Sản xuất axit nitric trong công nghiệp: công nghệ, công đoạn, tính năng

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 10:44

Axit nitric là một trong những loại nguyên liệu công nghiệp được yêu cầu nhiều nhất. Việc sản xuất nó có thể được thực hiện bằng các phương pháp khác nhau - tùy thuộc vào loại axit cần được cung cấp cho khách hàng. Bản chất của các công nghệ liên quan là gì? Làm thế nào để họ so sánh với loại axit nitric được sản xuất tại nhà máy?

Công nghiệp sản xuất axit nitric: lịch sử phát triển công nghệ

Trước hết, sẽ rất hữu ích khi nghiên cứu các sự kiện lịch sử về cách sản xuất axit nitric phát triển ở Nga. Trong ngành công nghiệp trong nước, việc phát hành chất này, theo thông tin sẵn có, được khởi xướng dưới thời Peter I. Sau đó, M. V. Lomonosov đề xuất một phương pháp sản xuất axit nitric từ muối - chất này thực sự được coi là nguyên liệu chính để sản xuất. chất được đề cập cho đến đầu thế kỷ 20.

Cùng với S altpeter, việc sản xuất axit nitric trong công nghiệp đã được thực hiện bằng cách sử dụng axit sunfuric. Hai chất đang xét, tương tác với nhau, tạo thành axit nitric và natri lưu huỳnh oxit. Lợi thế của điều nàyphương pháp này là khả năng thu được axit nitric ở nồng độ khoảng 96-98% (tùy thuộc vào việc sử dụng nguyên liệu có chất lượng theo yêu cầu).

Công nghệ tương ứng đã được cải tiến tích cực - có lợi cho việc tăng tốc độ xử lý nguyên liệu thô và đảm bảo sản lượng sản phẩm lớn hơn. Nhưng dần dần nó đã nhường chỗ cho khái niệm rằng việc sản xuất axit nitric được thực hiện thông qua quá trình oxy hóa tiếp xúc với amoniac.

Ngoài ra, một phương pháp đã được phát minh trong đó oxit nitric, thu được bằng quá trình oxy hóa hồ quang của khí tương ứng từ khí quyển, được sử dụng làm nguyên liệu chính để sản xuất axit. Có một quan điểm rộng rãi rằng phương pháp đầu tiên tiết kiệm chi phí hơn.

Với việc cải tiến các phương pháp tiếp cận công nghệ để sản xuất axit nitric, một phương pháp đã được hình thành theo đó phương án tối ưu nhất để sản xuất chất tương ứng là sử dụng cơ sở hạ tầng công nghiệp hoạt động dưới áp suất cao. Một giải pháp thay thế cho nó là sản xuất axit ở áp suất khí quyển, được coi là ít sinh lợi hơn theo quan điểm kinh tế.

Việc giải phóng một chất ở áp suất bình thường hoặc áp suất cao liên quan đến việc sản xuất axit nitric từ amoniac. Ngoài ra còn có một phương pháp kết hợp kết hợp những ưu điểm của hai phương pháp kia. Đặc điểm của việc sản xuất axit nitric bằng phương pháp kết hợp, trước hết là trong quá trình oxy hóa amoniac ở áp suất khí quyển và thực hiện quá trình hấp thụ của nó - tạităng lên.

Amoniac hiện được coi là nguyên liệu chính để giải phóng chất được đề cập, cùng với nước và không khí. Hãy cùng nghiên cứu chi tiết hơn về việc sử dụng chúng trong sản xuất axit.

Nguyên liệu cung cấp axit nitric

Vì vậy, nguyên liệu chính được sử dụng để sản xuất chất được đề cập là amoniac, không khí và nước.

Điều này yêu cầu sử dụng amoniac tinh khiết. Để làm được điều này, nó được tinh chế trong thiết bị chưng cất và bay hơi đặc biệt trong khuôn khổ các chu trình sản xuất khác nhau. Tương tự, phải sử dụng không khí sạch khi thải axit nitric. Nó cũng được lọc bằng thiết bị đặc biệt. Đổi lại, nước được sử dụng trong sản xuất axit nitric được tinh chế khỏi các tạp chất và muối. Trong nhiều trường hợp, phải sử dụng nước ngưng tinh khiết để thu được chất được đề cập.

