1.2. Технологія виробництва нітратної (азотної) кислоти
Безводна нітратна кислота (ΗΝО3) — важка безбарвна рідина щільністю 1520 кг/м3 при 15 °С, що димиться на повітрі і замерзає при —41 °С. Нітратна кислота змішується з водою, утворюючи гідрати ΗΝО3 ∙ Η2О і ΗΝ03 ∙ 2Η2О. Безводна ΗΝО3 кипить при 86 °С, а максимальну температуру кипіння 121,9 °С має 68,4 % водний розчин ΗΝ03, що представляє собою азеотропну суміш, у якої склад рідини і пари однаковий, тому така суміш кипить без зміни концентрації.
Під дією світла при збереженні або при нагріванні нітратна кислота частково розкладається з виділенням оксиду Нітрогену (IV) NО2, що, розчиняючись у кислоті, забарвлює її в жовтий або бурий колір.
Обсяг виробництва нітратної кислоти трохи менший, ніж сульфатної, по тоннажу вона є другою кислотою після сульфатної. В основному, нітратна кислота, витрачається для одержання мінеральних добрив, а також у виробництві барвників, вибухових речовин, у промисловості органічного синтезу, у якості окислювача ракетного палива, у виробництві нітролаків, кіноплівки і т.п.
Сучасне виробництво нітратної кислоти засновано на процесах окиснення аміаку з наступною переробкою оксидів Нітрогену.
В основі процесу одержання розведеної нітратної кислоти з аміаку лежать наступні реакції:
контактне окиснення аміаку киснем повітря до оксиду Нітрогену (II) 4NH3 + 5О2 = 4NO + 6H2О + Q
окиснення оксиду Нітрогену (II) до оксиду азоту (IV) 2NO + О2 = 2ΝО2 + Q
абсорбція оксиду Нітрогену (IV) водою 3NО2 + Н2О = 2HNО3 + NO + Q.
Оксид Нітрогену (II), що виділяється, повертається в процес, окиснюється до NО2, що знову поглинається водою, і далі процеси повторюються.
Без каталізатора процес окиснення NH3 йде з утворенням N2, і, щоб основним продуктом окиснення NH3 був оксид Нітрогену (II), використовують каталізатор — платину і її сплави з металами платинової групи. Платинові каталізатори застосовують у вигляді сіток з тонкого дроту. Оскільки платинові каталізатори чутливі до домішок у аміачно-повітряному середовищі, активність каталізатора з часом постійно знижується. Без заміни каталізатор може служити 1—1,5 року.
Аміачно-повітряна суміш при вмісті в ній аміаку 16—28 % стає вибухонебезпечною, тому у виробничих умовах вміст аміаку в ній складає 9,5—11,5 %. Процес окиснення аміаку залежить від початкової температури реакції, при атмосферному тиску температуру газу підтримують 700—800 °С, при підвищеному тиску — 800— 900 °С.
Окиснення NО при температурах нижче 100 °С практично цілком протікає у бік утворення NО2, бо зниження температури і підвищення тиску сприяють рівноважному виходові NО2.
Абсорбція НО2 водою є кінцевою стадією виробництва нітратної кислоти. Вона прискорюється при зниженні температури і підвищенні тиску. Практично процес переробки нітрозних газів в азотну кислоту проводять при 20—30 °С. В міру протікання реакції концентрація одержуваної нітратної кислоти зростає і реакція сповільнюється.
Розрізняють установки виробництва розведеної нітратної кислоти при атмосферному тиску, підвищеному тиску і комбіновані.
Системи, що працюють при атмосферному тиску, характеризуються низьким ступенем переробки оксидів Нітрогену в нітратну кислоту, невисокою концентрацією отриманої кислоти, великими реакційними об'ємами.
Установки підвищеного тиску відрізняються більш високим ступенем переробки оксидів Нітрогену в нітратну кислоту, у десятки разів меншим об'ємом абсорбційних колон, відсутністю абсорбції залишкових оксидів Нітрогену. Але при цьому збільшуються витрати електроенергії і платини.
Показники комбінованих систем близькі до оптимальних. У комбінованих установках окиснення аміаку здійснюється під атмосферним тиском, а процеси окиснення NО і поглинання NО2 водою— під підвищеним тиском (0,3...0,9 МПа).
Виробництво нітратної кислоти в установці комбінованої системи представлене на рис 2.
Повітря надходить в установку через забірну трубу, встановлену поза територією заводу. Для його очищення від механічних і хімічних домішок застосовується промивник (скрубер) 1 і фільтри 2. Подача повітря, аміаку (іноді і додаткового кисню) здійснюється за допомогою аміачно-повітряного вентилятора З за таким розрахунком, щоб вміст NH3 у газовій суміші складав 10...12 %. Вентилятором 3 суміш подається в підігрівник теплообмінного типу 5, нагрівається до 100 °С і далі надходить у контактний апарат 6. У ньому аміачно-повітряна суміш проходить картонні фільтри і контактує з каталізаторною сіткою, де при 820 °С відбувається окиснення аміаку в оксид азоту (II). Внаслідок цього утворюються нітрозні гази, температура яких на виході з контактного апарату складає близько 800 °С.
Рис 2. Схема виробництва розведеної нітратної кислоти в установках комбінованої системи
У нижній частині контактного апарату розташований казан-утилізатор 4, в якому нітрозні гази охолоджуються до 170 °С і утворюється перегріта до 450 °С водяна пара (тиск 4 МПа). Далі нітрозні гази охолоджуються в підігрівнику 6, потім до 40 °С — у холодильнику — промивнику 7. Утворений на тарілках промивника конденсат перекачується зі збірника 13 відцентровим насосом 14 в абсорбційну колону 11. Охолоджені нітрозні гази надходять у турбокомпресор 8 і, стиснуті до 0,3...0,4 МПа при температурі 120 °С, направляються в окисник 9. У ньому NO окиснюється в N02 і за рахунок теплоти реакції гази підігріваються до 220 °С. Потім нітрозні гази охолоджуються в апараті 10 газами, що відходять, і надходять в абсорбційну колону.
50%-а нітратна кислота, яка витікає з нижньої частини колони, надходить у вибільну колону 12, де видаляються розчинені в ній оксиди Нітрогену, за допомогою турбокомпресора 8. Освітлена нітратна кислота з вибільної колони направляється в сховище, а потім споживачам.
Промисловість випускає розведену, слабку і концентровану нітратну кислоту. Слабка ΗΝО3 (45—60 %) зберігається в резервуарах з нержавіючої сталі, невеликі партії в скляних суліях. Концентровану кислоту зберігають у резервуарах, а перевозять у залізничних цистернах з алюмінію.