Лекция № 6 Получение концентрированной азотной кислоты.
Вопросы.
1. Общая характеристика методов получения концентрированной азотной кислоты.
2. Получение концентрированной азотной кислоты из разбавленных растворов.
3. Прямой синтез концентрированной азотной кислоты.
3.1. Физико-химические основы метода.
3.2. Основные стадии.
3.3. Технологическая схема производства концентрированной азотной кислоты прямым синтезом.
4. Перспективы развития азотнокислотного производства.
1. Общая характеристика методов получения концентрированной азотной кислоты.
Для производства взрывчатых веществ, некоторых пластических масс, красителей и т.д. требуется концентрированная кислота (98)% кислота. Азотную кислоту такой концентрации можно получить двумя способами:
– либо концентрированием разбавленной кислоты,
– либо прямым синтезом.
Рассмотрим особенности первого метода – получение из разбавленной азотной кислоты. Отгонкой воды из разбавленной азотной кислоты можно получить лишь 68%-й раствор, поскольку именно при такой концентрации образуется азеотропная смесь, то есть получить раствор концентрации выше 68% этим методом невозможно. Поэтому концентрирование проводят не выпариванием растворителя, а с применением водоотнимающих средств (ВОС). В качестве водоотнимающих средств используются следующие вещества:
– концентрированная (92 – 94) %–я серная кислота,
– нитрат магния.
Рассмотрим особенности второго метода – прямого синтеза. Сущность прямого синтеза заключается в том, что процесс протекает по уравнению реакции:
2N2O4 + 2H2O + O2 = 4HNO3 ∆H = + 59,5 КДж
В действительности поглощение димера диоксида азота осуществляется разбавленной (55%–й) азотной кислотой. Процесс осуществляется в автоклаве при t = 90ºС и Р = 5 МПа. В автоклаве получается так называемый нитроолеум HNO3· nNO2, содержащий до 25% NO2. После отдувки диоксида азота получается 97 – 98 %-я HNO3.
Следует отметить, что в прямом синтезе большие энергозатраты: высокое давление, требуется расход пара, кислорода, воды.
Экономичнее пока получение концентрированной азотной кислоты из разбавленной
Но прямой синтез в настоящее время также находит значительное применение.
2. Получение концентрированной азотной кислоты из разбавленных растворов.
Если в качестве водоотнимающего средства используется концентрированная кислота (купоросное масло), то понижается давление водяных паров над раствором, в то время как давление паров азотной кислоты почти не изменяется. Поэтому при нагревании будет отгоняться азотная кислота. Объясняется это тем, что серная кислота образует гидраты и кипит при более высокой температуре, чем 100%-я азотная кислота.
Концентрирование азотной кислоты при помощи купоросного масла проводят в тарельчатых дистилляционных колоннах из ферросилида, тарелки колонн снабжены колпачками и переливными трубами.
Применяют также колонны с насадкой из колец. Производительность таких колонн выше, чем тарельчатых, вследствие меньшего сопротивления аппарата газовому потоку.
Смешение купоросного масла и разбавленной азотной кислоты проводится чаще всего непосредственно в колонне. В некоторых установках это делают предварительно.
Смесь нагревают острым паром.
Схема установки для концентрирования с помощью купоросного масла изображена на Рис. 12
Рис.12. Схема установки концентрирования азотной купоросным маслом.
1 – испаритель; 2 – концентрационная колонна; 3 – конденсатор-холодильник; 4 – холодильник азотной кислоты; 5 – абсорбционная колонна; 6 – вентилятор.
Недостатком метода является высокое содержание паров тумана серной кислоты, что требует тщательной и дорогостоящей очистки.
Концентрирование с помощью нитрата магния не имеет указанных недостатков. Отсюда и преимущества концентрирования раствора азотной кислоты с использованием в качестве водоотнимающего средства Mg(NO3)2. Получается чистая высококонцентрированная азотная кислота, производство которой без вредных выбросов в атмосферу.
Схема концентрирования при помощи нитрата магния представлены на Рис. 13
Рис.13. Схема установки концентрирования азотной кислоты
нитратом магния.
1 – отпарная колонна; 2 – кипятильник; 3 – дистилляционная колонна; 4 – холодильник-конденсатор; 5 – барометрический конденсатор; 6 – вакуум-испаритель; 7 – подогреватель раствора нитрата магния; 8 – насос.
В отличие от концентрирования купоросным маслом в донной схеме достигается замкнутая циркуляция водоотнимающего средства без вывода его из схемы на концентрирование.