Азотната киселина е сред най-търсенитевидове индустриални суровини. Производството му може да се извърши по различни методи - в зависимост от това какъв вид киселина трябва да бъде доставена на клиента. Каква е същността на съответните технологии? Как се свързват с вида на азотната киселина, произведена в завода?
Индустриално производство на азотна киселина: история на развитието на технологиите
На първо място, ще бъде полезно да се изучава историческотофакти за това как се е развило производството на азотна киселина в Русия. В местната индустрия освобождаването на това вещество, ако следваме наличната информация, е започнато при Петър I. Впоследствие М. В. Ломоносов предлага метод за производство на азотна киселина от нитрат - това вещество всъщност се счита за основната суровина за производството на въпросното вещество до началото на 20 век.
Заедно с нитратите, производството на азотна киселина презпромишлеността се извършва със сярна киселина. Двете разглеждани вещества, взаимодействайки помежду си, образуват азотна киселина и серен натриев оксид. Предимството на този метод беше възможността за получаване на азотна киселина в концентрация от около 96-98% (при използване на суровини с необходимото качество).
Подходящата технология е достатъчно активнаподобрено - в полза на увеличаване на скоростта на обработка на суровините и осигуряване на продукцията на по-голям обем продукт. Но постепенно то отстъпва на концепцията, според която производството на азотна киселина се осъществява чрез контактно окисляване на амоняк.
Измислен е и метод, според който, кактоАзотният оксид се използва като основна суровина за производството на киселина, получена чрез дъгово окисляване на съответния газ от атмосферата. Има широко разпространена гледна точка, според която първият метод е по-икономически изгоден.
Като технологиченподходи към производството на азотна киселина, е оформен подход, според който най-оптималният вариант за производството на съответното вещество е да се използва индустриална инфраструктура, работеща под повишено налягане. Алтернатива е производството на киселина при атмосферно налягане, което се счита за по-малко рентабилно от икономическа гледна точка.
Освобождаването на вещество с нормално или повишеноналягане предполага производството на азотна киселина от амоняк. Съществува и комбиниран метод, който съчетава предимствата на другите два. Особеностите на производството на азотна киселина по комбиниран метод са, първо, при окисляването на амоняка при атмосферно налягане и осъществяването на неговата абсорбция - при повишено.
Сега амонякът се счита за основна суровина за отделянето на въпросното вещество, заедно с водата и атмосферния въздух. Нека разгледаме по-подробно спецификата на тяхното използване при производството на киселина.
Суровини за производство на азотна киселина
И така, основните суровини, използвани за производството на въпросното вещество, са амоняк, въздух и също вода.
Това изисква използването на амоняк в пречистенформа. За целта той се пречиства в различни производствени цикли, като се използва специално оборудване за изпаряване и дестилация. По същия начин трябва да се използва чист въздух при изхвърляне на азотна киселина. Освен това се филтрира с помощта на специално оборудване. На свой ред водата, която се използва за отделяне на азотна киселина, се пречиства от примеси и соли. В много случаи за получаване на въпросното вещество трябва да се използва чист кондензат.
Ще проучим сортовете, в които въпросното вещество може да бъде представено, както и как се произвежда всеки вид азотна киселина.
Разновидности на азотната киселина и основните етапи на нейното освобождаване
Има 2 вида азотна киселина,произведени в съвременни промишлени инсталации - разредени и концентрирани. Производството на разредена азотна киселина се извършва в 3 основни етапа:
- превръщане на амоняк (крайният му продукт е азотен оксид);
- получаване на азотен диоксид;
- изпълнението на абсорбцията на азотни оксиди при използване на вода.
В съвременните промишлени предприятия производството на разредена азотна киселина е широко разпространено в рамките на така наречената схема АК-72. Но има, разбира се, и други технологии за освобождаване на това вещество.
На свой ред производството на концентрираниазотна киселина може да се извърши чрез повишаване нивото на съответното вещество в разредена форма или чрез директен синтез. Първият метод по правило дава възможност да се получи киселинен разтвор в концентрация около 68%, което може да не е достатъчно за използването на въпросното вещество в редица области. Следователно методът на директен синтез също е широко разпространен, което прави възможно получаването на вещество в концентрация от около 97-98%.
Нека разгледаме по-подробно какпроизводство на азотна киселина под една или друга форма. По-горе отбелязахме, че отделянето на разредено вещество може да се извърши съгласно схемата AK-72. Нека първо изучим неговите специфики.
Производство на разредена киселина по технология AK-72
Разглежданата схема, чрез която се извършва производството на азотна киселина, включва използването на затворен цикъл, придружен от:
- превръщане на амоняк;
- охлаждане на свързаните газове при налягане от около 0,42-0,47 МРа:
- изпълнението на абсорбцията на оксиди под налягане от около 1,1-1,26 МРа.
