Виробництво азотної кислоти в промисловості: технологія, стадії, особливості

Азотна кислота - в числі самих затребуваних типів промислової сировини. Її виробництво може здійснюватися різними методами - в залежності від того, в який різновиди кислота повинна поставлятися замовнику. У чому полягає сутність відповідних технологій? Яким чином вони співвідносяться з типом продукції, що випускається на фабриці азотної кислоти?

Промисловий випуск азотної кислоти: історія розвитку технологій

Перш за все корисно буде вивчити історичні факти про те, як розвивалося виробництво азотної кислоти в Росії. У вітчизняній промисловості випуск даної речовини, якщо слідувати доступним відомостями, був ініційований за Петра I. Згодом М. В. Ломоносовим був запропонований спосіб виробництва азотної кислоти з селітри - дана речовина фактично до початку 20 століття вважалася головною сировиною для випуску даної речовини.

Поряд з селітрою, виробництво азотної кислоти в промисловості здійснювалося із застосуванням сірчаної кислоти. Два розглянутих речовини, взаємодіючи між собою, утворювали азотну кислоту і сірчаний оксид натрію. Перевага даного способу полягала в можливості отримати азотну кислоту в концентрації близько 96-98% (за умови використання сировини необхідної якості).

Відповідна технологія досить активно удосконалювалася - на користь збільшення швидкості обробки сировини і забезпечення виходу більшого об`єму продукту. Але поступово вона поступилася місцем концепції, за якою виробництво азотної кислоти здійснювалося за допомогою контактного окислення аміаку.

Також був винайдений метод, за яким в якості основної сировини для виробництва кислоти використовувався оксид азоту, отримуваний у вигляді дугового окислення відповідного газу з атмосфери. Є точка зору, за якою перший спосіб - більш економічно рентабельний.

У міру вдосконалення технологічних підходів до випуску азотної кислоти сформувався підхід, за яким найоптимальніший варіант виробництва відповідного речовини - задіяння промислової інфраструктури, що функціонує під підвищеним тиском. Альтернативний йому - виробництво кислоти при атмосферному тиску, який вважається менш рентабельним, з економічної точки зору.

Випуск речовини при звичайному або підвищеному тиску припускають виробництво азотної кислоти з аміаку. Є і комбінований метод, що поєднує переваги двох інших. Особливості виробництва азотної кислоти комбінованим методом полягають, по-перше, в окисленні аміаку при атмосферному тиску, а здійснення його абсорбції - при підвищеному.

Аміак вважається зараз основною сировиною для випуску речовини, про який йде мова, поряд з водою і атмосферним повітрям. Вивчимо специфіку їх застосування у виробництві кислоти докладніше.

Сировина для випуску азотної кислоти

Отже, основна сировина, яка використовується у виробництві даної речовини - це аміак, повітря, а також вода.

Відео: Як хімічне виробництво вбиває інші галузі економіки

При цьому потрібно застосування аміаку в очищеному вигляді. Для цього він в рамках різних виробничих циклів очищається на спеціальному випарному і дистиляційному обладнанні. Аналогічно при випуску азотної кислоти повинен застосовуватися і чисте повітря. Він також фільтрується із застосуванням спеціального обладнання. У свою чергу, вода, яка використовується при випуску азотної кислоти, очищається від домішок і солей. У багатьох випадках для отримання даної речовини необхідно задіяти чистий конденсат.

Вивчимо то, в яких різновидах розглядається речовина може бути представлено, а також те, яким чином проводиться кожен тип азотної кислоти.

Різновиди азотної кислоти і основні стадії її випуску

Існує 2 різновиди азотної кислоти, що випускається на сучасних промислових підприємствах - розбавлена і концентрована. Виробництво розведеної азотної кислоти здійснюється в рамках 3 основних стадій:

Відео: SCADA TRACE MODE 6 трейлер

• конверсії аміаку (кінцевий її продукт - оксид азоту);
• отримання діоксиду азоту;
• здійснення абсорбції оксидів азоту при використанні води.

На сучасних промислових підприємствах поширений випуск розведеної азотної кислоти в рамках так званої схеми АК-72. Але є, безумовно, і інші технології випуску даної речовини.

