Proizvodnja dušikove kisline v industriji: tehnologija, faze, značilnosti

2024 Avtor: Howard Calhoun | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-17 10:40

Dušikova kislina je ena najbolj zahtevanih vrst industrijskih surovin. Njena proizvodnja se lahko izvaja na različne načine – odvisno od sorte, v kateri naj bo kislina dobavljena kupcu. Kaj je bistvo ustreznih tehnologij? Kako se primerjajo z vrsto dušikove kisline, proizvedene v tovarni?

Industrijska proizvodnja dušikove kisline: zgodovina razvoja tehnologije

Najprej bo koristno preučiti zgodovinska dejstva o tem, kako se je v Rusiji razvila proizvodnja dušikove kisline. V domači industriji se je sproščanje te snovi po razpoložljivih informacijah začelo pod Petrom I. Kasneje je M. V. Lomonosov predlagal metodo za proizvodnjo dušikove kisline iz salitre - ta snov je dejansko veljala za glavno surovino za proizvodnjo zadevne snovi do začetka 20. stoletja.

Poleg salitre se je proizvodnja dušikove kisline v industriji izvajala z uporabo žveplove kisline. Obe obravnavani snovi sta med seboj tvorili dušikovo kislino in natrijev žveplov oksid. Prednost tegametoda je bila zmožnost pridobivanja dušikove kisline v koncentraciji okoli 96-98% (ob upoštevanju uporabe surovin zahtevane kakovosti).

Ustrezna tehnologija je bila aktivno izboljšana - v korist povečanja hitrosti predelave surovin in zagotavljanja proizvodnje večje količine izdelka. Toda postopoma se je umaknilo konceptu, da je bila proizvodnja dušikove kisline izvedena s kontaktno oksidacijo amoniaka.

Prav tako je bila izumljena metoda, pri kateri so kot glavno surovino za proizvodnjo kisline uporabili dušikov oksid, pridobljen z obločno oksidacijo ustreznega plina iz atmosfere. Razširjeno je stališče, da je prva metoda stroškovno učinkovitejša.

Z izboljšanjem tehnoloških pristopov k proizvodnji dušikove kisline se je oblikoval pristop, po katerem je najbolj optimalna možnost za proizvodnjo ustrezne snovi uporaba industrijske infrastrukture, ki deluje pod visokim pritiskom. Alternativa temu je proizvodnja kisline pri atmosferskem tlaku, ki velja za manj donosno z ekonomskega vidika.

Sproščanje snovi pri normalnem ali povišanem tlaku vključuje proizvodnjo dušikove kisline iz amoniaka. Obstaja tudi kombinirana metoda, ki združuje prednosti drugih dveh. Značilnosti proizvodnje dušikove kisline s kombinirano metodo so, prvič, v oksidaciji amoniaka pri atmosferskem tlaku in izvajanju njegove absorpcije - pripovečano.

Amoniak zdaj skupaj z vodo in atmosferskim zrakom velja za glavno surovino za sproščanje zadevne snovi. Podrobneje preučimo posebnosti njihove uporabe pri proizvodnji kisline.

Surovine dušikove kisline

Torej so glavne surovine, uporabljene pri proizvodnji zadevne snovi, amoniak, zrak in tudi voda.

To zahteva uporabo prečiščenega amoniaka. V ta namen se v okviru različnih proizvodnih ciklov očisti v posebni opremi za izhlapevanje in destilacijo. Podobno je treba pri odvajanju dušikove kisline uporabljati čist zrak. Prav tako se filtrira s posebno opremo. Po drugi strani se voda, ki se uporablja pri proizvodnji dušikove kisline, očisti iz nečistoč in soli. V mnogih primerih je treba za pridobitev zadevne snovi uporabiti čisti kondenzat.

Preučimo, katere vrste zadevne snovi je mogoče predstaviti, pa tudi kako se proizvaja vsaka vrsta dušikove kisline.

Sorte dušikove kisline in glavne faze njenega sproščanja

V sodobnih industrijskih obratih se proizvajata 2 vrsti dušikove kisline - razredčena in koncentrirana. Proizvodnja razredčene dušikove kisline poteka v 3 glavnih fazah:

• pretvorba amoniaka (njegov končni produkt je dušikov oksid);
• proizvodnja dušikovega dioksida;
• izvajanje absorpcije dušikovih oksidov priporaba vode.

Proizvodnja razredčene dušikove kisline je razširjena v sodobnih industrijskih podjetjih po tako imenovani shemi AK-72. Obstajajo pa seveda tudi druge tehnologije za sproščanje te snovi.

