Proizvodnja azotne kiseline u industriji: tehnologija, faze, karakteristike

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Azotna kiselina je jedna od najtraženijih vrsta industrijskih sirovina. Njegova proizvodnja se može vršiti različitim metodama - ovisno o sorti u kojoj se kiselina treba isporučiti kupcu. Koja je suština relevantnih tehnologija? Kako se oni porede sa vrstom azotne kiseline proizvedene u fabrici?

Industrijska proizvodnja azotne kiseline: istorija razvoja tehnologije

Pre svega, biće korisno proučiti istorijske činjenice o tome kako se razvila proizvodnja azotne kiseline u Rusiji. U domaćoj industriji, oslobađanje ove supstance, prema dostupnim informacijama, započeto je pod Petrom I. Nakon toga, M. V. Lomonosov je predložio metodu za proizvodnju dušične kiseline iz šalitre - ova supstanca se zapravo smatrala glavnom sirovinom za proizvodnju dotične supstance do početka 20. veka.

Uporedo sa salitrom, proizvodnja azotne kiseline u industriji odvijala se upotrebom sumporne kiseline. Dvije razmatrane supstance, u interakciji jedna s drugom, formirale su dušičnu kiselinu i natrijum sumpor oksid. Prednost ovogametoda je bila mogućnost dobijanja azotne kiseline u koncentraciji od oko 96-98% (pod uslovom upotrebe sirovina traženog kvaliteta).

Odgovarajuća tehnologija je aktivno unapređena - u korist povećanja brzine obrade sirovina i osiguravanja izlaza veće količine proizvoda. Ali postepeno je ustupilo mjesto konceptu da se proizvodnja dušične kiseline odvijala kontaktnom oksidacijom amonijaka.

Takođe, izumljena je metoda u kojoj se kao glavna sirovina za proizvodnju kiseline koristio dušikov oksid, dobijen lučnom oksidacijom odgovarajućeg gasa iz atmosfere. Postoji široko rasprostranjeno gledište da je prva metoda isplativija.

Unaprjeđenjem tehnoloških pristupa proizvodnji dušične kiseline formiran je pristup prema kojem je najoptimalnija opcija za proizvodnju odgovarajuće supstance korištenje industrijske infrastrukture koja radi pod visokim pritiskom. Alternativa tome je proizvodnja kiseline pri atmosferskom pritisku, koja se smatra manje isplativom sa ekonomske tačke gledišta.

Oslobađanje supstance pri normalnom ili povišenom pritisku uključuje proizvodnju azotne kiseline iz amonijaka. Postoji i kombinovana metoda koja kombinuje prednosti druge dve. Karakteristike proizvodnje azotne kiseline kombinovanom metodom su, prvo, u oksidaciji amonijaka pri atmosferskom pritisku, i realizaciji njegove apsorpcije - napovećano.

Amonijak se sada smatra glavnom sirovinom za oslobađanje dotične supstance, zajedno sa vodom i atmosferskim vazduhom. Proučimo detaljnije specifičnosti njihove upotrebe u proizvodnji kiseline.

Sirovina azotne kiseline

Dakle, glavne sirovine koje se koriste u proizvodnji dotične supstance su amonijak, vazduh, a takođe i voda.

Ovo zahteva upotrebu prečišćenog amonijaka. Da bi se to postiglo, pročišćava se u posebnoj opremi za isparavanje i destilaciju u okviru različitih proizvodnih ciklusa. Slično, čist vazduh se mora koristiti prilikom ispuštanja azotne kiseline. Također se filtrira pomoću posebne opreme. Zauzvrat, voda koja se koristi u proizvodnji dušične kiseline pročišćava se od nečistoća i soli. U mnogim slučajevima, čisti kondenzat se mora koristiti za dobijanje dotične supstance.

Proučimo koje se vrste dotične supstance mogu predstaviti, kao i kako se proizvodi svaka vrsta dušične kiseline.

Vorte dušične kiseline i glavne faze njenog oslobađanja

U modernim industrijskim postrojenjima se proizvode 2 vrste dušične kiseline - razrijeđena i koncentrirana. Proizvodnja razrijeđene dušične kiseline odvija se u 3 glavne faze:

• pretvorba amonijaka (njegov konačni proizvod je dušikov oksid);
• proizvodnja dušikovog dioksida;
• provođenje apsorpcije dušikovih oksida naupotreba vode.

Proizvodnja razrijeđene dušične kiseline je široko rasprostranjena u modernim industrijskim preduzećima prema tzv. AK-72 shemi. Ali postoje, naravno, i druge tehnologije za oslobađanje ove supstance.

