Výroba kyseliny dusičnej v priemysle: technológia, fázy, vlastnosti

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-17 10:39

Kyselina dusičná je jedným z najžiadanejších druhov priemyselných surovín. Jeho výroba sa môže uskutočňovať rôznymi spôsobmi – v závislosti od odrody, v ktorej má byť kyselina dodávaná zákazníkovi. Čo je podstatou príslušných technológií? Ako sa porovnávajú s typom kyseliny dusičnej vyrábanej v továrni?

Priemyselná výroba kyseliny dusičnej: história vývoja technológie

V prvom rade bude užitočné preštudovať si historické fakty o tom, ako sa v Rusku vyvíjala výroba kyseliny dusičnej. V domácom priemysle sa uvoľňovanie tejto látky podľa dostupných informácií začalo za Petra I. Následne M. V. Lomonosov navrhol spôsob výroby kyseliny dusičnej z ľadku - táto látka bola v skutočnosti považovaná za hlavnú surovinu na výrobu predmetnej látky až do začiatku 20. storočia.

Popri ledku sa výroba kyseliny dusičnej v priemysle realizovala pomocou kyseliny sírovej. Dve uvažované látky, ktoré sa navzájom ovplyvňujú, vytvorili kyselinu dusičnú a oxid sírový sodný. Výhoda tohtometódou bola schopnosť získať kyselinu dusičnú v koncentrácii cca 96-98% (pod podmienkou použitia surovín požadovanej kvality).

Zodpovedajúca technológia bola aktívne vylepšená - v prospech zvýšenia rýchlosti spracovania surovín a zabezpečenia výstupu väčšieho objemu produktu. Postupne to však ustúpilo koncepcii, že výroba kyseliny dusičnej prebiehala kontaktnou oxidáciou amoniaku.

Vynájdený bol aj spôsob, pri ktorom sa ako hlavná surovina na výrobu kyseliny použil oxid dusnatý, získaný oblúkovou oxidáciou zodpovedajúceho plynu z atmosféry. Existuje rozšírený názor, že prvá metóda je nákladovo efektívnejšia.

Zlepšovaním technologických prístupov k výrobe kyseliny dusičnej sa vytvoril prístup, podľa ktorého je najoptimálnejšou možnosťou výroby zodpovedajúcej látky využitie priemyselnej infraštruktúry fungujúcej pod vysokým tlakom. Alternatívou k nemu je výroba kyseliny pri atmosférickom tlaku, ktorá sa z ekonomického hľadiska považuje za menej rentabilnú.

Uvoľňovanie látky pri normálnom alebo zvýšenom tlaku zahŕňa produkciu kyseliny dusičnej z amoniaku. Existuje aj kombinovaná metóda, ktorá kombinuje výhody ostatných dvoch. Vlastnosti výroby kyseliny dusičnej kombinovanou metódou sú po prvé v oxidácii amoniaku pri atmosférickom tlaku a realizácii jeho absorpcie - prizvýšené.

Amoniak sa teraz spolu s vodou a atmosférickým vzduchom považuje za hlavnú surovinu na uvoľňovanie predmetnej látky. Poďme si podrobnejšie preštudovať špecifiká ich použitia pri výrobe kyseliny.

Východisková kyselina dusičná

Hlavnými surovinami používanými pri výrobe predmetnej látky sú teda amoniak, vzduch a tiež voda.

To si vyžaduje použitie čisteného amoniaku. K tomu sa čistí v špeciálnych odparovacích a destilačných zariadeniach v rámci rôznych výrobných cyklov. Podobne je potrebné použiť čistý vzduch pri vypúšťaní kyseliny dusičnej. Filtruje sa tiež pomocou špeciálneho zariadenia. Voda používaná pri výrobe kyseliny dusičnej sa zase čistí od nečistôt a solí. V mnohých prípadoch sa na získanie príslušnej látky musí použiť čistý kondenzát.