У свою чергу, виробництво концентрованої азотної кислоти може бути здійснене за допомогою підвищення рівня змісту відповідного речовини в розведеною формі або за допомогою прямого синтезу. Перший метод, як правило, дозволяє отримати розчин кислоти в концентрації близько 68%, чого може бути недостатньо для застосування даної речовини в ряді областей. Тому також поширений метод прямого синтезу, що дозволяє отримати речовину в концентрації близько 97-98%.

Розглянемо більш докладно то, як здійснюється виробництво азотної кислоти в тій чи іншого різновиду. Вище ми відзначили, що випуск розведеного речовини може здійснюватися за схемою АК-72. Вивчимо для початку її специфіку.

Виробництво розведеної кислоти за технологією АК-72

Вже згадана схема, за допомогою якої здійснюється виробництво азотної кислоти, передбачає застосування замкнутого циклу, що супроводжується:

• конверсією аміаку;
• охолодженням супутніх газів по тиском порядку 0,42-0,47 Мпа:
• здійсненням абсорбції оксидів під тиском порядку 1,1-1,26 МПа.

Кінцевий продукт схеми АК-72 - азотна кислота в концентрації близько 60%. Виробництво азотної кислоти в рамках даної технології здійснюється в рамках таких стадій, як:

• забезпечення надходження повітря з атмосфери в промисловий агрегат і здійснення його очищення;
• стиснення повітря, поділ його на технологічні потоки;
• здійснення випаровування аміаку, очищення відповідного газу від масляних і інших домішок, а також подальше його нагрівання;
• змішування очищеного аміаку і повітря, наступне очищення даної суміші і передача її на каталізатор;
• отримання нітрозних газів і їх охолодження;
• збір конденсату з азотною кислотою;
• концентрація і абсорбція азотної кислоти;
• охолодження і очищення отриманого продукту.

Готова кислота направляється в сховище або замовнику.

Поряд з розглянутою технологією, за якою здійснюється виробництво азотної кислоти - АК-72, застосовується інша популярна концепція випуску відповідного речовини, яка передбачає забезпечення функціонування промислової інфраструктури під тиском порядку 0,7 МПа. Розглянемо її особливості.

Технологія випуску продукту під тиском 0,7 МПа: нюанси

За допомогою технології, про яку йде мова, здійснюється виробництво неконцентрованої азотної кислоти - як альтернатива концепції АК-72. Вона передбачає реалізацію наступних стадій випуску даної речовини.

Перш за все, як і в попередній технології, очищається атмосферне повітря. Для цього, як правило, застосовується двоступеневий фільтр. Далі повітря, прошешдій очищення, стискається за допомогою повітряного компресора - приблизно до показника 0,35 МПа. При цьому повітря нагрівається - до температури близько 175 градусів, і його необхідно охолодити. Після того як дана задача вирішена, він направляється в область додаткового стиснення, в якій його тиск збільшується приблизно до 0,716 МПа. Формується потік повітря, в свою чергу, нагрівається до високої температури - близько 270 градусів за допомогою впливу нітротних газів. Після він змішується з аміаком в спеціальній області промислового агрегату. Відповідне речовина задіюється при випуску кислоти спочатку в газоподібному стані, яке утворюється внаслідок випаровування рідини. Крім того, аміак повинен бути очищений. Після підготовки газ нагрівається і подається в змішувач одночасно з повітрям. Дана суміш також фільтрується і після очищення подається на конверсію аміаку. Відповідна процедура здійснюється із застосуванням сіток зі сплаву платини і родію при дуже високій температурі - близько 900 градусів. Рівень конверсії при цьому становить близько 96%.

Виробництво слабкої азотної кислоти з даної технології передбачає утворення нітрозних газів. Вони виводяться в спеціальну область промислового агрегату, в якому охолоджуються. За рахунок цього відбувається випаровування очищеної води і поява пара з високим тиском. Проведені через відповідну область промислового агрегату нітрозні гази переміщаються в окислювач. Варто відзначити, що їх окислення частково відбувається вже на попередній стадії виробництва кислоти. Але в окислювачі воно стає ще більш інтенсивним. При цьому нітрозні гази розігріваються до температури порядку 335 градусів. Згодом вони охолоджуються в спеціальному теплообміннику, а потім - направляються в конденсатор.

