Производство на азотна киселина в промишлеността: технология, етапи, характеристики

Азотната киселина е сред най-популярните видове индустриални суровини. Производството му може да се извърши по различни методи - в зависимост от вида на киселината, в която трябва да се доставя киселината на клиента. Каква е същността на съответните технологии? Как се отнасят до типа азотна киселина, произвеждана във фабриката?

Промишлено производство азотна киселина: историята на технологичното развитие

Преди всичко, ще бъде полезно да се проучат исторически факти за развитието на производството на азотна киселина в Русия. В битовата индустрия пускането на това вещество, ако следваме наличната информация, беше инициирано от Петър І. Впоследствие предложено от М. М. Ломоносов начин на производство азотна киселина от семена - това вещество всъщност се смяташе за основна суровина за освобождаването на въпросното вещество до началото на 20-ти век.

Заедно с производството на алуминиеви продукти, производството на азотна киселина в промишлеността се извършва сярна киселина. Двете разглеждани вещества, взаимодействащи помежду си, образуват азотна киселина и сярна киселина натриев оксид. Предимството на този метод е възможността за получаване на азотна киселина в концентрация от порядъка на 96-98% (при условие, че се използват суровини с изискваното качество).

Съответната технология е активно развита - в полза на увеличаване на скоростта на обработка на суровините и осигуряване на освобождаването на по-голям обем от продукта. Но постепенно тя отстъпва на концепцията, че производството на азотна киселина се осъществява чрез контактно окисление на амоняк.

Също така е създаден метод, при който се използва основната суровина за производството на киселина азотен оксид, Той се получава чрез дъгова окисляване на съответния газ от атмосферата. Общата гледна точка е, че първият метод е икономически по-жизнеспособен.

С подобряването на технологичните подходи към производството на азотна киселина е разработен подход, при който най-оптималната възможност за производство на съответното вещество е използването на индустриална инфраструктура, работеща под повишен натиск. Алтернатива на това - производството на киселина при атмосферно налягане, което се счита за икономически по-малко ефективно, от икономическа гледна точка.

Освобождаването на веществото при нормално или повишено налягане предполага производството на азотна киселина от амоняк. Съществува и комбиниран метод, който съчетава предимствата на другите два. Особеностите на производството на азотна киселина чрез комбиниран метод са, първо, окисляването на амоняка при атмосферно налягане и абсорбцията на амоняк при повишени нива.

Амонякът се счита за основна суровина за отделянето на въпросното вещество, заедно с водата и атмосферния въздух. Да разгледаме подробно спецификата на приложението им в производството на киселина.

Суровина за производство на азотна киселина

Така че основните суровини, използвани в производството на въпросното вещество, са амоняк, въздух и вода.

Това изисква използването на амоняк в пречистена форма. За тази цел той се пречиства в различни производствени цикли, като се използва специално изпарително и дестилационно оборудване. По същия начин, с освобождаването на азотна киселина, трябва да се използва чист въздух. Също така се филтрира със специално оборудване. На свой ред водата, която се използва при производството на азотна киселина, се почиства от примеси и соли. В много случаи трябва да се използва чист кондензат за производството на въпросното вещество.

Ще проучим в кои видове може да се представи въпросното вещество, както и как се произвежда всеки вид азотна киселина.

Сортове азотна киселина и основните етапи от нейното производство

Има 2 вида азотна киселина, произведени в съвременни промишлени предприятия - разредени и концентрирани. Производството на разредена азотна киселина се осъществява на три основни етапа:

• преобразуване на амоняк (неговият краен продукт е азотен оксид);
• приемане азотен диоксид;
• абсорбцията на азотни оксиди чрез използването на вода.

В съвременните промишлени предприятия освобождаването на разредена азотна киселина е обичайно в рамките на така наречената схема AK-72. Но съществуват, разбира се, и други технологии за освобождаване на това вещество.