Poďme si preštudovať, aké druhy danej látky môžu byť prezentované, ako aj to, ako sa jednotlivé typy kyseliny dusičnej vyrábajú.

Odrody kyseliny dusičnej a hlavné fázy jej uvoľňovania

V moderných priemyselných závodoch sa vyrábajú 2 druhy kyseliny dusičnej – zriedená a koncentrovaná. Výroba zriedenej kyseliny dusičnej prebieha v rámci 3 hlavných etáp:

• konverzia amoniaku (jeho konečným produktom je oxid dusnatý);
• produkujúci oxid dusičitý;
• realizácia absorpcie oxidov dusíka prispotreba vody.

Výroba zriedenej kyseliny dusičnej je rozšírená v moderných priemyselných podnikoch podľa takzvanej schémy AK-72. Existujú však, samozrejme, aj iné technológie na uvoľňovanie tejto látky.

Výroba koncentrovanej kyseliny dusičnej sa môže uskutočňovať zvýšením hladiny zodpovedajúcej látky v zriedenej forme alebo priamou syntézou. Prvý spôsob spravidla umožňuje získať kyslý roztok s koncentráciou asi 68 %, čo nemusí stačiť na aplikáciu danej látky v mnohých oblastiach. Bežná je preto aj metóda priamej syntézy, ktorá umožňuje získať látku v koncentrácii cca 97-98%.

Pozrime sa bližšie na to, ako sa kyselina dusičná vyrába v tej či onej forme. Vyššie sme si všimli, že uvoľňovanie zriedenej látky sa môže uskutočniť podľa schémy AK-72. Najprv si preštudujme jeho špecifiká.

Výroba zriedenej kyseliny pomocou technológie AK-72

Uvažovaná schéma, prostredníctvom ktorej sa uskutočňuje výroba kyseliny dusičnej, zahŕňa použitie uzavretého cyklu sprevádzaného:

• konverzia amoniaku;
• chladenie súvisiacich plynov pri tlaku približne 0,42-0,47 MPa:
• vykonáva absorpciu oxidov pod tlakom rádovo 1,1-1,26 MPa.

Konečným produktom schémy AK-72 je kyselina dusičná v koncentrácii približne 60 %. Produkcia kyseliny dusičnej vo vnútriuvažovaná technológia sa vykonáva v rámci takých etáp ako:

• zabezpečenie nasávania vzduchu z atmosféry do priemyselnej jednotky a jej čistenie;
• stlačenie vzduchu, jeho rozdelenie do technologických prúdov;
• odparovanie amoniaku, čistenie zodpovedajúceho plynu od ropy a iných nečistôt, ako aj jeho následné zahrievanie;
• zmiešanie čisteného amoniaku a vzduchu, následné čistenie tejto zmesi a jej prenos do katalyzátora;
• získavanie dusíkatých plynov a ich chladenie;
• odber kondenzátu s kyselinou dusičnou;
• koncentrácia a absorpcia kyseliny dusičnej;
• chladenie a čistenie výsledného produktu.

Hotová kyselina sa posiela do skladu alebo k zákazníkovi.

Popri zvažovanej technológii výroby kyseliny dusičnej - AK-72 sa používa ďalší populárny koncept uvoľňovania zodpovedajúcej látky, ktorý zahŕňa zabezpečenie prevádzky priemyselnej infraštruktúry pri tlaku cca 0,7 MPa.. Zvážte jeho vlastnosti.

Technológia uvoľňovania produktu pod tlakom 0,7 MPa: nuansy

Táto technológia vyrába nekoncentrovanú kyselinu dusičnú ako alternatívu ku konceptu AK-72. Zahŕňa implementáciu nasledujúcich fáz uvoľňovania príslušnej látky.

