Produção de ácido nítrico na indústria: tecnologia, etapas, características

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

O ácido nítrico é um dos tipos mais procurados de matérias-primas industriais. Sua produção pode ser realizada por diferentes métodos - dependendo da variedade em que o ácido deve ser fornecido ao cliente. Qual é a essência das tecnologias relevantes? Como eles se comparam com o tipo de ácido nítrico produzido na fábrica?

Produção industrial de ácido nítrico: uma história do desenvolvimento tecnológico

Em primeiro lugar, será útil estudar os fatos históricos sobre como a produção de ácido nítrico se desenvolveu na Rússia. Na indústria nacional, a liberação desta substância, de acordo com as informações disponíveis, foi iniciada sob Peter I. Posteriormente, M. V. Lomonosov propôs um método para a produção de ácido nítrico a partir do salitre - essa substância era realmente considerada a principal matéria-prima para a produção da substância em questão até ao início do século XX.

Junto com o salitre, a produção de ácido nítrico na indústria era feita com ácido sulfúrico. As duas substâncias em consideração, interagindo entre si, formaram ácido nítrico e óxido de enxofre de sódio. A vantagem desteo método foi a capacidade de obter ácido nítrico em uma concentração de cerca de 96-98% (sujeito ao uso de matérias-primas de qualidade exigida).

A tecnologia correspondente foi ativamente aprimorada - a favor de aumentar a velocidade de processamento de matérias-primas e garantir a saída de um maior volume de produto. Mas gradualmente deu lugar ao conceito de que a produção de ácido nítrico era realizada através da oxidação de contato da amônia.

Além disso, foi inventado um método no qual o óxido nítrico, obtido por oxidação a arco do gás correspondente da atmosfera, foi utilizado como principal matéria-prima para a produção de ácido. Existe um ponto de vista generalizado de que o primeiro método é mais econômico.

Com o aprimoramento das abordagens tecnológicas para a produção de ácido nítrico, formou-se uma abordagem segundo a qual a opção mais ideal para a produção da substância correspondente é o uso de infraestrutura industrial operando sob alta pressão. Uma alternativa é a produção de ácido à pressão atmosférica, considerada menos lucrativa do ponto de vista econômico.

A liberação de uma substância em pressão normal ou elevada envolve a produção de ácido nítrico a partir da amônia. Existe também um método combinado que combina as vantagens dos outros dois. As características da produção de ácido nítrico pelo método combinado são, em primeiro lugar, a oxidação da amônia à pressão atmosférica e a implementação de sua absorção - emaumentado.

A amônia é hoje considerada a principal matéria-prima para a liberação da substância em questão, junto com a água e o ar atmosférico. Vamos estudar as especificidades de seu uso na produção de ácido com mais detalhes.

Matéria-prima de ácido nítrico

Então, as principais matérias-primas utilizadas na produção da substância em questão são a amônia, o ar e também a água.

Isso requer o uso de amônia purificada. Para isso, é purificado em equipamentos especiais de evaporação e destilação no âmbito de vários ciclos de produção. Da mesma forma, ar limpo deve ser usado ao descarregar o ácido nítrico. Também é filtrado usando equipamentos especiais. Por sua vez, a água utilizada na produção de ácido nítrico é purificada de impurezas e sais. Em muitos casos, o condensado puro deve ser usado para obter a substância em questão.

Vamos estudar quais variedades da substância em questão podem ser apresentadas, bem como cada tipo de ácido nítrico é produzido.

Variedades de ácido nítrico e as principais etapas de sua liberação

Existem 2 tipos de ácido nítrico produzidos em plantas industriais modernas - diluído e concentrado. A produção de ácido nítrico diluído é realizada em 3 etapas principais:

• conversão da amônia (seu produto final é o óxido nítrico);
• produção de dióxido de nitrogênio;
• implementação da absorção de óxidos de nitrogênio emuso da água.

A produção de ácido nítrico diluído é generalizada em empresas industriais modernas sob o chamado esquema AK-72. Mas é claro que existem outras tecnologias para a liberação dessa substância.