Hãy nghiên cứu những loại chất được đề cập có thể được trình bày, cũng như cách mỗi loại axit nitric được sản xuất.

Các loại axit nitric và các giai đoạn chính của quá trình phát hành nó

Có 2 loại axit nitric được sản xuất trong các nhà máy công nghiệp hiện đại - pha loãng và cô đặc. Quá trình sản xuất axit nitric loãng được thực hiện trong 3 giai đoạn chính:

• chuyển đổi amoniac (sản phẩm cuối cùng của nó là oxit nitric);
• sản xuất nitơ đioxit;
• thực hiện quá trình hấp thụ các oxit nitơ tạisử dụng nước.

Việc sản xuất axit nitric loãng phổ biến trong các doanh nghiệp công nghiệp hiện đại theo cái gọi là đề án AK-72. Nhưng tất nhiên, có những công nghệ khác để giải phóng chất này.

Ngược lại, quá trình sản xuất axit nitric đậm đặc có thể được thực hiện bằng cách tăng mức độ của chất tương ứng ở dạng loãng hoặc thông qua tổng hợp trực tiếp. Theo nguyên tắc, phương pháp đầu tiên có thể thu được dung dịch axit ở nồng độ khoảng 68%, nồng độ này có thể không đủ để ứng dụng chất được đề cập trong một số lĩnh vực. Do đó, phương pháp tổng hợp trực tiếp cũng phổ biến, giúp thu được một chất có nồng độ khoảng 97-98%.

Chúng ta hãy xem xét kỹ hơn cách axit nitric được sản xuất ở dạng này hay dạng khác. Ở trên, chúng tôi đã lưu ý rằng việc giải phóng chất pha loãng có thể được thực hiện theo sơ đồ AK-72. Hãy nghiên cứu chi tiết cụ thể của nó trước.

Sản xuất axit loãng bằng công nghệ AK-72

Đề án được xem xét, qua đó sản xuất axit nitric được thực hiện, liên quan đến việc sử dụng một chu trình khép kín, kèm theo:

• chuyển đổi amoniac;
• làm lạnh khí đồng hành ở áp suất khoảng 0,42-0,47 MPa:
• thực hiện quá trình hấp thụ các oxit dưới áp suất có bậc 1,1-1,26 MPa.

Sản phẩm cuối cùng của đề án AK-72 là axit nitric với nồng độ khoảng 60%. Sản xuất axit nitric trongcông nghệ đang được xem xét được thực hiện trong khuôn khổ các giai đoạn như:

• đảm bảo hút không khí từ bầu khí quyển vào đơn vị công nghiệp và làm sạch nó;
• nén không khí, tách nó thành các dòng công nghệ;
• bay hơi của amoniac, thanh lọc khí tương ứng từ dầu và các tạp chất khác, cũng như quá trình sưởi ấm sau đó của nó;
• trộn amoniac tinh khiết và không khí, sau đó sẽ làm sạch hỗn hợp này và chuyển nó sang chất xúc tác;
• thu được khí nitơ và làm mát chúng;
• thungưng tụ với axit nitric;
• nồng độ và sự hấp thụ của axit nitric;
• làm mát và làm sạch sản phẩm thu được.

Axit thành phẩm được gửi đến kho hoặc khách hàng.

Cùng với công nghệ đang được xem xét để sản xuất axit nitric - AK-72, một khái niệm phổ biến khác để giải phóng chất tương ứng được sử dụng, liên quan đến việc đảm bảo hoạt động của cơ sở hạ tầng công nghiệp ở áp suất khoảng 0,7 MPa. Xem xét các tính năng của nó.

Công nghệ phát hành sản phẩm dưới áp suất 0,7 MPa: sắc thái

Công nghệ được đề cập tạo ra axit nitric không đậm đặc như một giải pháp thay thế cho khái niệm AK-72. Nó liên quan đến việc thực hiện các giai đoạn sau để giải phóng chất được đề cập.

