Сырьё для производства азотной кислоты

Сырьё является одним из основных элементов, определяющих в значительной степени технологию производства, себестоимость и качество продукта. Сырьем называют природные материалы и полупродукты, используемые в производстве промышленных продуктов. Потребности развивающейся химической промышленности в разнообразном, доступном и дешевом сырье постоянно заставляют вводить в производство новые виды сырья.

Основным сырьем для производства неконцентрированной азотной кислоты в настоящее время являются аммиак, воздух и вода (таблица). Вспомогательными материальными и энергетическими ресурсами являются катализаторы окисления аммиака и очистки выхлопных газов, природный газ, пар и электроэнергия.

Аммиак в обычных условиях представляет собой бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворим в воде и других растворителях, образует гемии моногидраты. Поворотным этапом в развитии производства синтетического аммиака явилось применение главенствующего сейчас в промышленности метода получения водорода конверсией метана, содержащегося в природном газе, в попутных нефтяных газах и продуктах нефтепереработки.

Характеристика сырья для получения азотной кислоты.

При обычных условиях аммиак в воздухе не горит, но самовоспламеняется при 780 °C и при определенных соотношениях с воздухом образует взрывоопасные смеси. При атмосферном давлении и 18 °C аммиачно-воздушные смеси могут взрываться при содержании аммиака в пределах 16,1−26,6 объемных %. В кислороде аммиак горит зеленоватым пламенем.

Основной метод промышленного производства аммиака — синтез из водорода и азота: N₂ + 3Н₂ — NН₃ + 92 кДж. Реакцию ведут при температуре 500 °C, компенсируя вызываемый этим сдвиг равновесия влево повышенным давлением от 15 до 100 МПа. Ускорения процесса добиваются применением катализаторов, наилучшим из которых является определённым образом приготовленное пористое железо, содержащее небольшие количества оксидов алюминия, калия, кальция и кремния.

Все промышленные установки синтеза аммиака работают с использованием принципа циркуляции: после реакции смесь газов охлаждается, содержащийся в ней аммиак конденсируется и отделяется, а непрореагировавшие азот и водород смешиваются со свежей порцией газов, снова подаются на катализатор и т. д. Наибольшее распространение получили системы, работающие при среднем давлении (30 МПа); в экономическом отношении они наиболее целесообразны.

Жидкий аммиак перевозят в специальных железнодорожных цистернах под давлением до 1,6 МПа, а хранят в резервуарах (танках), рассчитанных на рабочее давление не выше 1,6 МПа.

Содержание примесей в жидком аммиаке регламентируется ГОСТ 6221–82. Наиболее типичными примесями являются вода, смазочные масла, катализаторная пыль, окалина, карбонат аммония, растворенные газы (водород, азот, метан). При нарушении ГОСТ содержащиеся в аммиаке примеси могут попасть в аммиачно-воздушную смесь и снизить выход оксида азота (II), а водород и метан могут изменить пределы взрываемости АВС.

Для технических расчетов принимают, что сухой воздух содержит [%, об]: N₂ — 78,1, О₂ — 21,0, Ar₂ — 0,9; Н₂О — 0,1−2,8. В воздухе могут присутствовать также следы SO₂, NH₃, CO₂. В районе промышленных площадок воздух загрязнен пылью различного происхождения, а также разнообразными компонентами неорганизованных газовых выбросов (SO₂, SO₃, H₂S, С₂H₂, Cl₂ и др.). Количество пыли в воздухе составляет 0,5−1,0 мг/м³.

Вода используется в производстве азотной кислоты для орошения абсорбционной колонны, для выработки пара при утилизации тепла в котлах-утилизаторах, для охлаждения реакционных аппаратов. Для абсорбции оксидов азота используют чаще всего паровой конденсат и химически очищенную воду. В некоторых схемах разрешено применять конденсат сокового пара аммиачной селитры. В любом случае вода, используемая для орошения колонн, не должна содержать свободного аммиака и твердых взвесей, содержание хлорид — иона должно быть не более 2 мг/л, масла не более 1мг/л, NH₄NO₃ — не более 0,5 г/л. Химически очищенная вода для котлов-утилизаторов должна соответствовать требованиям ГОСТ 20 995–75.

Техническая вода, предназначенная для отвода тепла в теплообменниках и охлаждения оборудования (оборотная вода), должна соответствовать следующим требованиям: жесткость карбонатная, мэкв/кг не более 3,6; содержание взвешенных веществ, мг/кг не более 50; значение pH 6,5−8,5.

Кислород применяется преимущественно в производстве концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза. В отдельных случаях используется для обогащения АВС при получении неконцентрированной азотной кислоты.

Физические постоянные газов.

Оксид азота NO — газ при нормальных условиях, обладает парамагнитными свойствами. Образуется при каталитическом окислении аммиака и является промежуточным соединением в технологии азотной кислоты.

Оксид азота NO₂ существует в виде коричнево-красного соединения и его бесцветного димератетраоксида диазота N₂O₄. При взаимодействии с водой оксид азота (IV) образует азотную и азотистую кислоты, со щелочами — смесь нитратов и нитритов. Он хорошо поглощается серной кислотой с образованием нитрозилсерной кислоты, обладает высокой растворимостью в концентрированной азотной кислоте.