V prvom rade sa ako pri predchádzajúcej technológii čistí atmosférický vzduch. Na tento účel sa spravidla používa dvojstupňový filter. Ďalej je vyčistený vzduch stlačenýpomocou vzduchového kompresora - približne do 0,35 MPa. V tomto prípade sa vzduch ohrieva - až na teplotu asi 175 stupňov a musí sa ochladiť. Po vyriešení tohto problému prejde do oblasti dodatočného stlačenia, v ktorom sa jeho tlak zvýši na približne 0,716 MPa. Výsledný prúd vzduchu sa zas pôsobením dusíkatých plynov zohreje na vysokú teplotu – asi 270 stupňov. Potom sa zmieša s amoniakom v špeciálnej oblasti priemyselnej jednotky. Zodpovedajúca látka sa aktivuje, keď sa kyselina uvoľní najskôr v plynnom stave, ktorý sa tvorí v dôsledku odparovania kvapaliny. Okrem toho je potrebné vyčistiť amoniak. Po príprave sa plyn zahrieva a privádza do mixéra súčasne so vzduchom. Táto zmes sa tiež filtruje a po prečistení sa privádza do konverzie amoniaku. Zodpovedajúci postup sa vykonáva pomocou očiek zo zliatiny platiny a ródia pri veľmi vysokej teplote - asi 900 stupňov. Konverzný pomer je približne 96 %.

Výroba slabej kyseliny dusičnej podľa uvažovanej technológie zahŕňa tvorbu nitróznych plynov. Sú privedené do špeciálnej oblasti priemyselnej jednotky, v ktorej sa ochladzujú. Vďaka tomu sa vyčistená voda odparuje a vzniká para s vysokým tlakom. Dusitné plyny, ktoré sa uskutočňujú cez príslušnú oblasť priemyselnej jednotky, sa pohybujú do okysličovadla. Treba poznamenať, že k ich oxidácii čiastočne dochádza už pri predchádzajúcejkroky výroby kyseliny. Ale v okysličovadle sa stáva ešte intenzívnejším. V tomto prípade sa dusíkaté plyny zahrievajú na teplotu asi 335 stupňov. Následne sú ochladené v špeciálnom výmenníku tepla a následne odoslané do kondenzátora.

Potom sa tvorí kyselina dusičná v slabej koncentrácii. Z nej je potrebné oddeliť zvyšné dusíkaté plyny – na to slúži separátor. Z nej sa kyselina dusičná privádza do absorpčnej oblasti priemyselnej jednotky. Kyselina následne prúdi do oblastí nižšie uvedeného zariadenia. Zároveň interaguje s oxidmi dusíka, v dôsledku čoho sa zvyšuje jeho koncentrácia. Na výstupe je to asi 55-58%. Zvyčajne obsahuje rozpustené oxidy, ktoré sa musia odstrániť: na tento účel sa látka posiela do oblasti čistenia jednotky. Pomocou ohriateho vzduchu sa z kyseliny extrahujú oxidy. Hotový výrobok sa umiestni do skladu alebo sa odošle zákazníkovi.

Výroba koncentrovanej kyseliny: priama syntéza

Po zvážení toho, ako prebieha výroba zriedenej kyseliny dusičnej, budeme študovať špecifiká uvoľňovania koncentrovanej látky. Výroba kyselín priamou syntézou zo surovín vo forme oxidov dusíka patrí medzi cenovo najefektívnejšie technológie používané v podnikoch príslušného profilu.

Podstatou tejto metódy je stimulácia chemickej reakcie medzi špecifikovanou látkou, vodou a kyslíkom pod tlakom asi 5 MPa. Technológia, ktorou sa uskutočňuje výroba kyseliny dusičnejkoncentrovaný typ na báze zriedeného, má nuansu: zabezpečenie prechodu oxidu dusičitého na kvapalnú formu je možné pri tlaku a teplote blízkej atmosfére. V niektorých reakciách je však koncentrácia príslušnej látky nedostatočná na to, aby ju previedla do kvapalného stavu pri normálnom tlaku, a musí sa zvýšiť.