Zauzvrat, proizvodnja koncentrovane azotne kiseline može se izvesti povećanjem nivoa odgovarajuće supstance u razblaženom obliku ili direktnom sintezom. Prva metoda, u pravilu, omogućava dobivanje otopine kiseline u koncentraciji od oko 68%, što možda neće biti dovoljno za primjenu predmetne tvari u brojnim područjima. Stoga je uobičajena i metoda direktne sinteze koja omogućava dobijanje supstance u koncentraciji od oko 97-98%.

Pogledajmo bliže kako se azotna kiselina proizvodi u ovom ili onom obliku. Iznad smo primijetili da se oslobađanje razrijeđene tvari može provesti prema shemi AK-72. Proučimo prvo njegove specifičnosti.

Proizvodnja razrijeđene kiseline korištenjem AK-72 tehnologije

Razmatrana shema, kroz koju se vrši proizvodnja dušične kiseline, uključuje korištenje zatvorenog ciklusa, praćenog:

• konverzija amonijaka;
• hlađenje pratećih gasova pod pritiskom od oko 0,42-0,47 MPa:
• izvođenje apsorpcije oksida pod pritiskom reda veličine 1,1-1,26 MPa.

Konačni proizvod AK-72 šeme je azotna kiselina u koncentraciji od oko 60%. Proizvodnja dušične kiseline unutartehnologija koja se razmatra odvija se u okviru faza kao što su:

• obezbeđivanje unosa vazduha iz atmosfere u industrijsku jedinicu i njegovo čišćenje;
• komprimiranje zraka, odvajanje u tehnološke tokove;
• isparavanje amonijaka, prečišćavanje odgovarajućeg gasa od nafte i drugih nečistoća, kao i njegovo naknadno zagrevanje;
• mešanje prečišćenog amonijaka i vazduha, naknadno prečišćavanje ove mešavine i njeno prenošenje na katalizator;
• dobijanje azotnih gasova i njihovo hlađenje;
• sakupljanje kondenzata sa azotnom kiselinom;
• koncentracija i apsorpcija dušične kiseline;
• hlađenje i čišćenje rezultirajućeg proizvoda.

Gotova kiselina se šalje u skladište ili kupcu.

Uporedo sa razmatranom tehnologijom za proizvodnju azotne kiseline - AK-72, koristi se još jedan popularan koncept za oslobađanje odgovarajuće supstance, koji uključuje osiguranje rada industrijske infrastrukture pod pritiskom od oko 0,7 MPa. Razmotrite njegove karakteristike.

Tehnologija oslobađanja proizvoda pod pritiskom 0,7 MPa: nijanse

Dotična tehnologija proizvodi nekoncentrisanu dušičnu kiselinu kao alternativu konceptu AK-72. To uključuje implementaciju sljedećih faza oslobađanja dotične supstance.

Pre svega, kao iu prethodnoj tehnologiji, čisti se atmosferski vazduh. U tu svrhu se u pravilu koristi dvostepeni filter. Nadalje, zrak koji je očišćen je komprimiranpomoću zračnog kompresora - do približno 0,35 MPa. U ovom slučaju, zrak se zagrijava - do temperature od oko 175 stepeni, i mora se ohladiti. Nakon što je ovaj problem riješen, prelazi u područje dodatne kompresije, u kojoj se njegov tlak povećava na približno 0,716 MPa. Rezultirajući protok zraka se, zauzvrat, zagrijava na visoku temperaturu - oko 270 stupnjeva djelovanjem azotnih plinova. Zatim se miješa s amonijakom u posebnom dijelu industrijske jedinice. Odgovarajuća tvar se aktivira kada se kiselina u početku oslobodi u plinovitom stanju, koje nastaje isparavanjem tekućine. Osim toga, amonijak mora biti pročišćen. Nakon pripreme, gas se zagreva i ubacuje u mešalicu istovremeno sa vazduhom. Ova mješavina se također filtrira i, nakon prečišćavanja, dovodi u konverziju amonijaka. Odgovarajući postupak se izvodi pomoću mrežica od legure platine i rodijuma na vrlo visokoj temperaturi - oko 900 stepeni. Stopa konverzije je oko 96%.

Proizvodnja slabe azotne kiseline prema tehnologiji koja se razmatra uključuje stvaranje azotnih gasova. Dovoze se u poseban prostor industrijske jedinice, u kojem se hlade. Zbog toga dolazi do isparavanja pročišćene vode i pojave pare pod visokim pritiskom. Provedeni kroz odgovarajuće područje industrijske jedinice, azotni plinovi prelaze u oksidator. Treba napomenuti da se njihova oksidacija djelomično događa već kod prethodnogkorake proizvodnje kiseline. Ali u oksidantu postaje još intenzivniji. U ovom slučaju, azotni plinovi se zagrijavaju na temperaturu od oko 335 stepeni. Nakon toga se hlade u posebnom izmenjivaču toplote, a zatim šalju u kondenzator.

