Производство азотной кислоты в промышленности: технология, стадии, особенности

Азотная кислота — в числе самых востребованных типов промышленного сырья. Ее производство может осуществляться разными методами — в зависимости от того, в какой разновидности кислота должна поставляться заказчику. В чем заключается сущность соответствующих технологий? Каким образом они соотносятся с типом выпускаемой на фабрике азотной кислоты?

Промышленный выпуск азотной кислоты: история развития технологий

Прежде всего полезно будет изучить исторические факты о том, как развивалось производство азотной кислоты в России. В отечественной промышленности выпуск данного вещества, если следовать доступным сведениям, был инициирован при Петре I. Впоследствии М. В. Ломоносовым был предложен способ производства азотной кислоты из селитры — данное вещество фактически до начала 20 века считалась главным сырьем для выпуска рассматриваемого вещества.

Наряду с селитрой, производство азотной кислоты в промышленности осуществлялось с применением серной кислоты. Два рассматриваемых вещества, взаимодействуя между собой, образовывали азотную кислоту и серный оксид натрия. Преимущество данного способа заключалось в возможности получить азотную кислоту в концентрации порядка 96-98 % (при условии использования сырья требуемого качества).

Соответствующая технология достаточно активно совершенствовалась — в пользу увеличения скорости обработки сырья и обеспечения выхода большего объема продукта. Но постепенно она уступила место концепции, по которой производство азотной кислоты осуществлялось посредством контактного окисления аммиака.

Также был изобретен метод, по которому в качестве основного сырья для производства кислоты использовался оксид азота, получаемый посредством дугового окисления соответствующего газа из атмосферы. Распространена точка зрения, по которой первый способ — более экономически рентабельный.

По мере совершенствования технологических подходов к выпуску азотной кислоты сформировался подход, по которому самый оптимальный вариант производства соответствующего вещества — задействование промышленной инфраструктуры, функционирующей под повышенным давлением. Альтернативный ему — производство кислоты при атмосферном давлении, который считается менее рентабельным, с экономической точки зрения.

Выпуск вещества при обычном или повышенном давлении предполагают производство азотной кислоты из аммиака. Есть и комбинированный метод, сочетающий преимущества двух других. Особенности производства азотной кислоты комбинированным методом заключаются, во-первых, в окислении аммиака при атмосферном давлении, а осуществление его абсорбции — при повышенном.

Аммиак считается сейчас основным сырьем для выпуска вещества, о котором идет речь, наряду с водой и атмосферным воздухом. Изучим специфику их применения в производстве кислоты подробнее.

Сырье для выпуска азотной кислоты

Итак, основное сырье, используемое в производстве рассматриваемого вещества — это аммиак, воздух, а также вода.

При этом требуется применение аммиака в очищенном виде. Для этого он в рамках различных производственных циклов очищается на специальном испарительном и дистилляционном оборудовании. Аналогично при выпуске азотной кислоты должен применяться и чистый воздух. Он также фильтруется с применением специального оборудования. В свою очередь, вода, которая используется при выпуске азотной кислоты, очищается от примесей и солей. Во многих случаях для получения рассматриваемого вещества необходимо задействовать чистый конденсат.

Изучим то, в каких разновидностях рассматриваемое вещество может быть представлено, а также то, каким образом производится каждый тип азотной кислоты.

Разновидности азотной кислоты и основные стадии ее выпуска

Существует 2 разновидности азотной кислоты, выпускаемой на современных промышленных предприятиях — разбавленная и концентрированная. Производство разбавленной азотной кислоты осуществляется в рамках 3 основных стадий:

• конверсии аммиака (конечный ее продукт — оксид азота);
• получение диоксида азота;
• осуществление абсорбции оксидов азота при использовании воды.

На современных промышленных предприятиях распространен выпуск разбавленной азотной кислоты в рамках так называемой схемы АК-72. Но есть, безусловно, и другие технологии выпуска данного вещества.