Після цього утворюється азотна кислота в слабкої концентрації. Від неї необхідно відокремити залишилися нітрозні гази - для цього використовується сепаратор. З нього азотна кислота подається в абсорбційну область промислового агрегату. Кислота згодом перетікає в області апарату, розташовані нижче. При цьому вона взаємодіє з оксидами азоту, внаслідок чого її концентрація збільшується. На виході вона становить близько 55-58%. У ній, як правило, містяться розчинені оксиди, які треба зробити: для цього речовина прямує в продувну область агрегату. За допомогою розігрітого повітря оксиди витягуються з кислоти. Готовий продукт розміщується на складі або відвантажується замовнику.

Виробництво концентрованої кислоти: прямий синтез

Розглянувши то, як здійснюється виробництво розведеної азотної кислоти, вивчимо специфіку випуску концентрованого речовини. У числі найбільш економічно рентабельних технологій, задействуемих на підприємствах відповідного профілю - отримання кислоти за допомогою прямого синтезу з сировини у вигляді оксидів азоту.

Сутність даного методу - у стимулюванні хімічної реакції між зазначеним речовиною, водою, а також киснем під тиском близько 5 МПа. Технологія, за якою здійснюється виробництво азотної кислоти концентрованого типу на основі розбавленої, має нюанс: забезпечення переходу діоксиду азоту в рідку форму можливо при тиску і температурі, близьким до атмосферних. Однак, в деяких реакціях концентрація відповідного речовини недостатня для його перекладу в рідкий стан при нормальному тиску, і його доводиться підвищувати.

Виробництво концентрованої кислоти на основі розбавленої

В даному випадку передбачається концентрування кислоти за допомогою абсорбуючих речовин - таких як сірчана, фосфорна кислоти, різні розчини нітратів. Основні стадії виробництва азотної кислоти концентрованого типу на основі розбавленої із застосуванням сірчаної кислоти наступні.

Відео: How to search for gold

Спочатку сировину ділиться на 2 потоки: перший подається у випарник, другий - потрапляє в холодну область промислового агрегату. Сірчана кислота подається в область апарату, розташовану вище другого потоку розведеної азотної кислоти. У нижню частину агрегату, в свою чергу, здійснюється подача пара, який нагріває використовувану суміш, внаслідок чого з неї випаровується азотна кислота. Її пари піднімаються вгору по апарату, після чого виводяться в холодильник. Там пари кислоти конденсуються - до тих пір, поки її концентрація не досягне 98-99%.

При цьому деяка частина присутніх в рамках даної стадії виробництва оксидів азоту поглинається кислотою. Їх необхідно витягти з продукту: найчастіше в цих цілях використовуються пари азотної кислоти, які направляються в конденсатор. Витягнуті оксиди азоту, а також пари кислоти, що не утворили конденсату, направляються в іншу область апарату - на абсорбцію, де проходять обробку водою. В результаті утворюється розбавлена кислота, яка знову подається на конденсованих і охолодження. Готовий продукт направляється на склад або замовнику.

Особливості концентрування за допомогою сірчаної кислоти

Основне завдання, яке характеризує виробництво азотної кислоти в промисловості - здійснення рентабельного і ефективного її концентрування. Існує кілька підходів до вироблення оптимальної схеми її вирішення. Корисно буде розглянути ті, що відносяться до найпоширеніших.

Вище ми відзначили, що для концентрування речовини, про який йде мова, може застосовуватися сірчана кислота. Існує досить поширений спосіб підвищення ефективності її застосування - попереднє підвищення концентрації азотної кислоти за допомогою випарювання. Оптимально, що перед обробкою сірчаної кислотою відповідне речовина буде мати концентрацію порядку 59-60%. Варто відзначити, що на практиці дана технологія виробництва азотної кислоти характеризується низьким рівнем екологічності. Тому в якості альтернативи застосуванню сірчаної кислоти поширене використання нітратів. Вивчимо їх специфіку докладніше.