Nakon toga nastaje azotna kiselina u slaboj koncentraciji. Od njega je potrebno odvojiti preostale dušične plinove - za to se koristi separator. Iz njega se dušična kiselina dovodi u apsorpciono područje industrijske jedinice. Kiselina zatim teče u područja uređaja ispod. Istovremeno, on stupa u interakciju s dušikovim oksidima, zbog čega se njegova koncentracija povećava. Na izlazu je oko 55-58%. Obično sadrži otopljene okside koji se moraju ukloniti: za to se tvar šalje u područje pročišćavanja jedinice. Uz pomoć zagrijanog zraka iz kiseline se izvlače oksidi. Gotov proizvod se stavlja u skladište ili šalje kupcu.

Proizvodnja koncentrovane kiseline: direktna sinteza

Razmatrajući kako se vrši proizvodnja razrijeđene dušične kiseline, proučit ćemo specifičnosti oslobađanja koncentrisane tvari. Proizvodnja kiseline direktnom sintezom iz sirovina u obliku azotnih oksida jedna je od najisplativijih tehnologija koje se koriste u preduzećima relevantnog profila.

Suština ove metode je da stimuliše hemijsku reakciju između navedene supstance, vode i kiseonika pod pritiskom od oko 5 MPa. Tehnologija kojom se vrši proizvodnja dušične kiselinekoncentrirani tip na bazi razrijeđenog, ima nijansu: osiguravanje prijelaza dušikovog dioksida u tečni oblik moguće je pri tlaku i temperaturi blizu atmosferske. Međutim, u nekim reakcijama koncentracija odgovarajuće supstance je nedovoljna da se ona prevede u tečno stanje pri normalnom pritisku i mora se povećati.

Proizvodnja koncentrirane kiseline na bazi razrijeđene kiseline

U ovom slučaju se pretpostavlja da je kiselina koncentrisana uz pomoć upijajućih supstanci - kao što su sumporna, fosforna kiselina, različiti rastvori nitrata. Glavni koraci u proizvodnji koncentrirane dušične kiseline na bazi razrijeđene sumporne kiseline su sljedeći.

Prvo, sirovina je podijeljena u 2 toka: prvi se ubacuje u isparivač, drugi - ulazi u hladno područje industrijske jedinice. Sumporna kiselina se dovodi u područje aparata iznad druge struje razrijeđene azotne kiseline. Zauzvrat, para se dovodi u donji dio jedinice, koja zagrijava korištenu smjesu, zbog čega iz nje isparava dušična kiselina. Njene pare se dižu po aparatu, nakon čega se uklanjaju u frižider. Tamo se pare kiseline kondenzuju - dok njihova koncentracija ne dostigne 98-99%.

U isto vreme, kiselina apsorbuje neke od azotnih oksida prisutnih tokom ove faze proizvodnje. Moraju se izdvojiti iz proizvoda: najčešće se u tu svrhu koriste pare dušične kiseline koje se šalju u kondenzator. Ekstrahovani dušikovi oksidi, kao i pare kiseline koje nisu formirale kondenzat, šalju se u drugo područje aparata - na apsorpciju, gdje se tretiraju vodom. Kao rezultat, nastaje razrijeđena kiselina, koja se ponovo dovodi do kondenzacije i hlađenja. Gotov proizvod se šalje u skladište ili kupcu.

Obilježja koncentracije sa sumpornom kiselinom

Glavni zadatak koji karakteriše proizvodnju azotne kiseline u industriji je implementacija njene isplative i efikasne koncentracije. Postoji nekoliko pristupa za razvoj optimalne šeme za njegovo rješavanje. Biće korisno razmotriti one koji su među najčešćim.

Gore smo napomenuli da se sumporna kiselina može koristiti za koncentriranje dotične supstance. Postoji prilično uobičajen način za povećanje učinkovitosti njegove upotrebe - preliminarno povećanje koncentracije dušične kiseline isparavanjem. Optimalno, prije tretmana sumpornom kiselinom, odgovarajuća tvar će imati koncentraciju od oko 59-60%. Treba napomenuti da u praksi ovu tehnologiju za proizvodnju dušične kiseline karakterizira nizak nivo ekološke prihvatljivosti. Stoga je kao alternativa upotrebi sumporne kiseline uobičajena upotreba nitrata. Proučimo njihove specifičnosti detaljnije.