В свою очередь, производство концентрированной азотной кислоты может быть осуществлено посредством повышения уровня содержания соответствующего вещества в разбавленной форме либо посредством прямого синтеза. Первый метод, как правило, позволяет получить раствор кислоты в концентрации порядка 68 % , чего может быть недостаточно для применения рассматриваемого вещества в ряде областей. Поэтому также распространен метод прямого синтеза, позволяющий получить вещество в концентрации порядка 97-98 %.

Рассмотрим более подробно то, как осуществляется производство азотной кислоты в той или иной разновидности. Выше мы отметили, что выпуск разбавленного вещества может осуществляться по схеме АК-72. Изучим для начала ее специфику.

Производство разбавленной кислоты по технологии АК-72

Рассматриваемая схема, посредством которой осуществляется производство азотной кислоты, предполагает применение замкнутого цикла, сопровождающегося:

• конверсией аммиака;
• охлаждением сопутствующих газов по давлением порядка 0,42-0,47 Мпа:
• осуществлением абсорбции оксидов под давлением порядка 1,1-1,26 МПа.

Конечный продукт схемы АК-72 — азотная кислота в концентрации порядка 60%. Производство азотной кислоты в рамках рассматриваемой технологии осуществляется в рамках таких стадий, как:

• обеспечение поступления воздуха из атмосферы в промышленный агрегат и осуществление его очистки;
• сжатие воздуха, разделение его на технологические потоки;
• осуществление испарения аммиака, очистка соответствующего газа от масляных и иных примесей, а также последующее его нагревание;
• смешивание очищенного амиака и воздуха, последующая очистка данной смеси и передача ее на катализатор;
• получение нитрозных газов и их охлаждение;
• сбор конденсата с азотной кислотой;
• концентрация и абсорбция азотной кислоты;
• охлаждение и очистка получившегося продукта.

Готовая кислота направляется в хранилище или заказчику.

Наряду с рассматриваемой технологией, по которой осуществляется производство азотной кислоты — АК-72, применяется другая популярная концепция выпуска соответствующего вещества, которая предполагает обеспечение функционирования промышленной инфраструктуры под давлением порядка 0,7 МПа. Рассмотрим ее особенности.

Технология выпуска продукта под давлением 0,7 МПа: нюансы

Посредством технологии, о которой идет речь, осуществляется производство неконцентрированной азотной кислоты — как альтернатива концепции АК-72. Она предполагает реализацию следующих стадий выпуска рассматриваемого вещества.

Прежде всего, как и в предыдущей технологии, очищается атмосферный воздух. Для этого, как правило, применяется двухступенчатый фильтр. Далее воздух, прошешдий очистку, сжимается посредством воздушного компрессора — примерно до показателя 0,35 Мпа. При этом воздух нагревается — до температуры порядка 175 градусов, и его необходимо охладить. После того как данная задача решена, он направляется в область дополнительного сжатия, в которой его давление увеличивается примерно до 0,716 МПа. Формирующийся поток воздуха, в свою очередь, нагревается до высокой температуры — около 270 градусов посредством воздействия нитротных газов. После он смешивается с аммиаком в специальной области промышленного агрегата. Соответствующее вещество задействуется при выпуске кислоты изначально в газообразном состоянии, которое образуется вследствие испарения жидкости. Кроме того, аммиак должен быть очищен. После подготовки газ нагревается и подается в смеситель одновременно с воздухом. Данная смесь также фильтруется и после очистки подается на конверсию аммиака. Соответствующая процедура осуществляется с применением сеток из сплава платины и родия при очень высокой температуре — порядка 900 градусов. Уровень конверсии при этом составляет порядка 96%.

Производство слабой азотной кислоты по рассматриваемой технологии предполагает образование нитрозных газов. Они выводятся в специальную область промышленного агрегата, в котором охлаждаются. За счет этого происходит испарение очищенной воды и появление пара с высоким давлением. Проведенные через соответствующую область промышленного агрегата нитрозные газы перемещаются в окислитель. Стоит отметить, что их окисление частично происходит уже на предыдущей стадии производства кислоты. Но в окислителе оно становится еще более интенсивным. При этом нитрозные газы разогреваются до температуры порядка 335 градусов. Впоследствии они охлаждаются в специальном теплообменнике, а затем — направляются в конденсатор.