Po drugi strani se lahko proizvodnja koncentrirane dušikove kisline izvede s povečanjem ravni ustrezne snovi v razredčeni obliki ali z neposredno sintezo. Prva metoda praviloma omogoča pridobivanje kislinske raztopine v koncentraciji okoli 68%, kar morda ne bo dovolj za uporabo zadevne snovi na številnih področjih. Zato je pogosta tudi metoda neposredne sinteze, ki omogoča pridobivanje snovi v koncentraciji približno 97-98%.

Oglejmo si podrobneje, kako nastaja dušikova kislina v takšni ali drugačni obliki. Zgoraj smo omenili, da se sproščanje razredčene snovi lahko izvede po shemi AK-72. Najprej preučimo njegove posebnosti.

Proizvodnja razredčene kisline z uporabo tehnologije AK-72

Upoštevana shema, po kateri se izvaja proizvodnja dušikove kisline, vključuje uporabo zaprtega cikla, ki ga spremlja:

• pretvorba amoniaka;
• hlajenje sorodnih plinov pri tlaku približno 0,42-0,47 MPa:
• izvajanje absorpcije oksidov pod tlakom reda 1,1-1,26 MPa.

Končni produkt sheme AK-72 je dušikova kislina v koncentraciji približno 60%. Proizvodnja dušikove kisline v notranjostiobravnavana tehnologija se izvaja v okviru takih stopenj, kot so:

• zagotavljanje vnosa zraka iz ozračja v industrijsko enoto in njegovo čiščenje;
• stiskanje zraka, ločevanje v tehnološke tokove;
• izhlapevanje amoniaka, čiščenje ustreznega plina iz nafte in drugih nečistoč ter njegovo naknadno segrevanje;
• mešanje prečiščenega amoniaka in zraka, naknadno čiščenje te mešanice in njen prenos na katalizator;
• pridobivanje dušikovih plinov in njihovo hlajenje;
• zbiranje kondenzata z dušikovo kislino;
• koncentracija in absorpcija dušikove kisline;
• hlajenje in čiščenje nastalega izdelka.

Dokončana kislina se pošlje v skladišče ali stranko.

Poleg obravnavane tehnologije za proizvodnjo dušikove kisline - AK-72 se uporablja še en priljubljen koncept za sproščanje ustrezne snovi, ki vključuje zagotavljanje delovanja industrijske infrastrukture pri tlaku približno 0,7 MPa. Upoštevajte njegove značilnosti.

Tehnologija sproščanja izdelka pod tlakom 0,7 MPa: nianse

Zadevna tehnologija proizvaja nekoncentrirano dušikovo kislino kot alternativo konceptu AK-72. Vključuje izvajanje naslednjih stopenj sproščanja zadevne snovi.

Najprej se, tako kot pri prejšnji tehnologiji, čisti atmosferski zrak. V ta namen se praviloma uporablja dvostopenjski filter. Nadalje se zrak, ki je bil očiščen, stisnes pomočjo zračnega kompresorja - do približno 0,35 MPa. V tem primeru se zrak segreje - do temperature približno 175 stopinj in ga je treba ohladiti. Ko je ta problem rešen, gre v območje dodatnega stiskanja, v katerem se njegov tlak poveča na približno 0,716 MPa. Nastali zračni tok pa se zaradi delovanja dušikovih plinov segreje na visoko temperaturo - približno 270 stopinj. Nato se v posebnem prostoru industrijske enote zmeša z amoniakom. Ustrezna snov se aktivira, ko se kislina sprva sprosti v plinastem stanju, ki nastane zaradi izhlapevanja tekočine. Poleg tega je treba amoniak očistiti. Po pripravi se plin segreje in dovaja v mešalnik hkrati z zrakom. To zmes tudi filtriramo in po čiščenju dovajamo v pretvorbo amoniaka. Ustrezni postopek se izvede z uporabo mrežic iz platine in rodijeve zlitine pri zelo visoki temperaturi - približno 900 stopinj. Stopnja konverzije je približno 96%.

Proizvodnja šibke dušikove kisline po obravnavani tehnologiji vključuje tvorbo dušikovih plinov. Pripeljejo se v posebno območje industrijske enote, v katerem se ohladijo. Zaradi tega prečiščena voda izhlapi in nastane para z visokim pritiskom. Izvedeni skozi ustrezno območje industrijske enote se dušikovi plini premikajo v oksidant. Treba je opozoriti, da se njihova oksidacija delno zgodi že pri prejšnjemkoraki proizvodnje kisline. Toda v oksidantu postane še bolj intenzivna. V tem primeru se dušikovi plini segrejejo na temperaturo približno 335 stopinj. Nato se ohladijo v posebnem toplotnem izmenjevalniku, nato pa se pošljejo v kondenzator.