Trước hết, như trong công nghệ trước đây, không khí trong khí quyển được làm sạch. Đối với mục đích này, theo quy tắc, bộ lọc hai giai đoạn được sử dụng. Hơn nữa, không khí đã được làm sạch được nénbằng máy nén khí - lên đến xấp xỉ 0,35 MPa. Trong trường hợp này, không khí được làm nóng - lên đến nhiệt độ khoảng 175 độ, và nó phải được làm mát. Sau khi vấn đề này được giải quyết, nó sẽ chuyển sang vùng nén bổ sung, trong đó áp suất của nó tăng lên xấp xỉ 0,716 MPa. Đến lượt mình, luồng không khí tạo thành được làm nóng đến nhiệt độ cao - khoảng 270 độ nhờ tác dụng của khí nitơ. Sau đó, nó được trộn với amoniac trong một khu vực đặc biệt của đơn vị công nghiệp. Chất tương ứng được kích hoạt khi axit được giải phóng ban đầu ở trạng thái khí, chất này được tạo thành do sự bay hơi của chất lỏng. Ngoài ra, amoniac phải được làm sạch. Sau khi chuẩn bị, khí được đốt nóng và đưa vào máy trộn đồng thời với không khí. Hỗn hợp này cũng được lọc và sau khi tinh chế, được đưa vào quá trình chuyển hóa thành amoniac. Quy trình tương ứng được thực hiện bằng cách sử dụng lưới hợp kim platin và rhodi ở nhiệt độ rất cao - khoảng 900 độ. Tỷ lệ chuyển đổi là khoảng 96%.

Sản xuất axit nitric yếu theo công nghệ đang được xem xét liên quan đến việc hình thành khí nitơ. Chúng được đưa đến một khu vực đặc biệt của đơn vị công nghiệp, trong đó chúng được làm mát. Do đó, nước tinh khiết bay hơi và xuất hiện hơi nước với áp suất cao. Được đưa ra ngoài qua khu vực thích hợp của đơn vị công nghiệp, khí nitơ di chuyển vào chất oxy hóa. Cần lưu ý rằng quá trình oxy hóa của chúng đã xảy ra một phần ở phần trướccác bước sản xuất axit. Nhưng trong chất oxy hóa nó còn trở nên mãnh liệt hơn. Trong trường hợp này, khí nitơ được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 335 độ. Sau đó, chúng được làm mát trong một bộ trao đổi nhiệt đặc biệt, và sau đó chúng được đưa đến bình ngưng.

Sau đó, axit nitric được hình thành ở nồng độ yếu. Cần phải tách các khí nitơ còn lại ra khỏi nó - một thiết bị tách được sử dụng cho việc này. Từ đó, axit nitric được đưa vào khu vực hấp thụ của đơn vị công nghiệp. Sau đó, axit chảy vào các khu vực của thiết bị bên dưới. Đồng thời, nó tương tác với các oxit nitơ, kết quả là nồng độ của nó tăng lên. Ở sản lượng, nó là khoảng 55-58%. Nó thường chứa các oxit hòa tan phải được loại bỏ: đối với điều này, chất được gửi đến khu vực thanh lọc của thiết bị. Với sự trợ giúp của không khí được làm nóng, các oxit được chiết xuất từ axit. Thành phẩm được đặt trong kho hoặc vận chuyển cho khách hàng.

Sản xuất axit đậm đặc: tổng hợp trực tiếp

Sau khi xem xét quá trình sản xuất axit nitric loãng được thực hiện như thế nào, chúng ta sẽ nghiên cứu các chi tiết cụ thể của việc giải phóng một chất đậm đặc. Sản xuất axit bằng cách tổng hợp trực tiếp từ nguyên liệu thô ở dạng oxit nitơ là một trong những công nghệ tiết kiệm chi phí nhất được sử dụng tại các doanh nghiệp có liên quan.

Bản chất của phương pháp này là kích thích phản ứng hóa học giữa chất xác định, nước và oxy dưới áp suất khoảng 5 MPa. Công nghệ sản xuất axit nitric được thực hiệnloại đậm đặc trên cơ sở loãng, có một sắc thái: đảm bảo có thể chuyển nitơ đioxit thành dạng lỏng ở áp suất và nhiệt độ gần với khí quyển. Tuy nhiên, trong một số phản ứng, nồng độ của chất tương ứng không đủ để chuyển nó sang trạng thái lỏng ở áp suất bình thường và nó phải được tăng lên.

