Producerea acidului azotic în industrie: tehnologie, etape, caracteristici

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-17 10:39

Acidul azotic este unul dintre cele mai solicitate tipuri de materii prime industriale. Producția sa poate fi realizată prin diferite metode - în funcție de varietatea în care acidul ar trebui să fie furnizat clientului. Care este esența tehnologiilor relevante? Cum se compară cu tipul de acid azotic produs în fabrică?

Producția industrială de acid azotic: o istorie a dezvoltării tehnologiei

În primul rând, va fi util să studiem faptele istorice despre modul în care s-a dezvoltat producția de acid azotic în Rusia. În industria autohtonă, eliberarea acestei substanțe, conform informațiilor disponibile, a fost inițiată sub Petru I. Ulterior, M. V. Lomonosov a propus o metodă de producere a acidului azotic din salpetru - această substanță a fost considerată de fapt principala materie primă pentru producție. a substanței în cauză până la începutul secolului al XX-lea.

Alături de salitrul, producția de acid azotic în industrie s-a realizat folosind acid sulfuric. Cele două substanțe luate în considerare, interacționând între ele, au format acid azotic și oxid de sulf de sodiu. Avantajul acestui lucrumetoda a fost capacitatea de a obține acid azotic la o concentrație de aproximativ 96-98% (sub rezerva utilizării de materii prime de calitatea cerută).

Tehnologia corespunzătoare a fost îmbunătățită activ - în favoarea creșterii vitezei de prelucrare a materiilor prime și a asigurării producției unui volum mai mare de produs. Dar treptat s-a lăsat loc conceptului că producția de acid azotic se realizează prin oxidarea de contact a amoniacului.

De asemenea, a fost inventată o metodă în care oxidul nitric, obținut prin oxidarea cu arc a gazului corespunzător din atmosferă, a fost folosit ca materie primă principală pentru producerea acidului. Există un punct de vedere larg răspândit conform căruia prima metodă este mai rentabilă.

Odată cu îmbunătățirea abordărilor tehnologice ale producției de acid azotic, s-a format o abordare conform căreia cea mai optimă opțiune pentru producerea substanței corespunzătoare este utilizarea infrastructurii industriale care funcționează sub presiune ridicată. O alternativă la aceasta este producerea de acid la presiunea atmosferică, care este considerată mai puțin profitabilă din punct de vedere economic.

Eliberarea unei substanțe la presiune normală sau ridicată implică producerea de acid azotic din amoniac. Există și o metodă combinată care combină avantajele celorl alte două. Caracteristicile producției de acid azotic prin metoda combinată sunt, în primul rând, oxidarea amoniacului la presiunea atmosferică și punerea în aplicare a absorbției acestuia - laa crescut.

Amoniacul este acum considerat principala materie primă pentru eliberarea substanței în cauză, alături de apă și aerul atmosferic. Să studiem specificul utilizării lor în producția de acid mai detaliat.

Materia primă pentru acid azotic

Deci, principalele materii prime folosite la producerea substanței în cauză sunt amoniacul, aerul și, de asemenea, apa.

Acest lucru necesită utilizarea amoniacului purificat. Pentru a face acest lucru, este purificat în echipamente speciale de evaporare și distilare în cadrul diferitelor cicluri de producție. În mod similar, trebuie utilizat aer curat la descărcarea acidului azotic. De asemenea, este filtrată folosind echipamente speciale. La rândul său, apa folosită la producerea acidului azotic este purificată de impurități și săruri. În multe cazuri, trebuie utilizat condens pur pentru a obține substanța în cauză.

Să studiem ce soiuri ale substanței în cauză pot fi prezentate, precum și cum se produce fiecare tip de acid azotic.

Soiuri de acid azotic și principalele etape ale eliberării sale

Există 2 tipuri de acid azotic produs în fabricile industriale moderne - diluat și concentrat. Producerea acidului azotic diluat se realizează în 3 etape principale:

• conversia amoniacului (produsul final este oxidul nitric);
• produce dioxid de azot;
• implementarea absorbției oxizilor de azot laconsumul de apă.

Producția de acid azotic diluat este larg răspândită în întreprinderile industriale moderne, sub așa-numita schemă AK-72. Dar există, desigur, și alte tehnologii pentru eliberarea acestei substanțe.