Po tem nastane dušikova kislina v šibki koncentraciji. Od njega je treba ločiti preostale dušikove pline - za to se uporablja separator. Iz nje se dušikova kislina dovaja v absorpcijsko območje industrijske enote. Kislina nato teče v spodnje predele aparata. Hkrati deluje z dušikovimi oksidi, zaradi česar se njegova koncentracija poveča. Na izhodu je približno 55-58%. Običajno vsebuje raztopljene okside, ki jih je treba odstraniti: za to se snov pošlje v območje za čiščenje enote. S pomočjo segretega zraka se iz kisline izločajo oksidi. Končni izdelek damo v skladišče ali odpošljemo kupcu.

Proizvodnja koncentrirane kisline: neposredna sinteza

Po preučitvi, kako poteka proizvodnja razredčene dušikove kisline, bomo preučili posebnosti sproščanja koncentrirane snovi. Proizvodnja kisline z neposredno sintezo iz surovin v obliki dušikovih oksidov je ena najbolj stroškovno učinkovitih tehnologij, ki se uporabljajo v podjetjih ustreznega profila.

Bistvo te metode je spodbuditi kemično reakcijo med določeno snovjo, vodo in kisikom pod tlakom približno 5 MPa. Tehnologija, po kateri se izvaja proizvodnja dušikove kislinekoncentriran tip na osnovi razredčenega, ima odtenek: zagotovitev prehoda dušikovega dioksida v tekočo obliko je mogoča pri tlaku in temperaturi blizu atmosferskega. Vendar pa pri nekaterih reakcijah koncentracija ustrezne snovi ne zadostuje, da bi jo pri normalnem tlaku prešla v tekoče stanje, zato jo je treba povečati.

Proizvodnja koncentrirane kisline na osnovi razredčene kisline

V tem primeru se domneva, da je kislina koncentrirana s pomočjo vpojnih snovi - kot so žveplova, fosforjeva kislina, različne raztopine nitratov. Glavni koraki pri proizvodnji koncentrirane dušikove kisline na osnovi razredčene žveplove kisline so naslednji.

Najprej je surovina razdeljena na 2 toka: prvi se dovaja v uparjalnik, drugi - vstopi v hladno območje industrijske enote. Žveplova kislina se dovaja v območje aparata nad drugim tokom razredčene dušikove kisline. Po drugi strani se v spodnji del enote dovaja para, ki segreje uporabljeno mešanico, zaradi česar iz nje izhlapi dušikova kislina. Njeni hlapi se dvignejo po aparatu, nato pa se odstranijo v hladilnik. Tam se hlapi kisline kondenzirajo - dokler njihova koncentracija ne doseže 98-99%.

Hkrati kislina absorbira nekaj dušikovih oksidov, ki so prisotni v tej fazi proizvodnje. Izvleči jih je treba iz izdelka: najpogosteje se za ta namen uporabljajo hlapi dušikove kisline, ki se pošljejo v kondenzator. Ekstrahirani dušikovi oksidi, pa tudi kisli hlapi, ki niso tvorili kondenzata, se pošljejo na drugo področje aparata - za absorpcijo, kjer se obdelajo z vodo. Posledično nastane razredčena kislina, ki se ponovno napaja v kondenzacijo in hlajenje. Končni izdelek pošljemo v skladišče ali kupcu.

Lastnosti koncentracije z žveplovo kislino

Glavna naloga, ki je značilna za proizvodnjo dušikove kisline v industriji, je izvajanje njene stroškovno učinkovite in učinkovite koncentracije. Obstaja več pristopov za razvoj optimalne sheme za njeno reševanje. Koristno bo razmisliti o tistih, ki so med najpogostejšimi.

Zgoraj smo omenili, da se za koncentriranje zadevne snovi lahko uporabi žveplova kislina. Obstaja precej pogost način za povečanje učinkovitosti njegove uporabe - predhodno povečanje koncentracije dušikove kisline z izhlapevanjem. Optimalno bo pred obdelavo z žveplovo kislino ustrezna snov imela koncentracijo približno 59-60%. Treba je opozoriti, da je v praksi za to tehnologijo proizvodnje dušikove kisline značilna nizka raven prijaznosti do okolja. Zato je kot alternativa uporabi žveplove kisline pogosta uporaba nitratov. Preučimo njihove posebnosti podrobneje.