От друга страна, производството на концентрирана азотна киселина може да се осъществи чрез увеличаване нивото на веществото в разредена форма или чрез директен синтез. Първият метод по правило прави възможно да се получи киселинен разтвор при концентрация от около 68%, което може да не е достатъчно за прилагането на въпросното вещество в редица области. Следователно, методът на директен синтез, който позволява получаване на вещество в концентрация от около 97-98%, също е обичаен.

Нека разгледаме по-подробно как се произвежда азотна киселина в определен сорт. Отбелязахме по-горе, че освобождаването на разредено вещество може да се извърши съгласно схемата AK-72. Нека да разгледаме за начало неговата специфичност.

Производство на разредена киселина, използвайки технологията AK-72

Разглежданата схема, чрез която се произвежда азотна киселина, включва използването на затворен цикъл, придружен от:

• преобразуване на амоняк;
• охлаждане на придружаващите го газове при налягане от порядъка на 0.42-0.47 МРа:
• чрез абсорбиране на окиси под налягане от порядъка на 1.1-1.26 МРа.

Крайният продукт на схемата AK-72 - азотна киселина в концентрация около 60%. Производството на азотна киселина в рамките на разглежданата технология се осъществява в рамките на следните етапи:

• Осигуряване на притока на въздух от атмосферата към промишления блок и почистването му;
• компресиране на въздуха, отделяне от него на технологични потоци;
• изпаряването на амоняк, пречистването на съответния газ от нефт и други примеси, както и последващото му нагряване;
• смесване на пречистен амоняк и въздух, последващо пречистване на сместа и пренасянето й в катализатора;
• получаване на азотни газове и тяхното охлаждане;
• събиране на кондензат с азотна киселина;
• концентрация и абсорбция на азотна киселина;
• охлаждане и пречистване на получения продукт.

Довършената киселина се изпраща в хранилището или до клиента.

Наред с технологията счита, в които производството на азотна киселина - се прилага AK-72 е друг популярен концепция за изпускане на веществото, което включва осигуряване на промишлена инфраструктура функционира при налягане около 0.7 МРа. Нека разгледаме нейните характеристики.

Технологията на освобождаване на продукта под налягане от 0,7 МРа: нюанси

Чрез въпросната технология се извършва производството на неконцентрирана азотна киселина - като алтернатива на концепцията AK-72. Тя включва осъществяването на следните етапи на освобождаване на въпросното вещество.

На първо място, както при предишната технология, атмосферният въздух се пречиства. За тази цел, като правило се използва двустепенен филтър. След това въздухът, байпасното почистване, се компресира чрез въздушен компресор - до около 0,35 МРа. Въздухът се загрява до температура от порядъка на 175 градуса и трябва да се охлади. След като тази задача бъде решена, тя се изпраща до зоната на допълнителна компресия, при която нейното налягане се увеличава до около 0,716 МРа. Полученият въздушен поток, от своя страна, се нагрява до висока температура - около 270 градуса от действието на азотни газове. След смесването му с амоняк в специална зона на производствената единица. Съответното вещество се активира, когато киселината се освобождава първоначално в газообразно състояние, което се формира поради изпаряването на течността. Освен това амонякът трябва да бъде пречистен. След подготовката, газът се нагрява и зарежда в смесителя едновременно с въздуха. Тази смес също се филтрира и след пречистване се подава към превръщането на амоняка. Съответната процедура се извършва с използване на решетки от платина и родиева сплав при много висока температура - около 900 градуса. Нивото на конверсия е около 96%.

Производството на слаба азотна киселина в съответствие с въпросната технология предполага образуването на азотни газове. Те се извеждат в специална зона на индустриалната единица, в която се охлаждат. Това води до изпаряване на пречистената вода и появата на пара под високо налягане. Проведени през подходящата зона на промишлената единица, азотните газове се прехвърлят към окислителя. Струва си да се отбележи, че тяхното окисление възниква отчасти вече на предишния етап на производството на киселина. Но в окислителя става още по-интензивен. В същото време азотните газове се загряват до температура от порядъка на 335 градуса. След това те се охлаждат в специален топлообменник и след това те се изпращат към кондензатора.

