4. Концентрація відпрацьованої сірчаної кислоти
Як видно з техніко-економічних показників, приведених вище, для отримання 1 т концентрованою HNO3 необхідно витратити в 4 — 4,5 раз більше сірчаної кислоти, яка в процесі концентрації розбавляється до 68% Н2SO4 і містить не більше 0,03 об’єм. % оксидів азоту. Тому при виробництві концентрованої нітратної кислоти є установка для упарювання відпрацьованої сірчаної кислоти, яку знов повертають в цикл. Метод упарювання сарної кислоти до 92 — 94 % Н2SO4 заснований на нагріванні розбавленої сірчаної кислоти до 100 °С. У цих умовах в парову фазу виділяються лише пари води. Досягши 260 — 290 °С у парову фазу починають виділятися пари сірчаної кислоти.
Технологічна схема концентрації сірчаної кислоти із застосуванням барботажного концентратора барабанного типа показана на рис. 6. Нагрівання кислоти в барабані 9 вітбувається топковими газами при температурі 1000 — 1050 °С, що утворюються від спалювання природного газу або мазуту в топці 5. Гарячі гази розбавляються повітрям в камері змішення, які охолоджуються до 700 — 850 °С і при цій температурі поступають в першу камеру по трубах, опущених в шар сірчаної кислоти. Барботуючи через шар кислоти, гази нагрівають її до 220 — 240 °С.
З першої камери вже декілька охолоджений газ поступає в другу камеру, де також барботує через шар кислоти, насичуючись при цьому новою кількістю водяної пари і туманом сірчаної кислоти. З другої камери гази при 145— 160 °С поступає на очищення в електрофільтр 12.
Газ, очищений до 0,3 — 0,8 г/м3 Н2SO4, викидають в атмосферу, а що утворився в результаті конденсації пари сірчана кислота концентрацією до 75% Н2SO4 повертається на концентрацію. З першої камери концентратора кислота, упарена до 91 — 92% Н2SO4 і нагріта до 220 — 240 °С, поступає в свинцевий холодильник 14, де охолоджується водою і при 40 — 50 °С поступає в цех концентрації нітратної кислоти через збірку 13.
Рис. 6. Технологічна схема концентрації сірчаної кислоти із застосуванням концентратора барабанного типа: 1 — загальний колектор природного газу; 2 — витратомір природного газу; 3 — відсікач; 4 — регулювальник тиску природного газу; 5 —топки; 6 — загальний відсікач; 7 — загальний регулювальник тиску; 8 — фільтр; 9 — концентратор; 10 — витратомір відпрацьованої кислоти; 11 — напірний бак; 12 — електрофільтр; 13 — збірка концентрованої кислоти: 14 — холодильник; 15 — вентилятор.
Нижче приведені витратні коефіцієнти на 1 т HNO3:
Сірчана кислота, т …………………………….1,01
Мазут, кг (або природний газ, м3)…………………54 - 58 (або 60)
Електроенергія, кВт-год ……………………………..72 - 90
Вода, що охолоджує, м3 ……………………………...8 – 10
Окрім барботажних концентраторів, для упарювання розбавленої сірчаної кислоти застосовуються труби Вентурі. Технологічна схема концентрації сірчаної кислоти в трубах Вентурі показана на рис. 7.
Принцип дії труби Вентурі заснований на різкому зниженні тиску газу в звуженій частині труби з одночасним зростанням швидкості потоку, внаслідок чого відбувається тонке розпилення кислоти, що поступає в трубу Вентурі.
Великим недоліком концентрації нітратної кислоти за допомогою сірчаної кислоти є високий вміст пари і туману сірчаної кислоти у вихлопних газах після електрофільтрів, рівне 0,3 — 0,8 г/м3 газу. Це привело до заміни сірчаної кислоти, наприклад, нітратом магнію або цинку.
Рис. 7. Схема концентрації сірчаної кислоти в трубах Вентурі: 1— топка; 2 — насос; 3 — холодильник; 4, 6 — труби Вентурі; 5, 7 — циклони-апарати; 8 — витратомір відпрацьованої кислоти; 9 — напірний бак.
5. Концентрація НNО3 за допомогою нітрату магнію
Цей спосіб концентрації забезпечує отримання чистої концентрованої нітратної кислоти без шкідливих викидів в атмосферу. Плав нітрату магнію (72 — 80 мас. %). нагрітий до температури не нижче 100 °С, подають на верх відпарної колони, вище за введення неконцентрованої азотної кислоти. У нижній частині колони температура розчину підтримується 160 — 180 °С за допомогою кип'ятильника пари, що виходять з колони з вмістом близько 87 % НNO3 і 13 % води, поступають в дистиляційну колону, де концентруються до 99 % НNO3, і поступають в конденсатор. Звідси конденсат нітратної кислоти розділяють на два потоки, один з яких повертають у вигляді флегми в дистиляційну колону, інший видають у вигляді продукції. Розбавлений розчин нітрату магнію поступає в кип'ятильник і у вакуум-випарник для упарювання до вихідної концентрації 72 — 80 % Mg(NO3)2; такий розчин насосом знову направляють у відпарну колону. Умови рівноваги системи НNO3—Mg(NO3)2—Н2О дозволяють отримувати нітратну кислоту високої концентрації.
Устаткування, що застосовувалося раніше, для отримання концентрованої нітратної кислоти із застосуванням водовіднімаючих засобів виготовляли в основному з феросиліду: крихкого, чутливого до температурних змін, отриманого методом відливання. Ці недоліки феросиліду не дозволяли виготовляти апарати крупних розмірів. В даний час розробляються схеми концентрації НNO3 із застосуванням плаву Mg(NO3)2 на крупних агрегатах, виконаних з титана і спеціальної сталі, корозійно стійких в даному середовищі.