Серная кислота и основные рынки их потребления

9. Азотная кислота. Сырьё и способы производства. Виды, сорта и свойства. Главные потребители

Азотная кислота — одна из важнейших минеральных кислот, широко применяется в промышленно­сти и в других отраслях народного хозяйства. По мас­штабам производства она занимает второе место после серной кислоты.

Чистая азотная кислота HN0₃ — бесцветная жидкость с резким запахом, имеет плотность 1,51 г/см³, температуру кипения 86 °С и температуру замерзания

-42°С. На воздухе «дымит», образуя на поверхности мелкие капельки тумана. Под действием света азотная кислота постепенно разлагается с выделением диоксида азота N0₂, который, растворяясь в кислоте, изменяет ее цвет от желтоватого до буро-красного. С повышением температуры и концентрации процесс разложения кислоты ускоряется. Плотность, температура кипения и замерзания зависят от концентрации кислоты. Концентрированная азотная кислота обладает высокой окислительной способностью, превращая большинство металлов в соответствующие оксиды и нитраты, а неметаллы — в их кислоты.

Под действием азотной кислоты некоторые органические вещества разрушаются, часть из них при соприкосновении с кислотой воспламеняется.

Смесь, состоящая из 1-го объема азотной кислоты и 3-х объемов концентрированной соляной кислоты, называется царской водкой. Царская водка растворяет металлы, не взаимодействующие с азотной кислотой, в том числе и золото. Соли азотной кислоты (нитраты) растворяются в воде, а при нагревании разлагаются с выделением кислорода. На концентрацию и качество азотной кислоты большое влияние оказывает способ производства. Для промышленного производства товарных видов азотной кислоты применяются способы, основанные на процессах каталитического окисления аммиака, а также последующей переработке полученных оксидов азота. Наша промышленность выпускает три сорта разбавленной азотной кислоты с концентрацией 55, 47 и 45% под названием «Кислота азотная неконцентрированная» и два сорта концентрированной с концентрацией 98 и 97% под названием «Кислота азотная концентрированная методом прямого синтеза» и «Азотная кислота концентрированная методом концентрирования».

Основными технологическими этапами производства разбавленной азотной кислоты являются:

— контактное окисление аммиака кислородом воздуха

4NH₃ + 50₂ = 4NO + 6 Н₂0 + Q;

— окисление оксида азота до диоксида

2 N0 + 0₃ = 2N0₂ + Q;

— поглощение (абсорбция) диоксида азота водой

ЗNO₂ + Н₂0 = 2НNO₃, + N0 + Q.

Процесс окисления аммиака может протекать с образованием не только оксида азота, но и других продуктов окисления (NО₂ и N₂). Для получения в качестве основного продукта окисления аммиака оксида азота, который легко окисляется до диоксида и снова растворяется в воде, используют катализаторы из сплавов на основе платины, обладающие избирательной способностью. Платиновые катализаторы выполняются в виде сеток из тонкой проволоки. Для снижения расхода платины и повышения прочности сеток к платине добавляют палладий и родий.

Повышение температуры окисления аммиака способствует увеличению скорости протекания процесса и коэффициента диффузии, аммиака в смеси. Однако применение температур более 800—850°С снижает выход оксида азота, способствует появлению других вредных побочных реакций. С повышением давления снижается объем газовой смеси и повышается производительность процесса. Однако при повышенном давлении увеличивается износ катализатора и стоимость товарной кислоты. На качество окисления аммиака влияют время контактирования аммиачно-воздушной смеси с катализатором и состав смеси. Оптимальное время контактирования 0,0001— 0,0002 с. Применение воздуха, обогащенного кислородом, позволяет повысить содержание аммиака в смеси до 12—12,5%. Окисление оксида азота до диоксида протекает при температуре ниже 150 °С и сопровождается уменьшением газового объема и выделением значитель­ного количества тепла. Поэтому понижение температуры и увеличение давления служат резервом повышения эффективности этого процесса. В схемах производства, работающих при атмосферном давлении, оксид азота окисляется примерно на 92%; при увеличении давления снижается объем аммиачно-воздушной смеси и скорость реакции окисления, степень окисления оксида повышается до 98—99%. Завершающим этапом процесса производства азотной кислоты является абсорбция диоксида азота водой, который также ускоряется с понижением температуры и повышением давления.

Процесс переработки полученных оксидов азота (нитрозных газов) в азотную кислоту протекает при температуре 20—30°С.

В настоящее время для экономии платиновых катализаторов и расхода электроэнергии, а также достижения высокой степени переработки оксидов азота при производстве разбавленной азотной кислоты используют комбинированные системы, в которых окисление аммиака производится при атмосферном давлении, а окисление оксида азота до диоксида и растворение диоксида в воде — при повышенном давлении.

Концентрированную азотную кислоту получают двумя способами: концентрированием разбавленной кислоты и методом прямого синтеза. Сущность способа концентрирования заключается в том, что разбавленную азотную кислоту упаривают перегонкой ее с концентрированной серной кислотой, являющейся водоотнимающим средством. Концентрированная серная кислота, соединяясь с водой азотной кислоты, образует гидраты серной кислоты с более высокой температурой кипения, чем азотная кислота. Пары азотной кислоты, получаемые в процессе упаривания, после конденсации образуют 97%-ную кислоту. Основным недостатком способа концентрирования является большой расход топлива, потери части серной кислоты и др.

Более перспективным является метод прямого синтеза:

2N₂0₄ + 2Н₂0 + 0₂ = 4НNОз + Q, основанный на получении концентриро­ванной азотной кислоты из жидкого диоксида азота, воды и кислорода з специальных автоклавах при температуре около 75 °С и давлении 5 МПа. Жидкий диоксид азота получают конденсацией NО₂ из нитрозных газов охлаждением при высоком давлении: 2N0₂→N₂0₄.

Важнейшим потребителем разбавленной азотной кислоты являются предприятия, производящие азотосодержащие минеральные удобрения: нитрат натрия (натриевую селитру), нитрат калия (калиевую селитру), сульфат аммония, хлористый аммоний, аммианаты, нитрат аммония (аммиачную селитру) и др., серную кислоту нитрозным способом.

Концентрированная азотная кислота, так же как и разбавленная, применяется для производства минеральных удобрений, а также взрывчатых веществ, синтетических красителей, различных пластических масс, нитроцеллюлозы и нитро лаков, фото- и кинопленки, химических волокон, при производстве цветных металлов, а также других химических соединений, кислот, солей и т. п. Азотная кислота используется как эффективный окислитель во многих химических процессах.

Таблица 10.4