18. Теоретические основы синтеза азотной кислоты.

3 стадии.

1. Окисление аммиака в оксид азота II.

2. Окисление оксид азота II в оксид азота IV.

3. Абсорбция оксида азота IV водой с образованием азотной кислоты.

1. Первая стадия может протекать только в присутствии атализатора и только в определенном интервале температур.

4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + Q (800 градусов).

В качестве катализатора Андреев предложил платину. Но платина легко разрыхляется и уносится с потоком газа. Для устранения этого недостатка Андреев предложил сплав платины с родием, который имеет ысокие физико-механические свойства, не теряя активности. Этот катализато работает при температуре до 800 градусов. При завышении температуры даже в присутствии катализатора вместо оксида азота образуется азот.

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O +Q

Катализатор используется в виде сетки с диаметром 0,06 мм. Число отверстий 1021 на 1 см2.

В процессе также можно использовать катализатор из оксидов железа, кобальта с добавками марганца, никеля.

2.

2NO + O2 = 2NO2 + Q

Обратимая, гомогенная экзотермическая некаталитическая реакция идущая с уменьшением объема. Это самая медленная стадия процесса. идет через промежуточное образование димера - оксида азота II. Это физический процесс идущий очень медленно.

2NO = (NO)2 +Q

(NO)2 + O2 = 2NO2 + Q

При атмосферном давлении данная реакция идет очень хорошо при температуре 20 градусов и ниже. При повышении температуры до 100 градусов она не идет. Если давление повысить до 10 атмосфер, то температуру можно повысить до 200 градусов.

При температуре 4 градуса и ниже оксид азота IV превращается в жидкую четырехокись азота.

2NO2 = N2O4

Давление смещает равновесие вправо.

3. Абсорбция оксида азота IV водой. Это ОВР. оксид азота IV выступает и в качестве окислителя и качестве восстановителя с образованием 2-х продуктов - азотной кислоты и азотистой.

6NO2 + 3H20 = 3HNO3 + 3HNO2 + Q

азотистая кислота является неустойчивой и разлагается с образованием азотной кислоты и оксида азота II.

3HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O

Для окисления оксида азота II до оксида азота IV требуется кислород.

2NO + O2 = 2NO2 +Q

4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3 +Q

При обычной температуре и атмосферном давлении равновесная концентрация азотной кислоты равна 50%. Этим методом получают 47% азотную кпслоту. Для получения более концентрированной кислоты применяют давление. В комбинированном способе 2 и 3 стадию ведут при давлении 8-10 атм. При этом получают 60% азотную кислоту. Если давление повысить до 60 атм., то можно получить кнцентрированную азотную кислоту. В промышленности для получения концентрированной азотной кислоты существует специальная технология.

19. Производство азотной кислоты комбинированным способом. Технологическая схема.

Воздух промывается водой, фильтруется через рукавный фильтр и смешивается с аммиаком. Полученная азото-водородная смесь проходит 2 картонных фильтра и поступает в верхнюю часть контактного аппарата 1. Верхняя часть реактора 1, в которой находитсяплатиновый катализатор выполнена из алюминия, чтобы не могли попасть на катализатор оксиды железа, которые являются контактными ядами. Оставшаяся часть реактора выполнена из нержавеющей стали. Железо-хромовцй катализатор для улавливагния катализатора. Котел-утилизатор 4. Аммиачно-воздушная смесьподогревается до температуры реакции за счет тепла лучеиспускания раскаленной платиновой проволоки. Далее проходит платиновый атализатор, железохромовый катализатор и котел-утилизатор. Далее последовательно 2 водяных холодильника 5 и 6. В этих холодильникахпоимо охлаждения газа идет кнденсация паров воды и образуется газожидкостная смесь. В холодильнике 5 отделяетя 3% азотная к ислота и 30%. Они идут на орошение в верхнюю часть колонны 11. После холодильника 6 нитрозный газ с температурой 25 градусов сжимается до давления 10 атм. С помощью компрессора 7. За счет сжатия температура газа повышается до 130 градусов и он поступает в окислитель 8. Это пустотелая емкость очень большого объема. Большой объем реактора позволяет увеличить время контакта и дстичь необходимой степени превращения. Лимитирующая стадия. В 8 за счет экзотермичности процесса температура повышается до 200 градусов. Полученный газ далее направляется на охлаждение в теплообменники 9 и 10. 9 теплообменник охлаждается отходящими газами, 10 водой. В 10 теплообменнике происходит частичное образование концентрированной азотной кислоты, которая черезфильтр 12 из стекловаты направляется в нижнюю часть поглотительной колонны 11. Фильтр 12 солужит для улавливания уносимого катализатора. Поток газа из теплообменника 10 направляется в поглоиткельную колонну 11 для извлечения оксида азота IV. Колонна 11 работает по принципу противотока. В верхнюю часть подается для орошения вода и раствор азотной кислоты из 5 и 6, сенизу отводится 60% азотная кислота. Газовый поток движется противотоком снизу вверх. Высота колоны 11,45 м, диаметр 3 метра. В ней укреплено 30 *** тарелок, на которых при охлаждении через трубчатые змеевики подается вода. Тарелки необходимы для увеличения поверхности массыпередачи.

Газ выходящий из колонны 11 первоначально подогревается в теплообменнике 9, затем проходит камеру сгорания, после этого смешивается с природным газом и проходит реактор с паладиевым катализатором, на котором оксиды азота превращаются в азот. Это пример каталитической очистки газов перед выбросом в атмосфеоу.

Пути совершенствования производства азотной кислоты.

1. Поиск неплатиновых катализаторов.

2. Применение комбинированных установок производства азотной кислоты большой мощности 400000 азотной кислоты в год.

3. Строительство установок прямого синтеза концентрированной азотной кислоты.

4. Утилизация отходов.