Концентрування за допомогою нітратів

Найчастіше для вирішення даної задачі, що характеризує виробництво азотної кислоти з аміаку, застосовуються нітрати магнію або ж цинку. Перш за все він істотно більш екологічний, ніж метод, який передбачає використання сірчаної кислоти. Крім того, дана технологія дозволяє забезпечити найвищу якість азотної кислоти як кінцевого продукту.

Разом з тим у неї є ряд недоліків, який зумовлюють появу труднощів в повсюдному її застосуванні. Перш за все - це досить висока собівартість виробничого процесу. Крім того, дана технологія в багатьох випадках передбачає появу твердих відходів, переробка яких може бути ускладнена.

Застосування каталізаторів при випуску азотної кислоти

Корисно буде розглянути те, які ще речовини застосовуються поряд з основною сировиною для випуску даного продукту в промисловому (найчастіше в якості таких розглядаються каталізатори) виробництві азотної кислоти. Використання речовин, про які йде мова, обумовлено необхідністю збільшення рентабельності випуску кислоти, підвищення динаміки її виходу на промисловому агрегаті.

Головна вимога до каталізатора при виробництві даного продукту - вибірковість дії. Тобто він повинен впливати на основну хімічну реакцію, не зачіпаючи побічні процеси. Найчастіше у виробництві кислоти задіюються каталізатори, в складі яких присутній платина.

Вище ми відзначили, що при випуску слабоконцентрірованних речовини при підвищеному тиску задіюються каталізатори на основі платини і родію. У ряді випадків також застосовуються сплави з додаванням паладію. Але основний метал в них - платина, її зміст зазвичай становить не менше 81%. Сутність каталізатора в даному випадку - стимулювати швидке проходження основної хімічної реакції. Як правило, вона проходить в рамках внешнедіффузіонного ділянки.

При цьому процес залежить від меж дифузії кисню відносно поверхні каталізатора. Дана особливість обумовлює більш високу концентрацію аміаку - основної сировини для випуску азотної кислоти, на поверхні того або іноді каталізатора, якщо порівнювати відповідний показник з концентрацією на повітрі. Можливе збільшення питомої ваги різних побічних реакцій, при яких спостерігається неповне окислення і утворення азоту або його оксиду. У зв`язку з цим кисень у поверхні повинен знаходитися в кількості, достатній для витіснення аміаку. В цьому випадку вдасться досягти досить глибокого окислення.

Можна відзначити, що, поряд з платиновими каталізаторами, у виробництві азотної кислоти також задіюються комбіновані речовини. Зокрема, железохромовие. Вони дозволяють істотно знизити економічні витрати, що характеризують випуск даної речовини.

Отже, ми розглянули способи виробництва азотної кислоти, виділили основні її типи. Те, скільки стадій виробництва азотної кислоти необхідно реалізувати, залежить від її різновиду, а також конкретної технології випуску відповідного речовини. Корисно буде тепер розглянути те, які складнощі характеризують промислове виробництво даного затребуваного в багатьох сферах економіки продукту.

Основні проблеми у виробництві азотної кислоти

Отже, як ми вже знаємо, виробництво азотної кислоти контактним способом - одним з найпоширеніших в сучасній промисловості, передбачає залучення каталізатора з метою прискорення окислення аміаку і збільшення виходу продукту. Основна проблема випуску розглянутого продукту - досить висока ціна відповідного каталізатора. При цьому його селективність не завжди досягає оптимальної величини. Крім того, значна частина платини, що використовується в якості основного елемента для каталізатора, може втрачатися в ході виробництва. В результаті, знову ж таки, знижується економічна ефективність випуску продукту.

Ще одна проблема, яка характеризує виробництво азотної кислоти - екологічна. Вище ми відзначили, що при концентрації сировини може використовуватися сірчана кислота, і за фактом проходження відповідного виробничого циклу утворюються шкідливі речовини. Альтернативою в даному випадку може бути застосування нітратів - але це, знову ж таки, передбачає збільшення економічних витрат. Однак екологічний фактор для сучасних виробників сьогодні настільки ж значимий, як і рівень рентабельності виробництва.