След това се образува азотна киселина в слаба концентрация. Необходимо е да отделите останалите азотни газове от него - за това се използва сепаратор. От него азотната киселина се подава в абсорбционния регион на промишлената единица. След това киселината се влива в областите на апарата по-долу. В този случай взаимодейства с азотни оксиди, в резултат на което се увеличава концентрацията му. На изхода е около 55-58%. Той обикновено съдържа разтворени оксиди, които трябва да бъдат извлечени: за тази цел веществото е изпратено до пречиствателната площ на единицата. С помощта на отопляем въздух от киселината се извличат оксиди. Крайният продукт се поставя в склада или се доставя до клиента.

Производство на концентрирана киселина: директен синтез

След като проучихме как се извършва производството на разредена азотна киселина, нека проучим спецификата на отделянето на концентрирано вещество. Сред най-икономическите жизнеспособни технологии, участващи в предприятията от съответния профил, е производството на киселина чрез директен синтез от суровини под формата на азотни оксиди.

Същността на този метод е да стимулира химична реакция между това вещество, вода и също кислород под налягане от порядъка на 5 МРа. Технология, на която производството на концентрирана азотна киселина тип на базата на разредения има нюанс: осигуряване на трансфер на азотен двуокис в течна форма е възможно с налягане при температура близка до атмосферното. При някои реакции обаче концентрацията на съответното вещество е недостатъчна за ликвидирането му при обикновен натиск и трябва да бъде увеличена.

Производство на концентрирана киселина на основата на разредена

В този случай се приема, че киселината е концентрирана чрез абсорбиращи вещества - като сярна, фосфорна киселина, различни разтвори на нитрати. Основните етапи на производство на концентрирана азотна киселина на основата на разредена сярна киселина са следните.

Първо, суровината се разделя на 2 потока: първата се подава към изпарителя, а втората - попада в студената зона на промишлената единица. Сярна киселина се доставя в зоната на апарата над втория поток от разредена азотна киселина. В долната част на уреда, на свой ред, се подава пара, която загрява използваната смес, така че азотната киселина се изпарява от нея. Неговите пари излизат нагоре по апарата, след което се изхвърлят в хладилника. Там киселинната пара се кондензира - докато концентрацията му достигне 98-99%.

В същото време някои от азотните оксиди, които се намират в този етап, се абсорбират от киселината. Те трябва да бъдат извлечени от продукта: най-често за тази цел се използва азотна киселина, която се подава към кондензатора. Изтеглените азотни оксиди, както и киселинните изпарения, които не образуват кондензат, се изпращат в друга област на абсорбцията на апарата, където се подлагат на обработка с вода. В резултат на това се образува разредена киселина, която отново се подава към кондензацията и охлаждането. Крайният продукт се изпраща до склада или клиента.

Характеристики на концентрация със сярна киселина

Основната задача, която характеризира производството на азотна киселина в промишлеността, е реализирането на нейната рентабилна и ефикасна концентрация. Има няколко подхода за разработването на оптимална схема за неговото решение. Ще бъде полезно да се обмислят най-често срещаните.

Отбелязахме по-горе, че сярната киселина може да се използва за концентриране на въпросното вещество. Съществува сравнително често срещан начин за повишаване на ефективността на използването му - предварително повишаване на концентрацията на азотна киселина чрез изпаряване. Оптимално е, че преди третирането със сярна киселина, подходящото вещество ще има концентрация от около 59-60%. Трябва да се отбележи, че на практика тази технология за производство на азотна киселина се характеризира с ниско ниво на екологосъобразност. Следователно, като алтернатива на използването на сярна киселина, използването на нитрати е обичайно. Нека да разгледаме подробностите им.

