Розділ 9. Виробництво нітратної кислоти

Застосування нітратної кислоти в народному господарстві базується на її властивостях.

- всі солі розчинні у воді;

- HNO₃ сильний окиснювач і нітратор;

- конц.HNO₃ пасивує чорні метали (Fe, Cr, а також Al).

Фізичні властивості:

Т_плавл. = + 41,6°С

Т_кипін. = + 82,6°С

d = 1,513 г/см³.

Азеотропна (нероздільно кипляча) суміш утворюється за концентрації – 68,4%, Т_{кипіння азеотропу} = 121,9°С.

Гатунки кислоти:

45-60% - розбавлена (використовується для виробництва мінеральних добрив)

97-98% - концентрована (використовується для виробництва вибухових речовин, нітролаків, барвників, пластмас та синтетичних волокон).

Виробництво розбавленої нітратної кислоти

Загальна схема нітратнокислотного виробництва

NH₃ → NO → NO₂ (N₂O₄) → HNO₃

І стадія (конверсія амоніаку)

Окиснення амоніаку може відбуватись різними шляхами:

4NH₃ + 3O₂ → 2N₂ + 6H₂O + Q (1) ∆H = − 1269 кДж

4NH₃ + 5O₂ → 4NO + 6H₂O + Q (2) ∆H = −907 кДж

Для того, щоб процес відбувався за схемою (2) необхідно:

1) застосування селективних каталізаторів. В сучасних установках використовують платинові каталізатори у вигляді сіток (платина +7,5% радію) в поєднанні з пігулковим каталізатором суміші Fe₂O₃ + Cr₂O₃. Механізм дії платинового каталізатора ідентичний до дії порошкоподібного відновленого заліза при синтезі амоніаку. Платиновий каталізатор забезпечує 95-98% селективності. Fe₂O₃ + Cr₂O₃ каталізатор забезпечує селективність приблизно 60%, але такий каталізатор більш стійкий до каталітичних отрут, має невисоку вартість

2) температура – оптимальне значення 800°С (рис. 9.1).

Рис 9.1. Вплив температури на селективність процесу окиснення амоніаку

3) склад амоніачно-повітряна суміш (Ам ПС) (рис. 9.2)

Потрібний 1,25 – 1,50 разовий надлишок кисню:

 

Рис. 9.2. Вплив складу амоніачно-повітряної суміші на селективність процесу окиснення амоніаку.

4) мізерний час контактування. Швидкість каталітичного окиснення амоніаку до NO дуже незначна. За десятитисячні частки секунди ступінь перетворення становить 97-98%.

ІІ стадія (окиснення нітроген (ІІ) оксиду і димеризація нітроген (ІV) оксиду)

У системі відбуваються наступні реакції:

2NO + O_2| ↔ 2NO₂ + 112,3 кДж (1)

2 NO₂ ↔ N₂O₄ + 57,0 кДж (2)

Ці реакції протікають у гомогенній системі з виділенням теплоти і зменшенням об’єму. А отже, зниження температури і підвищення тиску зміщують рівновагу реакції вправо.

За температури вище 600°С рівновага (1) повністю зміщена вліво, за температури нижче 200°С – у присутності О₂ повністю NO перетворюється в NO₂.

Процес димеризації відповідає схемі:

92% димера 78% димера N₂O₄ –не існує

−20°С 0°С 150°С

Зниження температури (Т↓) і підвищення тиску (P↑) сприяє утворенню димера.