Koncentracija sa nitratima

Najčešće se za rješavanje problema koji se razmatra, a koji karakterizira proizvodnju dušične kiseline iz amonijaka, koriste nitrati magnezija ili cinka. Prije svega, značajno je ekološki prihvatljiviji od ove metodeuključujući upotrebu sumporne kiseline. Osim toga, ova tehnologija osigurava najviši kvalitet dušične kiseline kao krajnjeg proizvoda.

Istovremeno, ima niz nedostataka, koji predodređuju pojavu poteškoća u njegovoj širokoj primjeni. Prije svega, ovo je prilično visoka cijena proizvodnog procesa. Osim toga, ova tehnologija u mnogim slučajevima uključuje proizvodnju čvrstog otpada čija prerada može biti komplikovana.

Upotreba katalizatora u proizvodnji azotne kiseline

Biće korisno razmotriti koje se druge supstance koriste uz glavne sirovine za proizvodnju dotičnog proizvoda u industrijskoj (kao takvi se najčešće smatraju katalizatori) proizvodnji azotne kiseline. Upotreba predmetnih supstanci je zbog potrebe povećanja profitabilnosti proizvodnje kiseline, povećanja dinamike njene proizvodnje u industrijskoj jedinici.

Glavni zahtjev za katalizator u proizvodnji dotičnog proizvoda je selektivnost djelovanja. To jest, mora utjecati na glavnu kemijsku reakciju bez utjecaja na sporedne procese. Najčešće se u proizvodnji kiseline koriste katalizatori koji sadrže platinu.

Gore smo primijetili da kada se slabo koncentrirana supstanca oslobađa pri povišenom pritisku, koriste se katalizatori na bazi platine i rodija. U nekim slučajevima se koriste i legure s dodatkom paladija. Ali glavni metal u njima jeplatine, njen sadržaj obično nije manji od 81%. Suština katalizatora u ovom slučaju je stimulacija brzog prolaska glavne kemijske reakcije. Po pravilu prolazi unutar sekcije eksterne difuzije.

Proces zavisi od granica difuzije kiseonika u odnosu na površinu katalizatora. Ova karakteristika uzrokuje višu koncentraciju amonijaka, glavne sirovine za proizvodnju dušične kiseline, na površini jednog ili ponekad katalizatora, u poređenju sa koncentracijom u zraku. Moguće je povećati specifičnu težinu različitih sporednih reakcija u kojima se uočava nepotpuna oksidacija i stvaranje dušika ili njegovog oksida. U tom smislu, kiseonik blizu površine mora biti u količini dovoljnoj da istisne amonijak. U ovom slučaju biće moguće postići dovoljno duboku oksidaciju.

Može se primetiti da su, uz platinske katalizatore, kombinovane supstance takođe uključene u proizvodnju azotne kiseline. Konkretno, željezo-hrom. Oni mogu značajno smanjiti ekonomske troškove koji karakterišu proizvodnju dotične supstance.

Dakle, razmotrili smo metode proizvodnje azotne kiseline, identifikovali njene glavne vrste. Koliko faza proizvodnje dušične kiseline treba provesti ovisi o njenoj vrsti, kao io specifičnoj tehnologiji oslobađanja odgovarajuće tvari. Bilo bi korisno sada razmotriti koje poteškoće karakterišu industrijsku proizvodnju ovog proizvoda, koji je tražen u mnogim oblastima privrede.

Glavni problemi uproizvodnja dušične kiseline

Dakle, kao što već znamo, proizvodnja dušične kiseline kontaktnom metodom - jednom od najčešćih u modernoj industriji, uključuje upotrebu katalizatora kako bi se ubrzala oksidacija amonijaka i povećao prinos proizvod. Glavni problem u proizvodnji proizvoda koji se razmatra je prilično visoka cijena odgovarajućeg katalizatora. Međutim, njegova selektivnost ne dostiže uvijek optimalnu vrijednost. Osim toga, značajan dio platine koja se koristi kao glavni element za katalizator može se izgubiti tokom proizvodnje. Kao rezultat, opet se smanjuje isplativost proizvodnje proizvoda.

Još jedan problem koji karakterizira proizvodnju dušične kiseline je okoliš. Iznad smo primijetili da se sumporna kiselina može koristiti sa koncentracijom sirovina, a prolaskom kroz odgovarajući proizvodni ciklus nastaju štetne tvari. Alternativa u ovom slučaju može biti upotreba nitrata - ali to, opet, podrazumijeva povećanje ekonomskih troškova. Međutim, ekološki faktor za moderne proizvođače danas je jednako značajan kao i nivo profitabilnosti proizvodnje.