Крайният продукт на схемата AK-72 е азотна киселина в концентрация около 60%. Производството на азотна киселина в рамките на разглежданата технология се извършва в рамките на такива етапи като:
- осигуряване на притока на въздух от атмосферата в промишления блок и осъществяването на пречистването му;
- въздушна компресия, разделяща я на технологични потоци;
- осъществяването на изпаряване на амоняк, пречистване на съответния газ от нефт и други примеси, както и последващото му нагряване;
- смесване на пречистен амоняк и въздух, последващо пречистване на тази смес и прехвърляне към 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.
Готовата киселина се изпраща до хранилището или до клиента.
Заедно с разглежданата технология, според коятоизвършва се производството на азотна киселина - АК-72; прилага се друга популярна концепция за отделяне на съответното вещество, която включва осигуряване на функционирането на индустриалната инфраструктура под налягане от около 0,7 МРа. Нека разгледаме неговите характеристики.
Технология за освобождаване на продукта под налягане от 0,7 МРа: нюанси
Чрез въпросната технология,неконцентрирана азотна киселина се произвежда като алтернатива на концепцията AK-72. Той включва изпълнението на следните етапи от отделянето на въпросното вещество.
На първо място, както в предишната технология,атмосферният въздух се почиства. За това като правило се използва двустепенен филтър. Освен това почистеният въздух се компресира с помощта на въздушен компресор - до приблизително 0,35 МРа. В този случай въздухът се загрява - до температура около 175 градуса и той трябва да се охлади. След решаването на този проблем той се насочва към зоната на допълнителна компресия, в която налягането му се увеличава до около 0,716 МРа. Образуващият се въздушен поток от своя страна се нагрява до висока температура - около 270 градуса при излагане на азотни газове. След това се смесва с амоняк в специална зона на промишлената единица. Съответното вещество участва в освобождаването на киселината първоначално в газообразно състояние, което се образува от изпаряването на течността. Освен това амонякът трябва да се пречисти. След подготовката газът се загрява и подава към смесителя едновременно с въздуха. Тази смес също се филтрира и след пречистване се подава към превръщането на амоняк. Съответната процедура се извършва с помощта на мрежи от платина и родиева сплав при много висока температура - около 900 градуса. Коефициентът на конверсия е около 96%.
Слабо производство на азотна киселина отразглежданата технология включва образуването на азотни газове. Те се водят в специална зона на индустриалния блок, в която се охлаждат. Поради това пречистената вода се изпарява и се появява пара с високо налягане. Азотните газове, преминали през съответната зона на промишлената единица, се прехвърлят в окислителя. Трябва да се отбележи, че тяхното окисление частично настъпва още на предишния етап на производство на киселина. Но в окислител става още по-интензивен. В този случай азотните газове се нагряват до температура около 335 градуса. Впоследствие те се охлаждат в специален топлообменник и след това се изпращат до кондензатора.
След това азотната киселина се образува в слабаконцентрация. От него е необходимо да се отделят останалите азотни газове - за това се използва сепаратор. Оттам азотната киселина се подава в зоната на абсорбция на индустриална единица. Впоследствие киселината тече в долните зони на апарата. В същото време той взаимодейства с азотни оксиди, в резултат на което концентрацията му се увеличава. На изхода е около 55-58%. Обикновено съдържа разтворени оксиди, които трябва да бъдат отстранени: за това веществото се изпраща в зоната за продухване на устройството. С помощта на нагрят въздух оксидите се отстраняват от киселината. Готовият продукт се поставя в склада или се изпраща до клиента.
Производство на концентрирана киселина: директен синтез
След като разгледа как се извършва производствоторазредена азотна киселина, ще проучим спецификата на отделянето на концентрирано вещество. Сред икономически най-жизнеспособните технологии, използвани в предприятия със съответния профил, е производството на киселина чрез директен синтез от суровини под формата на азотни оксиди.
Същността на този метод е да стимулирахимическа реакция между определеното вещество, вода и кислород под налягане от около 5 MPa. Технологията, по която се извършва производството на концентрирана азотна киселина на базата на разредена, има нюанс: осигуряването на прехода на азотен диоксид в течна форма е възможно при налягане и температура, близки до атмосферните. При някои реакции обаче концентрацията на съответното вещество е недостатъчна, за да го превърне в течно състояние при обикновено налягане и трябва да се увеличи.
Производство на концентрирана киселина на базата на разредена
В този случай се приема, чекиселини чрез абсорбиране на вещества като сярна киселина, фосфорна киселина, различни нитратни разтвори. Основните етапи в производството на концентрирана азотна киселина на базата на разредена сярна киселина са както следва.
Първо, суровината е разделена на 2 потока:първият се подава към изпарителя, вторият навлиза в студената зона на индустриалния блок. Сярната киселина се подава в зоната на апарата преди втория поток от разредена азотна киселина. На свой ред в долната част на устройството се подава пара, която загрява използваната смес, в резултат на което от нея се изпарява азотна киселина. Нейните пари се издигат нагоре по апарата и след това се отстраняват в хладилника. Там киселинните пари се кондензират, докато концентрацията им достигне 98-99%.
