Сировина і способи отримання азотної кислоти - студопедія
Азотна кислота. Властивості і застосування. Історія відкриття.
Азотна кислота за обсягом виробництва посідає серед інших кислот друге місце після сірчаної кислоти. Все зростаючий обсяг виробництва HNO3 пояснюється величезним значенням азотної кислоти та її солей для народного господарства.
Азотна кислота є одним з вихідних продуктів для отримання більшості азотовмісних речовин. До 70-80% її кількості витрачається на отримання мінеральних добрив. Також азотна кислота застосовується:
- при виробництві сірчаної кислоти нітрозним способом;
- при отриманні майже всіх видів вибухових речовин;
- нітратів і ряду інших технічних солей;
- в промисловості органічного синтезу;
- в ракетній техніці;
- як окислювач в різних процесах і в багатьох галузях народного господарства.
З огляду на потреби різних споживачів, промисловістю виробляється азотна кислота дев'яти сортів з концентрацією від 45 до 99%. У невеликих обсягах випускається реактивна і азотна кислота особливої чистоти. У виробництві вибухових речовин нитрованием органічних продуктів застосовують концентровану азотну кислоту. Для отримання добрив споживається, як правило, розбавлена азотна кислота.
Основною сировиною для виробництва неконцентрованої азотної кислоти в даний час є аміак, повітря і вода. Допоміжними матеріальними і енергетичними ресурсами є каталізатори окислення аміаку і очищення вихлопних газів, природний газ, пар і електроенергія.
Азотна кислота і головним чином її природна сіль - натрієва селітра відомі з давніх часів. У 778 р Арабський учений Гебер описав спосіб приготування "міцної горілки" (так називалася тоді азотна кислота) шляхом перегонки селітри з галуном. ВУкаіни перші прописи з виробництва азотної кислоти з селітри були складені М.В. Ломоносовим.
До початку XX століття природна селітра була єдиним джерелом отримання азотної кислоти. Цей процес заснований на наступній реакції:
Вдосконалений варіант цього методу отримання азотної кислоти полягав у тому, що розкладання селітри сірчаною кислотою проводилося в вакуумі. При цьому температура розкладання селітри знижувалася до 80-160 0 С; тривалість відгону кислоти скорочувалася до 6 годин і досягався вихід азотної кислоти близька до теоретичного. Такий спосіб отримання азотної кислоти, цілком залежить від імпорту чилійської селітри, згодом був залишений.
На початку XX століття була вирішена виключно важлива проблема зв'язування атмосферного азоту, що дало людству новий невичерпне джерело сировини для виробництва азотвмісних сполук.
Ще в 1781 р Кевендіш в результаті електричного розряду в повітрі отримав окисли азоту. У 1814 р В.Н. Каразін вніс пропозицію про "низведении електрики з верхніх шарів атмосфери для виробництва селітри". Перший патент на спосіб отримання азотної кислоти за допомогою електричного розряду в повітрі і перетворення оксидів азоту в нітрити і в нітрати був отриманий в 1859 р
У 1901 р Було покладено початок фіксації азоту повітря в полум'ї електричної дуги (дугового метод). У 1902 р в США споруджений завод по фіксації атмосферного азоту за допомогою електричної дуги, що виникає при пропущенні між електродами струму силою 0,75 ампер і напругою 8000 вольт. Через недосконалість конструкції печі і великої витрати електроенергії завод був закритий в 1904 р
Виробництво азотної кислоти дуговим методом цікаво тим, що в ньому використовували дешеве вихідна сировина - повітря. Апаратурнеоформлення процесу було досить нескладним. Однак для його здійснення потрібна величезна кількість електроенергії, що досягає 70000 кВт'г на 1 т N2 (це відповідає 64 т умовного палива)
В даний час промислове виробництво азотної кислоти здійснюється на основі контактного окислення синтетичного аміаку. Процес складається з двох основних стадій: отримання окису азоту і переробка її в азотну кислоту.
Стадія окислення аміаку в окис азоту в загальному вигляді виражається рівнянням:
Стадія окислення окису азоту у вищі оксиди азоту і переробка їх в азотну кислоту може бути представлена рівняннями:
Сумарну реакцію без урахування побічних реакцій, що проходять з утворенням елементарного азоту і інших з'єднань, можна виразити рівнянням
Дослідження показують, що при окисленні аміаку на різних каталізаторах і залежно від умов ведення процесу можна отримати окис азоту, елементарний азот і закис азоту:
Відповідно підбираючи каталізатор і умови ведення реакції, можна змінити склад одержуваних продуктів.
При використанні в якості каталізатора платини вихід окису азоту в інтервалі температур 700-850 0 С може досягати 97-98%. Каталізатори з платинових сплавів є найкращими для виборчого окислення аміаку в окис азоту.
Реакція окислення аміаку до окису азоту йде з незначною зміною обсягу, тому зміна тиску не робить істотного впливу на рівноважний вихід продуктів взаємодії. Великі величини константи рівноваги цієї реакції свідчать про практичну її незворотності при промислових умовах здійснення процесу.
Чистий платина має недостатню міцність, тому застосовують сплави платини з родієм і паладієм.
Поверхня платинових сіток в процесі експлуатації сильно розпушуються, гладкі блискучі нитки стають губчастими і матовими. В результаті цього сильно розвивається поверхню каталізатора, що призводить до підвищення його активності. З плином часу розпушення поверхні платинових сіток призводить до їх сильного руйнування і великих втрат платини. Додавання до платині родію і паладію має двояке значення: по-перше, підвищується активність каталізатора, по-друге, зменшуються втрати каталізатора.
У промисловості застосовуються комбіновані каталізатори, в яких поряд з платиною використовуються та інші, дешевші матеріали.
Головними чинниками, що визначають високу швидкість утворення азотної кислоти, є проведення абсорбції під тиском при знижених температурах.
Азотна кислота має високу корозійну активність, тому для виготовлення апаратури і трубопроводів застосовуються кислотостойкие леговані стали.
На виробництво азотної кислоти витрачається в основному аміак, вартість його на 70% визначає собівартість азотної кислоти. Вода служить в основному холодоагентом і може бути використана повторно.