Sản xuất axit đậm đặc dựa trên axit loãng

Trong trường hợp này, người ta cho rằng axit được cô đặc bằng các chất hấp thụ - chẳng hạn như axit sunfuric, axit photphoric, các dung dịch nitrat khác nhau. Các bước chính trong sản xuất axit nitric đậm đặc dựa trên axit sunfuric loãng như sau.

Đầu tiên, nguyên liệu thô được chia thành 2 luồng: luồng thứ nhất được đưa vào thiết bị bay hơi, luồng thứ hai - đi vào khu vực lạnh của cụm công nghiệp. Axit sulfuric được đưa vào vùng của thiết bị phía trên dòng axit nitric loãng thứ hai. Đổi lại, hơi nước được cung cấp đến phần dưới của thiết bị, làm nóng hỗn hợp được sử dụng, do đó axit nitric bay hơi khỏi nó. Hơi của cô bốc lên trong thiết bị, sau đó chúng được đưa vào tủ lạnh. Tại đó, hơi axit sẽ ngưng tụ - cho đến khi nồng độ của nó đạt 98-99%.

Đồng thời, một số oxit nitơ có trong giai đoạn sản xuất này bị axit hấp thụ. Chúng phải được chiết xuất từ sản phẩm: thông thường, hơi axit nitric được sử dụng cho mục đích này, được đưa đến thiết bị ngưng tụ. Các oxit nitơ được chiết tách, cũng như hơi axit không tạo thành chất ngưng tụ, được đưa đến một khu vực khác của thiết bị - để hấp thụ, nơi chúng được xử lý bằng nước. Kết quả là, axit loãng được hình thành, một lần nữa được đưa vào quá trình ngưng tụ và làm mát. Thành phẩm được gửi đến kho hoặc cho khách hàng.

Đặc điểm của nồng độ với axit sulfuric

Nhiệm vụ chính đặc trưng cho việc sản xuất axit nitric trong công nghiệp là thực hiện nồng độ hiệu quả và tiết kiệm chi phí của nó. Có một số cách tiếp cận để phát triển một sơ đồ tối ưu để giải quyết nó. Sẽ rất hữu ích nếu bạn xem xét những thứ phổ biến nhất.

Chúng tôi đã lưu ý ở trên rằng axit sunfuric có thể được sử dụng để cô đặc chất được đề cập. Có một cách khá phổ biến để tăng hiệu quả sử dụng - tăng nồng độ axit nitric sơ bộ thông qua bay hơi. Một cách tối ưu, trước khi xử lý bằng axit sulfuric, chất tương ứng sẽ có nồng độ khoảng 59-60%. Cần lưu ý rằng trong thực tế, công nghệ sản xuất axit nitric này được đặc trưng bởi mức độ thân thiện với môi trường thấp. Do đó, để thay thế cho việc sử dụng axit sunfuric, việc sử dụng nitrat là phổ biến. Hãy nghiên cứu chi tiết cụ thể hơn về chúng.

Nồng độ nitrat

Thông thường, magiê hoặc kẽm nitrat được sử dụng để giải quyết vấn đề đang được xem xét, đặc trưng cho việc sản xuất axit nitric từ amoniac. Trước hết, nó thân thiện với môi trường hơn đáng kể so với phương phápliên quan đến việc sử dụng axit sunfuric. Ngoài ra, công nghệ này đảm bảo chất lượng axit nitric cao nhất khi là sản phẩm cuối cùng.

Đồng thời, nó có một số thiếu sót, điều này khiến cho việc áp dụng rộng rãi của nó xuất hiện trước những khó khăn. Trước hết, đây là một chi phí khá cao của quá trình sản xuất. Ngoài ra, công nghệ này trong nhiều trường hợp liên quan đến việc sản xuất chất thải rắn, quá trình xử lý chúng có thể phức tạp.

Sử dụng chất xúc tác trong sản xuất axit nitric

Sẽ rất hữu ích khi xem xét những chất nào khác được sử dụng cùng với nguyên liệu chính để sản xuất sản phẩm được đề cập trong sản xuất axit nitric (thường được coi là chất xúc tác như vậy) trong công nghiệp. Việc sử dụng các chất được đề cập là do nhu cầu tăng lợi nhuận của việc sản xuất axit, tăng tính năng động của sản lượng tại một đơn vị công nghiệp.

