Азотная кислота (HNO₃) является одним из ключевых продуктов химической промышленности. Она находит широкое применение в различных отраслях: от производства минеральных удобрений и взрывчатых веществ до создания органических красителей и технических солей. Мировые объёмы её выпуска постоянно увеличиваются и, по оценкам экспертов, уже превышают 150 миллионов тонн в год. Современные производственные агрегаты отличаются высокой единичной мощностью, часто достигающей 380 тысяч тонн и более. Промышленность выпускает два основных типа кислоты: разбавленную (с концентрацией 46-57%) и концентрированную (61-68% и 98.9%).
Технология получения разбавленной азотной кислоты
Основным методом производства разбавленной азотной кислоты является контактное окисление аммиака. Этот процесс происходит в несколько этапов. Сначала воздух проходит многоступенчатую очистку на специальных фильтрах, сжимается в турбокомпрессоре до давления 0.8 МПа и подаётся на окисление. Газообразный аммиак, предварительно нагретый до 150°C, смешивается с воздухом, нагретым до 270°C. Полученная аммиачно-воздушная смесь, содержащая до 11% NH₃ по объёму, проходит дополнительную очистку от механических примесей и поступает в контактный аппарат.
Ключевые стадии процесса
В контактном аппарате происходит экзотермическая реакция окисления аммиака на платиноидных катализаторах при температуре около 880°C (хотя реакция начинается уже при 180-200°C). Выход целевого продукта – оксида азота (NO) – достигает 96%. Выделяющееся в ходе реакции тепло утилизируется в котлах для получения водяного пара высокого давления (1.5-4.0 МПа). Далее оксид азота охлаждается и в окислительном аппарате при температуре ниже 100°C превращается в диоксид азота (NO₂).
Образовавшаяся смесь оксидов азота (нитрозные газы) при температуре 10-50°C поступает в абсорбционную колонну, где поглощается водой с образованием разбавленной азотной кислоты концентрацией до 65%. Эффективность абсорбции оксидов азота в современных установках достигает 99%.
Особенности катализаторов и экологические аспекты
Катализаторы окисления аммиака изготавливаются в виде сеток из сплавов платины, палладия и родия. Их состав и конструкция оптимизированы для работы при разных давлениях. Эти катализаторы чрезвычайно чувствительны к примесям, так называемым «каталитическим ядам» (соединения серы, фтора), а также к механическим загрязнениям. Срок их службы составляет 8-14 месяцев. Для минимизации потерь драгоценных металлов из газовых потоков и кислоты устанавливаются специальные фильтры, что позволяет улавливать до 85-90% платиновой пыли.
Важным аспектом современного производства является защита окружающей среды. Хвостовые газы из абсорбционной колонны, содержащие остаточные оксиды азота (до 0.11% по объёму), подвергаются каталитической очистке. Для этого их нагревают и направляют в камеру сжигания, где вредные выбросы нейтрализуются.
Факторы, влияющие на процесс, и получение концентрированной кислоты
Эффективность абсорбции диоксида азота напрямую зависит от давления. При атмосферном давлении поглощается 92-93% нитрозных газов с получением кислоты концентрацией около 50%. При повышении давления до 0.6-0.8 МПа степень абсорбции возрастает до 98-99%, что позволяет получать кислоту с концентрацией 58-60%.
Концентрированную азотную кислоту получают другими методами. Основным является прямой синтез из жидких оксидов азота, воды и газообразного кислорода под высоким давлением (до 5 МПа). Альтернативный способ – концентрирование слабой кислоты путём её упаривания до 68% с последующим использованием водоотнимающих агентов, таких как концентрированная серная кислота или нитрат магния.