La rândul său, producerea acidului azotic concentrat poate fi realizată prin creșterea nivelului substanței corespunzătoare în formă diluată sau prin sinteză directă. Prima metodă, de regulă, face posibilă obținerea unei soluții acide la o concentrație de aproximativ 68%, care poate să nu fie suficientă pentru aplicarea substanței în cauză într-un număr de zone. Prin urmare, este comună și metoda de sinteză directă, ceea ce face posibilă obținerea unei substanțe în concentrație de aproximativ 97-98%.

Să aruncăm o privire mai atentă asupra modului în care acidul azotic este produs într-o formă sau alta. Mai sus, am observat că eliberarea unei substanțe diluate poate fi efectuată conform schemei AK-72. Să studiem mai întâi specificul acestuia.

Producerea de acid diluat folosind tehnologia AK-72

Schema avută în vedere, prin care se realizează producerea acidului azotic, presupune utilizarea unui ciclu închis, însoțit de:

• conversie amoniac;
• răcirea gazelor asociate la o presiune de aproximativ 0,42-0,47 MPa:
• efectuând absorbția oxizilor sub presiune de ordinul 1,1-1,26 MPa.

Produsul final al schemei AK-72 este acidul azotic la o concentrație de aproximativ 60%. Producția de acid azotic în interiortehnologia luată în considerare este realizată în cadrul unor etape precum:

• asigurarea aportului de aer din atmosferă în unitatea industrială și curățarea acesteia;
• comprimarea aerului, separându-l în fluxuri tehnologice;
• evaporarea amoniacului, purificarea gazului corespunzător din petrol și alte impurități, precum și încălzirea ulterioară a acestuia;
• amestecare de amoniac purificat și aer, purificarea ulterioară a acestui amestec și transferul acestuia în catalizator;
• obținerea gazelor azotate și răcirea acestora;
• colectare condens cu acid azotic;
• concentrația și absorbția acidului azotic;
• răcirea și curățarea produsului rezultat.

Acidul finit este trimis la depozit sau client.

Alături de tehnologia luată în considerare pentru producerea acidului azotic - AK-72, este utilizat un alt concept popular pentru eliberarea substanței corespunzătoare, care presupune asigurarea funcționării infrastructurii industriale la o presiune de aproximativ 0,7 MPa. Luați în considerare caracteristicile sale.

Tehnologia de eliberare a produsului sub presiune 0,7 MPa: nuanțe

Tehnologia în cauză produce acid azotic neconcentrat ca alternativă la conceptul AK-72. Aceasta implică implementarea următoarelor etape de eliberare a substanței în cauză.

În primul rând, ca în tehnologia anterioară, aerul atmosferic este curățat. În acest scop, de regulă, se utilizează un filtru în două etape. În plus, aerul care a fost curățat este comprimatprin intermediul unui compresor de aer - până la aproximativ 0,35 MPa. În acest caz, aerul este încălzit - până la o temperatură de aproximativ 175 de grade și trebuie răcit. După ce această problemă este rezolvată, se trece în zona de compresie suplimentară, în care presiunea sa crește la aproximativ 0,716 MPa. Fluxul de aer rezultat, la rândul său, este încălzit la o temperatură ridicată - aproximativ 270 de grade prin acțiunea gazelor azotate. Apoi este amestecat cu amoniac într-o zonă specială a unității industriale. Substanța corespunzătoare este activată atunci când acidul este eliberat inițial în stare gazoasă, care se formează din cauza evaporării lichidului. În plus, amoniacul trebuie purificat. După preparare, gazul este încălzit și introdus în mixer simultan cu aer. Acest amestec este de asemenea filtrat și, după purificare, este alimentat la conversia amoniacului. Procedura corespunzătoare se efectuează folosind ochiuri din aliaj de platină și rodiu la o temperatură foarte ridicată - aproximativ 900 de grade. Rata de conversie este de aproximativ 96%.

Producerea de acid azotic slab conform tehnologiei luate în considerare implică formarea de gaze azotate. Sunt aduse într-o zonă specială a unității industriale, în care sunt răcite. Datorită acestui fapt, apa purificată se evaporă și apare abur la presiune mare. Efectuate prin zona corespunzătoare a unității industriale, gazele azotate se deplasează în oxidant. Trebuie remarcat faptul că oxidarea lor are loc parțial deja la precedentuletapele de producere a acidului. Dar în oxidant devine și mai intens. În acest caz, gazele azotate sunt încălzite la o temperatură de aproximativ 335 de grade. Ulterior, acestea sunt răcite într-un schimbător de căldură special, iar apoi sunt trimise la condensator.