Yêu cầu chính đối với chất xúc tác trong quá trình sản xuất sản phẩm được đề cập là tính chọn lọc của hoạt động. Tức là nó phải ảnh hưởng đến phản ứng hóa học chính mà không ảnh hưởng đến các quá trình phụ. Thông thường, chất xúc tác được sử dụng trong sản xuất axit, có chứa bạch kim.

Ở trên, chúng tôi đã lưu ý rằng khi một chất có nồng độ yếu được giải phóng ở áp suất cao, các chất xúc tác dựa trên platin và rhodi được sử dụng. Trong một số trường hợp, các hợp kim có bổ sung palađi cũng được sử dụng. Nhưng kim loại chính trong chúng làbạch kim, hàm lượng của nó thường không nhỏ hơn 81%. Bản chất của chất xúc tác trong trường hợp này là kích thích phản ứng hóa học chính diễn ra nhanh chóng. Theo quy luật, nó đi trong phần khuếch tán bên ngoài.

Quá trình phụ thuộc vào giới hạn khuếch tán oxy so với bề mặt chất xúc tác. Đặc điểm này làm cho nồng độ amoniac, nguyên liệu chính để sản xuất axit nitric, trên bề mặt của một hoặc đôi khi chất xúc tác, cao hơn khi so sánh với nồng độ trong không khí. Có thể tăng trọng lượng riêng của các phản ứng phụ khác nhau trong đó quan sát thấy quá trình oxy hóa không hoàn toàn và sự hình thành nitơ hoặc oxit của nó. Về vấn đề này, oxy gần bề mặt phải có một lượng đủ để thay thế amoniac. Trong trường hợp này, có thể đạt được độ oxy hóa đủ sâu.

Có thể lưu ý rằng, cùng với chất xúc tác bạch kim, các chất kết hợp cũng tham gia vào quá trình sản xuất axit nitric. Đặc biệt, sắt-crom. Chúng có thể giảm đáng kể chi phí kinh tế đặc trưng cho việc sản xuất chất được đề cập.

Vì vậy, chúng tôi đã xem xét các phương pháp sản xuất axit nitric, xác định các loại chính của nó. Cần thực hiện bao nhiêu giai đoạn sản xuất axit nitric phụ thuộc vào loại của nó, cũng như công nghệ cụ thể để giải phóng chất tương ứng. Bây giờ sẽ hữu ích nếu bạn xem xét những khó khăn nào đặc trưng cho sản xuất công nghiệp của sản phẩm này, sản phẩm đang có nhu cầu ở nhiều khu vực của nền kinh tế.

Các vấn đề chính trongsản xuất axit nitric

Vì vậy, như chúng ta đã biết, sản xuất axit nitric bằng phương pháp tiếp xúc - một trong những phương pháp phổ biến nhất trong ngành công nghiệp hiện đại, liên quan đến việc sử dụng chất xúc tác để đẩy nhanh quá trình oxy hóa amoniac và tăng sản lượng của sản phẩm. Vấn đề chính trong quá trình sản xuất sản phẩm đang được xem xét là giá chất xúc tác tương ứng khá cao. Tuy nhiên, không phải lúc nào độ chọn lọc của nó cũng đạt giá trị tối ưu. Ngoài ra, một phần đáng kể bạch kim được sử dụng làm nguyên tố chính cho chất xúc tác có thể bị mất trong quá trình sản xuất. Kết quả là, một lần nữa, hiệu quả chi phí của đầu ra của sản phẩm giảm xuống.

Một vấn đề khác đặc trưng cho việc sản xuất axit nitric là môi trường. Ở trên, chúng tôi đã lưu ý rằng có thể sử dụng axit sunfuric với nồng độ nguyên liệu thô, khi đi qua chu trình sản xuất tương ứng sẽ hình thành các chất độc hại. Một giải pháp thay thế trong trường hợp này có thể là sử dụng nitrat - nhưng điều này, một lần nữa, ngụ ý làm tăng chi phí kinh tế. Tuy nhiên, yếu tố môi trường đối với các nhà sản xuất hiện đại ngày nay cũng quan trọng như mức độ lợi nhuận của sản xuất.