Výroba koncentrovanej kyseliny na báze zriedenej kyseliny

V tomto prípade sa predpokladá, že kyselina sa koncentruje pomocou absorpčných látok - ako je kyselina sírová, fosforečná, rôzne roztoky dusičnanov. Hlavné kroky pri výrobe koncentrovanej kyseliny dusičnej na báze zriedenej kyseliny sírovej sú nasledovné.

Po prvé, surovina je rozdelená do 2 prúdov: prvý je privádzaný do výparníka, druhý - vstupuje do studenej oblasti priemyselnej jednotky. Kyselina sírová sa privádza do oblasti zariadenia nad druhým prúdom zriedenej kyseliny dusičnej. Do spodnej časti jednotky sa zasa privádza para, ktorá ohrieva použitú zmes, v dôsledku čoho sa z nej odparuje kyselina dusičná. Jej výpary stúpajú do prístroja a potom sa vyberú do chladničky. Tam kondenzujú výpary kyseliny - kým jej koncentrácia nedosiahne 98-99%.

Súčasne sú niektoré oxidy dusíka prítomné počas tejto výrobnej fázy absorbované kyselinou. Musia sa extrahovať z produktu: najčastejšie sa na tento účel používajú výpary kyseliny dusičnej, ktoré sa posielajú do kondenzátora. Extrahované oxidy dusíka, ako aj kyslé výpary, ktoré netvorili kondenzát, sa posielajú do inej oblasti zariadenia - na absorpciu, kde sa spracujú vodou. V dôsledku toho sa vytvára zriedená kyselina, ktorá sa opäť privádza ku kondenzácii a chladeniu. Hotový výrobok je odoslaný do skladu alebo k zákazníkovi.

Vlastnosti koncentrácie s kyselinou sírovou

Hlavnou úlohou, ktorá charakterizuje výrobu kyseliny dusičnej v priemysle, je implementácia jej nákladovo efektívnej a efektívnej koncentrácie. Existuje niekoľko prístupov k vypracovaniu optimálnej schémy na jej riešenie. Bude užitočné zvážiť tie, ktoré patria medzi najbežnejšie.

Vyššie sme uviedli, že kyselina sírová sa môže použiť na zahustenie predmetnej látky. Existuje pomerne bežný spôsob, ako zvýšiť účinnosť jeho použitia - predbežné zvýšenie koncentrácie kyseliny dusičnej prostredníctvom odparovania. V optimálnom prípade bude mať zodpovedajúca látka pred ošetrením kyselinou sírovou koncentráciu asi 59 až 60 %. Je potrebné poznamenať, že v praxi sa táto technológia výroby kyseliny dusičnej vyznačuje nízkou úrovňou šetrnosti k životnému prostrediu. Preto je ako alternatíva k použitiu kyseliny sírovej bežné použitie dusičnanov. Pozrime sa na ich špecifiká podrobnejšie.

Koncentrácia s dusičnanmi

Na vyriešenie uvažovaného problému, ktorý charakterizuje výrobu kyseliny dusičnej z amoniaku, sa najčastejšie používajú dusičnany horčíka alebo zinku. V prvom rade je výrazne ekologickejšia ako metódazahŕňajúce použitie kyseliny sírovej. Navyše táto technológia zabezpečuje najvyššiu kvalitu kyseliny dusičnej ako finálneho produktu.

Zároveň má množstvo nedostatkov, ktoré predurčujú objavenie sa ťažkostí pri jeho rozšírenom používaní. V prvom rade ide o pomerne vysoké náklady na výrobný proces. Okrem toho táto technológia v mnohých prípadoch zahŕňa produkciu tuhého odpadu, ktorého spracovanie môže byť komplikované.