După aceea, acidul azotic se formează într-o concentrație slabă. Este necesar să se separe gazele azotate rămase din el - pentru aceasta se folosește un separator. Din acesta, acidul azotic este introdus în zona de absorbție a unității industriale. Ulterior, acidul curge în zonele aparatului de dedesubt. În același timp, interacționează cu oxizii de azot, în urma cărora concentrația acestuia crește. La ieșire, este de aproximativ 55-58%. De obicei, conține oxizi dizolvați care trebuie îndepărtați: pentru aceasta, substanța este trimisă în zona de purjare a unității. Cu ajutorul aerului încălzit, din acid se extrag oxizii. Produsul finit este plasat în depozit sau expediat către client.

Producerea de acid concentrat: sinteza directă

Luând în considerare modul în care se desfășoară producția de acid azotic diluat, vom studia specificul eliberării unei substanțe concentrate. Producția de acid prin sinteza directă din materii prime sub formă de oxizi de azot este printre cele mai rentabile tehnologii utilizate la întreprinderile de profil relevant.

Esența acestei metode este de a stimula o reacție chimică între substanța specificată, apă și oxigen la o presiune de aproximativ 5 MPa. Tehnologia prin care se realizează producerea acidului azotictip concentrat pe baza unuia diluat, are o nuanță: asigurarea tranziției dioxidului de azot într-o formă lichidă este posibilă la o presiune și o temperatură apropiate de cea atmosferică. Cu toate acestea, în unele reacții, concentrația substanței corespunzătoare este insuficientă pentru a o transfera într-o stare lichidă la presiune normală și trebuie crescută.

Producerea de acid concentrat pe baza de acid diluat

În acest caz, se presupune că acidul este concentrat prin intermediul unor substanțe absorbante - precum acid sulfuric, fosforic, diverse soluții de nitrați. Principalele etape în producerea acidului azotic concentrat pe bază de acid sulfuric diluat sunt următoarele.

În primul rând, materia primă este împărțită în 2 fluxuri: primul este alimentat în evaporator, al doilea - intră în zona rece a unității industriale. Acidul sulfuric este introdus în regiunea aparatului de deasupra celui de-al doilea curent de acid azotic diluat. La rândul său, aburul este furnizat în partea inferioară a unității, care încălzește amestecul utilizat, drept urmare acidul azotic se evaporă din acesta. Vaporii ei urcă în aparat, după care sunt scoși la frigider. Acolo, vaporii acizi se condensează - până când concentrația lor atinge 98-99%.

În același timp, unii dintre oxizii de azot prezenți în această etapă de producție sunt absorbiți de acid. Acestea trebuie extrase din produs: cel mai adesea se folosesc vapori de acid azotic în acest scop, care sunt trimiși la condensator. Oxizii de azot extrași, precum și vaporii acizi care nu au format un condensat, sunt trimiși într-o altă zonă a aparatului - pentru absorbție, unde sunt tratați cu apă. Ca rezultat, se formează acid diluat, care este din nou alimentat la condensare și răcire. Produsul finit este trimis la depozit sau la client.

Caracteristici ale concentrației cu acid sulfuric

Sarcina principală care caracterizează producția de acid azotic în industrie este punerea în aplicare a concentrației sale rentabile și eficiente. Există mai multe abordări pentru dezvoltarea unei scheme optime pentru rezolvarea acesteia. Va fi util să le luați în considerare pe cele care sunt printre cele mai comune.

Am notat mai sus că acidul sulfuric poate fi folosit pentru concentrarea substanței în cauză. Există o modalitate destul de comună de a crește eficacitatea utilizării sale - o creștere preliminară a concentrației de acid azotic prin evaporare. În mod optim, înainte de tratarea cu acid sulfuric, substanța corespunzătoare va avea o concentrație de aproximativ 59-60%. Trebuie remarcat faptul că, în practică, această tehnologie pentru producerea acidului azotic se caracterizează printr-un nivel scăzut de compatibilitate cu mediul. Prin urmare, ca alternativă la utilizarea acidului sulfuric, utilizarea nitraților este obișnuită. Să studiem specificul lor mai detaliat.

