достигается практически полная конверсия и которое обеспечивает минимальный объем реактора в условиях практически полного превращения NH₃. Это время составляет (1 – 2)×10^-1 с.

Окисление оксида азота (II) до диоксида.

Нитрозные газы, полученные при окислении аммиака содержат NO и другие оксиды азота, кислород, азот и пары воды. Для получения азотной кислоты оксид азота (II) окисляют до диоксида.

Процесс окисления NO кислородом воздуха описывается  уравнением

2 NO + O₂   «  NO₂ + 112 кДж                                                                  (8)

В соответствии с принципом  Ле Шателье равновесие этой реакции  сдвигается вправо при повышении  давления и снижении температуры. Практически  равновесие образования диоксида азота при 100°С почти полностью смещено вправо. Константа скорости процесса также увеличивается с понижением температуры. Такое аномальное поведение системы связано с тримолекулярным характером процесса (см. раздел «Химическая кинетика» курса «Физическая химия»). В связи с требованиями смещения равновесия и ускорения процесса температуру необходимо понижать. Однако имеется нижний предел температуры, определяемый прогрессивным возрастанием энергетических затрат, связанных с использованием хладагентов. Вместе с тем понижение температуры обусловливает частичное превращение NO₂ в димер

2 NO₂      «      N₂O₄ + 57 кДж                                                                         (9)

На практике процесс осуществляется при температуре 10 – 50°С.

Давление является фактором ускорения основной реакции и фактором смещения ее равновесия в сторону целевого продукта. Однако одновременно рост давления обусловливает смещение равновесия димеризации в правую сторону. Чрезмерное повышение давления нецелесообразно, так как приводит к росту энергетических затрат на компримирование, а также образованию и выпадению в конденсат значительных количеств N₂O₄ и HNO₃. На практике работают при давлениях 0,40 – 0,45 МПа. Выходящие после реакции контактные газы содержат NO₂, N₂O₄, O₂, N₂O, NO, N₂O₃, пары воды.

Время контакта и степень превращения. Реакция окисления протекает самопроизвольно без каких-либо внешних ускорителей. В то же время общий третий порядок реакции обусловливает резкое снижение скорости с увеличением степени конверсии. Поэтому в качестве реактора окисления используют полый цилиндрический аппарат, работающий в режиме вытеснения. При этом резкое снижение скорости с ростом степени превращения реагентов не позволяет осуществить процесс до их полного превращения. Поэтому его проводят до оптимальной степени превращения 92%. Этой величине соответствуют времена контакта порядка нескольких секунд.

Соотношение реагентов необходимо поддерживать в соответствии с требованиями стехиометрии, т.е. 2 : 1. При этом достигается максимальная производительность процесса.

Абсорбция диоксида азота.

Все оксиды азота, за исключением NO взаимодействуют с  водой с образованием азотной  кислоты. Поглощение оксидов азота  с водой протекает через две  макростадии – физическое растворение  этих газов в воде и последующее их химическое взаимодействие с водой с образованием азотной и азотистой кислот. Азотистая кислота является малоустойчивым соединением и распадается на азотную кислоту, оксид азота (II) и воду.

          2 NO₂ + H₂O  « HNO₃ + HNO₂ + 116 кДж                                              (10)

3 HNO₂  « HNO₃ + 2 NO + H₂O – 76 кДж                                               (11)

Суммарно взаимодействие NO₂ с водой можно представить уравнением

3 NO₂ + H₂O « 2 HNO₃ + NO + 136 кДж                                              (12)

Образующийся NO снова окисляется до NO₂

2 NO + O₂ « 2 NO₂                                                                                                                                  (13)

Из двух макростадий  – физическое растворение и химическая реакция вторая протекает значительно быстрее и ее скорость определяется скоростью массопереноса газовой фазы в жидкую. Разложение азотистой кислоты происходит сравнительно медленно. Образующийся NO частично окисляется в растворе кислородом, но его большая часть взаимодействует с кислородом уже в газовой фазе по реакции (13). Одновременно с абсорбцией и протеканием химических реакций в растворе в газовой фазе так же частично протекают те же реакции, приводящие к образованию азотной кислоты. При взаимодействии паров воды и NO₂ в газовой фазе происходит образование кислотного тумана.