Použitie katalyzátorov pri výrobe kyseliny dusičnej

Bude užitočné zvážiť, aké ďalšie látky sa používajú spolu s hlavnými surovinami na výrobu daného produktu pri priemyselnej (najčastejšie sa za katalyzátory považujú) výrobe kyseliny dusičnej. Použitie predmetných látok je spôsobené potrebou zvýšiť ziskovosť výroby kyseliny, zvýšiť dynamiku jej produkcie v priemyselnej jednotke.

Hlavnou požiadavkou na katalyzátor pri výrobe príslušného produktu je selektivita pôsobenia. To znamená, že musí ovplyvniť hlavnú chemickú reakciu bez ovplyvnenia vedľajších procesov. Najčastejšie sa pri výrobe kyselín používajú katalyzátory, ktoré obsahujú platinu.

Vyššie sme si všimli, že keď sa pri zvýšenom tlaku uvoľňuje slabo koncentrovaná látka, používajú sa katalyzátory na báze platiny a ródia. V niektorých prípadoch sa používajú aj zliatiny s prídavkom paládia. Ale hlavný kov v nich jeplatina, jej obsah zvyčajne nie je nižší ako 81%. Podstatou katalyzátora je v tomto prípade stimulácia rýchleho prechodu hlavnej chemickej reakcie. Spravidla prechádza v rámci vonkajšej difúznej sekcie.

Proces závisí od limitov difúzie kyslíka vzhľadom na povrch katalyzátora. Táto vlastnosť spôsobuje vyššiu koncentráciu amoniaku, hlavnej suroviny na výrobu kyseliny dusičnej, na povrchu jedného alebo niekedy katalyzátora v porovnaní s koncentráciou vo vzduchu. Je možné zvýšiť špecifickú hmotnosť rôznych vedľajších reakcií, pri ktorých sa pozoruje neúplná oxidácia a tvorba dusíka alebo jeho oxidu. V tomto ohľade musí byť kyslík blízko povrchu v množstve dostatočnom na vytesnenie amoniaku. V tomto prípade bude možné dosiahnuť dostatočne hlbokú oxidáciu.

Je možné poznamenať, že spolu s platinovými katalyzátormi sa na výrobe kyseliny dusičnej podieľajú aj kombinované látky. Najmä železo-chróm. Môžu výrazne znížiť ekonomické náklady, ktoré charakterizujú výrobu príslušnej látky.

Takže sme zvážili spôsoby výroby kyseliny dusičnej, identifikovali sme jej hlavné typy. Koľko stupňov výroby kyseliny dusičnej je potrebné realizovať, závisí od jej typu, ako aj od konkrétnej technológie uvoľňovania príslušnej látky. Teraz by bolo užitočné zvážiť, aké ťažkosti charakterizujú priemyselnú výrobu tohto produktu, po ktorom je dopyt v mnohých oblastiach hospodárstva.

Hlavné problémy vvýroba kyseliny dusičnej

Ako už vieme, výroba kyseliny dusičnej kontaktnou metódou - jednou z najbežnejších v modernom priemysle, zahŕňa použitie katalyzátora s cieľom urýchliť oxidáciu amoniaku a zvýšiť výťažok produkt. Hlavným problémom pri výrobe uvažovaného produktu je pomerne vysoká cena zodpovedajúceho katalyzátora. Jeho selektivita však nie vždy dosahuje optimálnu hodnotu. Okrem toho sa počas výroby môže stratiť významná časť platiny, ktorá sa používa ako hlavný prvok katalyzátora. V dôsledku toho opäť klesá nákladová efektívnosť výstupu produktu.

Ďalším problémom, ktorý charakterizuje produkciu kyseliny dusičnej, je environmentálny problém. Vyššie sme poznamenali, že kyselina sírová sa môže použiť s koncentráciou surovín a pri prechode zodpovedajúcim výrobným cyklom sa tvoria škodlivé látky. Alternatívou v tomto prípade môže byť použitie dusičnanov – to však opäť znamená zvýšenie ekonomických nákladov. Environmentálny faktor je však dnes pre moderných výrobcov rovnako významný ako úroveň ziskovosti výroby.