ГЛАВА 7. ПРОИЗВОДСТВО АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ



Общие сведения

Азотная кислота – одно из важнейших соединений азота. Она широко используется в производстве азотных удобрений, взрывчатых веществ и органических красителей, используется в производстве серной кислоты по нитрозному методу, применяется для производства кинопленки и т.д.

Безводная азотная кислота (моногидрат) представляет бесцветную жидкость с температурой кипения – 82.6 оС и плотностью 1.513 г/м3. Смешивается с водой во всех соотношениях, образуя при этом гидраты состава HNO3∙H2O, HNO3∙3H2O.

При растворении оксида азота(IV) в азотной кислоте образуется соединение состава HNO3∙NO2 – нитроолеум.

Азотная кислота коррозирует и растворяет многие металлы (кроме платины, золота, титана, тантала, родия и иридия), в концентрированном виде пассивирует железо и его сплавы.

Современные промышленные способы получения азотной кислоты основаны на каталитическом окислении аммиака кислородом воздуха.

Производство осуществляется с применением следующих систем: работающих под атмосферным давлением; работающих при повышенном давлении; комбинированных, в которых окисление аммиака осуществляется под давлением 6-8 атм, а окисление NO и абсорбцию NO2 водой проводят под повышенным давлением.

До первой мировой войны азотную кислоту получали сернокислотным разложением чилийской и индийской селитр:

                                                                                                                   100 оС

NaNO3 + H2SO4 (к) = HNO3 + NaHSO4

Ограниченность сырьевой базы, возросшие потребности в кислоте поставили задачу разработки синтетического метода получения азотной кислоты.

С начала ХХ в. некоторое количество азотной кислоты стали производить дуговым методом. Однако этот метод, требовавший большого расхода электроэнергии, не получил широкого распространения.

Потребность в азотной кислоте особенно сильно возросла в годы первой мировой войны.

 

Физико-химические основы производства азотной кислоты из аммиака  

В 1914 г. русский инженер И.И. Андреев предложил производить азотную кислоту из аммиака, получаемого при коксовании углей. В конце 1916 г. в г. Юзовке (ныне Донецк) был построен первый азотнокислотный завод по разработанному им методу.

При синтезе азотной кислоты протекают процессы:

1. каталитическое окисление аммиака:

 

 800 оС

4 NH3 + 3 O2 = 4 NO + 6 H2O

Pt/Rh

2. окисление оксида азота(II) до оксида азота(IV):

            20 оС

2 NO + O2 = 2 NO2

3. абсорбция оксида азота(IV) водой (реакция диспропорционирования):

2 NO2 + H2O = HNO3 + HNO2

4. азотистая кислота не устойчива в среде азотной и быстро разлагается:

 

3 HNO2 = HNO3 + 2NO + H2O

Поэтому практически взаимодействие диоксида азота с водой идет согласно уравнению:

3 NO2 + H2O = 2 HNO3 + NO

В присутствии воздуха, образующийся оксида азота(IV) быстро окисляется до азотной кислоты, поэтому для наиболее полного использования NO адсорбционную колонну дополнительно продувают воздухом. При этом протекает реакция:

4 NO2 + 2 H2O + O2 = 4 HNO3

В качестве катализатора при окислении оксида азота(II) используют сплав, состоящий из 90 % платины и 10 % родия или иридия. Из данного сплава вытягивают нити диаметром 0.09 мм, из которых плетется сетка с размером ячеек 1 мм. Такую сетку располагают в контактном аппарате в виде нескольких рядов (рис. 7.1).

 

Данный катализатор весьма чувствителен к примесям мышьяка, фосфина, сероводорода, метана, оксида углерода(II). Поэтому эти примеси предварительно удаляют из атмосферного воздуха.

Рис. 7.1. Схема окисления аммиака на катализаторе

 

Вначале к поверхности катализатора подходят молекулы кислорода и аммиака, которые адсорбируются на активных центрах катализатора. За счет поверхностно-активных сил в молекулах кислорода и аммиака происходит перераспределение электронной плотности и межатомные связи в этих молекулах разрушаются. Образуется атомарный кислород, который в силу большого сродства к водороду разворачивает молекулу аммиака атомами водорода к себе. Межатомная связь в молекуле аммиака ослабевает. Каждый атом кислорода «вырывает» 2 атома водорода из молекулы аммиака с образованием воды. Оставшийся атом азота окисляется кислородом до оксида азота(II). Молекулы воды и оксида азота(II) плохо удерживаются поверхностью катализатора и легко уходят в газовый объем, вытесняемые свежими порциями кислорода и аммиака. Продолжительность одного цикла 0.0002 доли сек. Затем процесс повторяется.


Дата добавления: 2018-02-18; просмотров: 547;