После этого образуется азотная кислота в слабой концентрации. От нее необходимо отделить оставшиеся нитрозные газы — для этого используется сепаратор. Из него азотная кислота подается в абсорбционную область промышленного агрегата. Кислота впоследствии перетекает в области аппарата, расположенные ниже. При этом она взаимодействует с оксидами азота, вследствие чего ее концентрация увеличивается. На выходе она составляет порядка 55-58 %. В ней, как правило, содержатся растворенные оксиды, которые необходимо извлечь: для этого вещество направляется в продувочную область агрегата. С помощью разогретого воздуха оксиды извлекаются из кислоты. Готовый продукт размещается на складе или отгружается заказчику.

Производство концентрированной кислоты: прямой синтез

Рассмотрев то, как осуществляется производство разбавленной азотной кислоты, изучим специфику выпуска концентрированного вещества. В числе самых экономически рентабельных технологий, задействуемых на предприятиях соответствующего профиля — получение кислоты посредством прямого синтеза из сырья в виде оксидов азота.

Сущность данного метода — в стимулировании химической реакции между указанным веществом, водой, а также кислородом под давлением порядка 5 МПа. Технология, по которой осуществляется производство азотной кислоты концентрированного типа на основе разбавленной, имеет нюанс: обеспечение перехода диоксида азота в жидкую форму возможно при давлении и температуре, близким к атмосферным. Однако, в некоторых реакциях концентрация соответствующего вещества недостаточна для его перевода в жидкое состояние при обычном давлении, и его приходится повышать.

Производство концентрированной кислоты на основе разбавленной

В данном случае предполагается концентрирование кислоты посредством абсорбирующих веществ — таких как серная, фосфорная кислоты, различные растворы нитратов. Основные стадии производства азотной кислоты концентрированного типа на основе разбавленной с применением серной кислоты следующие.

Сначала сырье делится на 2 потока: первый подается в испаритель, второй — попадает в холодную область промышленного агрегата. Серная кислота подается в область аппарата, расположенную выше второго потока разбавленной азотной кислоты. В нижнюю часть агрегата, в свою очередь, осуществляется подача пара, который нагревает используемую смесь, вследствие чего из нее испаряется азотная кислота. Ее пары поднимаются вверх по аппарату, после чего выводятся в холодильник. Там пары кислоты конденсируются — до тех пор, пока ее концентрация не достигнет 98-99 %.

При этом некоторая часть присутствующих в рамках данной стадии производства оксидов азота поглощается кислотой. Их необходимо извлечь из продукта: чаще всего в этих целях используются пары азотной кислоты, которые направляются в конденсатор. Извлеченные оксиды азота, а также пары кислоты, которые не образовали конденсата, направляются в другую область аппарата — на абсорбцию, где проходят обработку водой. В результате образуется разбавленная кислота, которая вновь подается на конденсирование и охлаждение. Готовый продукт направляется на склад или заказчику.

Особенности концентрирования с помощью серной кислоты

Основная задача, которая характеризует производство азотной кислоты в промышленности — осуществление рентабельного и эффективного ее концентрирования. Существует несколько подходов к выработке оптимальной схемы ее решения. Полезно будет рассмотреть те, что относятся к самым распространенным.

Выше мы отметили, что для концентрирования вещества, о котором идет речь, может применяться серная кислота. Существует довольно распространенный способ повышения эффективности ее применения — предварительное повышение концентрации азотной кислоты посредством выпаривания. Оптимально, что перед обработкой серной кислотой соответствующее вещество будет иметь концентрацию порядка 59-60 %. Стоит отметить, что на практике данная технология производства азотной кислоты характеризуется низким уровнем экологичности. Поэтому в качестве альтернативы применению серной кислоты распространено использование нитратов. Изучим их специфику подробнее.