Концентрация с нитрати

Най-често се използват нитрати от магнезий или цинк за разрешаване на разглеждания проблем, който характеризира производството на азотна киселина от амоняк. На първо място, то е много по-екологосъобразно от метода, който включва използването на сярна киселина. В допълнение, тази технология позволява да се осигури най-високото качество на азотната киселина като краен продукт.

В същото време тя има редица недостатъци, които предопределят появата на трудности при широкото й приложение. На първо място, това е доста висока себестойност на производствения процес. В допълнение, тази технология в много случаи включва появата на твърди отпадъци, обработването на които може да бъде сложно.

Използването на катализатори при производството на азотна киселина

Ще бъде полезно да се разгледат какви други вещества се използват заедно с основната суровина за производството на въпросния продукт в производството на азотна киселина (най-често като катализатори). Използването на въпросните вещества се дължи на необходимостта да се увеличи рентабилността на производството на киселина, за да се увеличи динамиката на нейната продукция върху промишлената единица.

Основното изискване за катализатора при производството на въпросния продукт е селективността на действието. Тоест, тя трябва да действа върху основната химическа реакция, без да влияе върху страничните процеси. Най-често при производството на киселина се включват катализатори, в които има платина.

По-горе е отбелязано, че когато се отделя слабо концентрирано вещество при повишено налягане, се включват катализатори, базирани на платина и родий. В някои случаи се използват и сплави с добавяне на паладий. Но основният метал в тях е платина, съдържанието му обикновено е най-малко 81%. Същността на катализатора в този случай е да стимулира бързото преминаване на основната химическа реакция. По правило се извършва в рамките на раздела за външна дифузия.

Процесът зависи от границите на дифузия на кислорода спрямо повърхността на катализатора. Тази характеристика води до по-висока концентрация на амоняк, основната суровина за производството на азотна киселина, на повърхността на този или понякога на катализатора, ако се сравнява съответният индекс с концентрацията във въздуха. Възможно е да се увеличи специфичното тегло на различни нежелани реакции, при които се наблюдава непълно окисление и образуване на азот или неговия оксид. В тази връзка кислородът на повърхността трябва да бъде в количество, достатъчно да измести амоняка. В този случай ще бъде възможно да се постигне достатъчно дълбоко окисление.

Може да се отбележи, че заедно с платинови катализатори, комбинираните вещества също се използват при производството на азотна киселина. По-специално, желязо-хром. Те позволяват значително намаляване на икономическите разходи, характерни за освобождаването на въпросната субстанция.

Така че, разгледахме начините за производство на азотна киселина, ние определихме нейните основни типове. Колко етапи от производството на азотна киселина трябва да се реализират, зависи от разнообразието от тях, както и от специфичната технология на отделяне на съответното вещество. Сега ще бъде полезно да се разгледа каква сложност характеризира индустриалното производство на този продукт, което е в търсенето в много сфери на икономиката.

Основните проблеми при производството на азотна киселина

Така че, както вече знаем, производството на азотна киселина при контакт с - един от най-често в съвременната индустрия, включва активиране на катализатор за ускоряване на окисляването на амоняк и увеличаване на добива на продукта. Основният проблем при пускането на въпросния продукт е сравнително високата цена на съответния катализатор. Неговата селективност обаче не винаги достига оптималната стойност. В допълнение, значителна част от платината, която се използва като основен елемент за катализатора, може да бъде загубена по време на производството. В резултат на това отново се намалява икономическата ефективност на продукта.

Друг проблем, който характеризира производството на азотна киселина, е околната среда. Отбелязахме по-горе, че сярна киселина може да се използва за концентрация на суровини, а в хода на съответния производствен цикъл се образуват вредни вещества. Алтернатива в този случай може да бъде използването на нитрати - но това отново води до увеличаване на икономическите разходи. Въпреки това факторът на околната среда за съвременните производители вече е толкова важен, колкото равнището на рентабилност на производството.