Koncentracija z nitrati

Najpogosteje se za reševanje obravnavanega problema uporabljajo magnezijevi ali cinkovi nitrati, ki označujejo proizvodnjo dušikove kisline iz amoniaka. Najprej je bistveno bolj okolju prijazna od metodeki vključuje uporabo žveplove kisline. Poleg tega ta tehnologija zagotavlja najvišjo kakovost dušikove kisline kot končnega izdelka.

Ob tem ima številne pomanjkljivosti, ki vnaprej določajo pojav težav pri njegovi široki uporabi. Prvič, to so precej visoki stroški proizvodnega procesa. Poleg tega ta tehnologija v mnogih primerih vključuje proizvodnjo trdnih odpadkov, katerih predelava je lahko zapletena.

Uporaba katalizatorjev pri proizvodnji dušikove kisline

Koristno bo razmisliti, katere druge snovi se uporabljajo skupaj z glavnimi surovinami za proizvodnjo zadevnega izdelka v industrijski (najpogosteje se kot taki štejejo katalizatorji) proizvodnji dušikove kisline. Uporaba zadevnih snovi je posledica potrebe po povečanju donosnosti proizvodnje kisline, povečanju dinamike njene proizvodnje v industrijski enoti.

Glavna zahteva za katalizator v proizvodnji zadevnega izdelka je selektivnost delovanja. To pomeni, da mora vplivati na glavno kemično reakcijo, ne da bi vplival na stranske procese. Najpogosteje se pri proizvodnji kisline uporabljajo katalizatorji, ki vsebujejo platino.

Zgoraj smo ugotovili, da se pri sproščanju šibko koncentrirane snovi pri povišanem tlaku uporabljajo katalizatorji na osnovi platine in rodija. V nekaterih primerih se uporabljajo tudi zlitine z dodatkom paladija. Toda glavna kovina v njih jeplatina, njena vsebnost običajno ni manjša od 81%. Bistvo katalizatorja v tem primeru je spodbuditi hiter prehod glavne kemične reakcije. Praviloma prehaja znotraj zunanjega difuzijskega odseka.

Proces je odvisen od meja difuzije kisika glede na površino katalizatorja. Ta lastnost povzroči višjo koncentracijo amoniaka, glavne surovine za proizvodnjo dušikove kisline, na površini enega ali včasih katalizatorja v primerjavi s koncentracijo v zraku. Možno je povečati specifično težo različnih stranskih reakcij, pri katerih opazimo nepopolno oksidacijo in tvorbo dušika ali njegovega oksida. V zvezi s tem mora biti kisik blizu površine v zadostni količini, da izpodrine amoniak. V tem primeru bo mogoče doseči dovolj globoko oksidacijo.

Opozoriti je mogoče, da poleg platinskih katalizatorjev pri proizvodnji dušikove kisline sodelujejo tudi kombinirane snovi. Zlasti železo-krom. Lahko znatno zmanjšajo ekonomske stroške, ki so značilni za proizvodnjo zadevne snovi.

Torej, preučili smo metode proizvodnje dušikove kisline, identificirali njene glavne vrste. Koliko stopenj proizvodnje dušikove kisline je treba izvesti, je odvisno od njene vrste, pa tudi od specifične tehnologije za sproščanje ustrezne snovi. Zdaj bi bilo koristno razmisliti, kakšne težave so značilne za industrijsko proizvodnjo tega izdelka, po katerem je povpraševanje na številnih področjih gospodarstva.

Glavne težave vproizvodnja dušikove kisline

Torej, kot že vemo, proizvodnja dušikove kisline po kontaktni metodi - ena najpogostejših v sodobni industriji, vključuje uporabo katalizatorja za pospešitev oksidacije amoniaka in povečanje donosa izdelek. Glavna težava pri proizvodnji obravnavanega izdelka je precej visoka cena ustreznega katalizatorja. Vendar njegova selektivnost ne doseže vedno optimalne vrednosti. Poleg tega se lahko med proizvodnjo izgubi pomemben del platine, ki se uporablja kot glavni element za katalizator. Posledično se spet zmanjša stroškovna učinkovitost proizvodnje izdelka.

Druga težava, ki je značilna za proizvodnjo dušikove kisline, je okolje. Zgoraj smo omenili, da se žveplova kislina lahko uporablja s koncentracijo surovin, pri prehodu skozi ustrezen proizvodni cikel pa nastanejo škodljive snovi. Alternativa v tem primeru je lahko uporaba nitratov - vendar to spet pomeni povečanje gospodarskih stroškov. Vendar je okoljski dejavnik za sodobne proizvajalce danes enako pomemben kot raven dobičkonosnosti proizvodnje.