Concentrație cu nitrați

De cele mai multe ori, nitrații de magneziu sau zinc sunt utilizați pentru a rezolva problema luată în considerare, care caracterizează producția de acid azotic din amoniac. În primul rând, este mult mai ecologic decât metodaimplicând utilizarea acidului sulfuric. În plus, această tehnologie asigură cea mai în altă calitate a acidului azotic ca produs final.

În același timp, are o serie de neajunsuri, care predetermină apariția dificultăților în aplicarea sa pe scară largă. În primul rând, acesta este un cost destul de ridicat al procesului de producție. În plus, această tehnologie implică în multe cazuri producerea de deșeuri solide, a căror prelucrare poate fi complicată.

Utilizarea catalizatorilor în producerea acidului azotic

Va fi util să luăm în considerare ce alte substanțe sunt utilizate împreună cu principalele materii prime pentru producerea produsului în cauză în producția industrială (de cele mai multe ori catalizatorii sunt considerați ca atare) a acidului azotic. Utilizarea substanțelor în cauză se datorează necesității de a crește rentabilitatea producției de acid, de a crește dinamica producției sale la o unitate industrială.

Principala cerință pentru catalizator în producerea produsului în cauză este selectivitatea acțiunii. Adică trebuie să afecteze reacția chimică principală fără a afecta procesele secundare. Cel mai adesea, catalizatorii sunt utilizați la producerea acidului, care conține platină.

Mai sus, am observat că atunci când o substanță slab concentrată este eliberată la presiune ridicată, se folosesc catalizatori pe bază de platină și rodiu. În unele cazuri, sunt folosite și aliaje cu adaos de paladiu. Dar principalul metal din ele esteplatină, conținutul său este de obicei nu mai mic de 81%. Esența catalizatorului în acest caz este de a stimula trecerea rapidă a reacției chimice principale. De regulă, trece în secțiunea de difuzie externă.

Procesul depinde de limitele difuziei oxigenului în raport cu suprafața catalizatorului. Această caracteristică determină o concentrație mai mare de amoniac, principala materie primă pentru producerea acidului azotic, pe suprafața unuia sau uneori a catalizatorului, în comparație cu concentrația în aer. Este posibilă creșterea greutății specifice a diferitelor reacții secundare în care se observă oxidarea incompletă și formarea azotului sau a oxidului acestuia. În acest sens, oxigenul de lângă suprafață trebuie să fie într-o cantitate suficientă pentru a înlocui amoniacul. În acest caz, va fi posibil să se realizeze o oxidare suficient de profundă.

Se poate observa că, alături de catalizatorii de platină, substanțele combinate sunt implicate și în producerea acidului azotic. În special, fier-crom. Acestea pot reduce semnificativ costurile economice care caracterizează producerea substanței în cauză.

Așadar, am luat în considerare metodele de producere a acidului azotic, am identificat tipurile sale principale. Câte etape de producție de acid azotic trebuie implementate depinde de tipul acestuia, precum și de tehnologia specifică pentru eliberarea substanței corespunzătoare. Ar fi util acum să luăm în considerare ce dificultăți caracterizează producția industrială a acestui produs, care este solicitat în multe domenii ale economiei.

Probleme principale înproducția de acid azotic

Deci, după cum știm deja, producția de acid azotic prin metoda de contact - una dintre cele mai comune în industria modernă, presupune utilizarea unui catalizator pentru a accelera oxidarea amoniacului și a crește randamentul de produsul. Principala problemă în producerea produsului în cauză este prețul destul de ridicat al catalizatorului corespunzător. Cu toate acestea, selectivitatea sa nu atinge întotdeauna valoarea optimă. În plus, o parte semnificativă din platină care este utilizată ca element principal pentru catalizator poate fi pierdută în timpul producției. Drept urmare, din nou, eficiența costurilor a producției produsului scade.

O altă problemă care caracterizează producția de acid azotic este cea a mediului. Mai sus, am observat că acidul sulfuric poate fi utilizat cu concentrația de materii prime, iar la trecerea prin ciclul de producție corespunzător, se formează substanțe nocive. O alternativă în acest caz poate fi utilizarea nitraților - dar aceasta, din nou, implică o creștere a costurilor economice. Cu toate acestea, factorul de mediu pentru producătorii moderni de astăzi este la fel de semnificativ ca și nivelul rentabilității producției.