Освен това някои от присъстващите в рамкитеНа този етап от производството на азотни оксиди киселината се абсорбира. Те трябва да бъдат отстранени от продукта: най-често за тази цел се използват пари на азотна киселина, които се изпращат в кондензатора. Извлечените азотни оксиди, както и киселинните пари, които не са образували кондензат, се изпращат в друга зона на апарата - за абсорбция, където се обработват с вода. В резултат се образува разредена киселина, която отново се подава към кондензация и охлаждане. Готовият продукт се изпраща до склада или до клиента.
Особености на концентрацията със сярна киселина
Основната задача, която характеризирапромишлено производство на азотна киселина - прилагането на рентабилна и ефективна концентрация на азотна киселина. Има няколко подхода за разработване на оптимална схема за нейното решение. Полезно ще е да разгледаме тези, които са сред най-често срещаните.
По-горе отбелязахме това за концентрацияза въпросното вещество може да се използва сярна киселина. Има доста често срещан начин за увеличаване на ефективността на използването му - предварително увеличаване на концентрацията на азотна киселина чрез изпаряване. Оптимално, преди лечение със сярна киселина, съответното 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 екологичност. Следователно използването на нитрати е широко разпространено като алтернатива на използването на сярна киселина. Нека разгледаме техните специфики по-подробно.
Концентрация с нитрати
Най-често, за да разрешите разглеждания проблем,характеризиращи производството на азотна киселина от амоняк, магнезий или цинкови нитрати. На първо място, той е значително по-екологичен от метода, включващ използването на сярна киселина. В допълнение, тази технология осигурява най-високо качество на азотната киселина като краен продукт.
В същото време той има редица недостатъци, коитопредопределят появата на трудности при широкото му използване. На първо място, това е доста висока цена на производствения процес. Освен това тази технология в много случаи включва появата на твърди отпадъци, чиято обработка може да бъде сложна.
Използването на катализатори при производството на азотна киселина
Полезно ще бъде да се помисли какви други веществасе използват заедно с основната суровина за отделянето на разглеждания продукт при индустриалното (най-често като такива се считат катализатори) производство на азотна киселина. Използването на въпросните вещества се дължи на необходимостта да се увеличи рентабилността на производството на киселина, да се увеличи динамиката на нейното производство в индустриална единица.
Основното изискване за катализатора, когатопроизводство на въпросния продукт - селективност на действието. Тоест, той трябва да действа върху основната химическа реакция, без да засяга страничните процеси. Най-често катализаторите, които съдържат платина, участват в производството на киселина.
По-горе отбелязахме, че когато пускамена слабо концентрирано вещество при повишено налягане участват катализатори на основата на платина и родий. В някои случаи се използват и легирани с паладий сплави. Но основният метал в тях е платината, 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 провежда в рамките на външната дифузионна секция.
В този случай процесът зависи от границите на дифузиякислород спрямо повърхността на катализатора. Тази характеристика причинява по-висока концентрация на амоняк, основната суровина за отделяне на азотна киселина, на повърхността на катализатор, ако сравним съответния показател с концентрацията във въздуха. Възможно е увеличаване на специфичното тегло на различни странични реакции, при които се наблюдава непълно окисление и образуването 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 платинатакатализатори, комбинираните вещества също участват в производството на азотна киселина. По-специално, железен хром. Те могат значително да намалят икономическите разходи, характеризиращи отделянето на разглежданото вещество.
И така, разгледахме методите за производство на азоткиселини, идентифицира основните му типове. Колко етапа в производството на азотна киселина трябва да бъдат приложени, зависи от нейния вид, както и от специфичната технология на производство на съответното вещество. Сега ще бъде полезно да се разгледа какви трудности характеризират индустриалното производство на този продукт, който се търси в много области на икономиката.
Основните проблеми при производството на азотна киселина
И така, както вече знаем, производството на азотметод на киселинен контакт - един от най-често срещаните в съвременната индустрия, включва използването на катализатор с цел ускоряване на окисляването на амоняка и увеличаване на добива на продукта. Основният проблем при освобождаването на разглеждания продукт е доста високата цена на съответния катализатор. Освен това неговата селективност не винаги достига оптималната стойност. Освен това значителна част от платината, която се използва като основен елемент за катализатора, може да бъде загубена по време на производството. В резултат отново намалява икономическата ефективност на освобождаването на продукта.
Друг проблем, характеризиращ производствотоазотна киселина - екологична. По-горе отбелязахме, че когато суровината е концентрирана, може да се използва сярна киселина и след преминаването на съответния производствен цикъл се образуват вредни вещества. Алтернатива в този случай може да бъде използването на нитрати - но това отново предполага увеличаване на икономическите разходи. Въпреки това, екологичният фактор за съвременните производители днес е толкова важен, колкото и нивото на рентабилност на производството.