Концентрирование с помощью нитратов

Чаще всего для решения рассматриваемой задачи, характеризующей производство азотной кислоты из аммиака, применяются нитраты магния или же цинка. Прежде всего он существенно более экологичен, чем метод, предполагающий использование серной кислоты. Кроме того, данная технология позволяет обеспечить самое высокое качество азотной кислоты как конечного продукта.

Вместе с тем у нее есть ряд недостатков, который предопределяют появление затруднений в повсеместном ее применении. Прежде всего — это довольно высокая себестоимость производственного процесса. Кроме того, данная технология во многих случаях предполагает появление твердых отходов, переработка которых может быть осложнена.

Применение катализаторов при выпуске азотной кислоты

Полезно будет рассмотреть то, какие еще вещества применяются наряду с основным сырьем для выпуска рассматриваемого продукта в промышленном (чаще всего в качестве таковых рассматриваются катализаторы) производстве азотной кислоты. Использование веществ, о которых идет речь, обусловлено необходимостью увеличения рентабельности выпуска кислоты, повышение динамики ее выхода на промышленном агрегате.

Главное требование к катализатору при производстве рассматриваемого продукта — избирательность действия. То есть он должен воздействовать на основную химическую реакцию, не затрагивая побочные процессы. Чаще всего в производстве кислоты задействуются катализаторы, в составе которых присутствует платина.

Выше мы отметили, что при выпуске слабоконцентрированного вещества при повышенном давлении задействуются катализаторы на основе платины и родия. В ряде случаев также применяются сплавы с добавлением палладия. Но основной металл в них — платина, ее содержание обычно составляет не менее 81%. Сущность катализатора в данном случае — стимулировать быстрое прохождение основной химической реакции. Как правило, она проходит в рамках внешнедиффузионного участка.

При этом процесс зависит от пределов диффузии кислорода относительно поверхности катализатора. Данная особенность обуславливает более высокую концентрацию аммиака — основного сырья для выпуска азотной кислоты, на поверхности того или иногда катализатора, если сравнивать соответствующий показатель с концентрацией на воздухе. Возможно увеличение удельного веса различных побочных реакций, при которых наблюдается неполное окисление и образование азота либо его оксида. В связи с этим кислород у поверхности должен находиться в количестве, достаточном для вытеснения аммиака. В этом случае удастся достичь достаточно глубокого окисления.

Можно отметить, что, наряду с платиновыми катализаторами, в производстве азотной кислоты также задействуются комбинированные вещества. В частности, железохромовые. Они позволяют существенно снизить экономические издержки, характеризующие выпуск рассматриваемого вещества.

Итак, мы рассмотрели способы производства азотной кислоты, выделили основные ее типы. То, сколько стадий производства азотной кислоты необходимо реализовать, зависит от ее разновидности, а также конкретной технологии выпуска соответствующего вещества. Полезно будет теперь рассмотреть то, какие сложности характеризуют промышленное производство данного востребованного во многих сферах экономики продукта.

Основные проблемы в производстве азотной кислоты

Итак, как мы уже знаем, производство азотной кислоты контактным способом — одним из самых распространенных в современной промышленности, предполагает задействование катализатора в целях ускорения окисления аммиака и увеличения выхода продукта. Основная проблема выпуска рассматриваемого продукта — достаточно высокая цена соответствующего катализатора. При этом его селективность не всегда достигает оптимальной величины. Кроме того, значительная часть платины, что используется в качестве основного элемента для катализатора, может теряться в ходе производства. В результате, опять же, снижается экономическая эффективность выпуска продукта.

Еще одна проблема, характеризующая производство азотной кислоты — экологическая. Выше мы отметили, что при концентрации сырья может использоваться серная кислота, и по факту прохождения соответствующего производственного цикла образуются вредные вещества. Альтернативой в данном случае может быть применение нитратов — но это, опять же, предполагает увеличение экономических издержек. Однако экологический фактор для современных производителей сегодня столь же значимый, как и уровень рентабельности производства.