Por sua vez, a produção de ácido nítrico concentrado pode ser realizada aumentando o nível da substância correspondente na forma diluída ou por síntese direta. O primeiro método, via de regra, permite obter uma solução ácida em uma concentração de cerca de 68%, o que pode não ser suficiente para a aplicação da substância em questão em diversas áreas. Portanto, o método de síntese direta também é comum, o que possibilita a obtenção de uma substância em uma concentração de cerca de 97-98%.

Vamos dar uma olhada em como o ácido nítrico é produzido de uma forma ou de outra. Acima, notamos que a liberação de uma substância diluída pode ser realizada de acordo com o esquema AK-72. Vamos estudar seus detalhes primeiro.

Produção de ácido diluído usando tecnologia AK-72

O esquema considerado, através do qual se realiza a produção de ácido nítrico, envolve a utilização de um ciclo fechado, acompanhado de:

• conversão de amônia;
• resfriamento de gases associados a uma pressão de cerca de 0,42-0,47 MPa:
• realizando a absorção de óxidos sob pressão da ordem de 1,1-1,26 MPa.

O produto final do esquema AK-72 é o ácido nítrico em uma concentração de cerca de 60%. Produção de ácido nítrico ema tecnologia em consideração é realizada no âmbito de etapas como:

• garantir a entrada de ar da atmosfera na unidade industrial e sua limpeza;
• compressão do ar, separando-o em fluxos tecnológicos;
• evaporação da amônia, purificação do gás correspondente do óleo e outras impurezas, bem como seu posterior aquecimento;
• mistura de amônia purificada e ar, posterior purificação desta mistura e sua transferência para o catalisador;
• obtenção de gases nitrosos e seu resfriamento;
• coleta de condensado com ácido nítrico;
• concentração e absorção de ácido nítrico;
• resfriamento e limpeza do produto resultante.

Ácido acabado é enviado para armazenamento ou cliente.

Ao lado da tecnologia considerada para a produção de ácido nítrico - AK-72, é utilizado outro conceito popular para a liberação da substância correspondente, que envolve garantir o funcionamento da infraestrutura industrial a uma pressão de cerca de 0,7 MPa. Considere seus recursos.

Tecnologia de liberação do produto sob pressão 0,7 MPa: nuances

A tecnologia em questão produz ácido nítrico não concentrado como alternativa ao conceito AK-72. Envolve a implementação das seguintes etapas de liberação da substância em questão.

Em primeiro lugar, como na tecnologia anterior, o ar atmosférico é limpo. Para isso, como regra, é usado um filtro de dois estágios. Além disso, o ar que foi limpo é comprimidopor meio de um compressor de ar - até aproximadamente 0,35 MPa. Nesse caso, o ar é aquecido - até uma temperatura de cerca de 175 graus e deve ser resfriado. Depois que esse problema for resolvido, ele vai para a área de compressão adicional, na qual sua pressão aumenta para aproximadamente 0,716 MPa. O fluxo de ar resultante, por sua vez, é aquecido a uma alta temperatura - cerca de 270 graus através da ação de gases nitrosos. Em seguida, é misturado com amônia em uma área especial da unidade industrial. A substância correspondente é ativada quando o ácido é liberado inicialmente no estado gasoso, que se forma devido à evaporação do líquido. Além disso, a amônia deve ser purificada. Após a preparação, o gás é aquecido e alimentado no misturador simultaneamente com o ar. Esta mistura também é filtrada e, após purificação, é alimentada para a conversão de amônia. O procedimento correspondente é realizado usando malhas de liga de platina e ródio a uma temperatura muito alta - cerca de 900 graus. A taxa de conversão é de cerca de 96%.

A produção de ácido nítrico fraco de acordo com a tecnologia considerada envolve a formação de gases nitrosos. Eles são levados para uma área especial da unidade industrial, na qual são resfriados. Devido a isso, a água purificada evapora e o aparecimento de vapor com alta pressão. Realizado pela área apropriada da unidade industrial, os gases nitrosos passam para o oxidante. Deve-se notar que sua oxidação ocorre parcialmente já na fase anterior.etapas de produção de ácido. Mas no oxidante torna-se ainda mais intenso. Neste caso, os gases nitrosos são aquecidos a uma temperatura de cerca de 335 graus. Posteriormente, eles são resfriados em um trocador de calor especial e, em seguida, são enviados para o condensador.

Depois disso, o ácido nítrico é formado em uma concentração fraca. É necessário separar os gases nitrosos restantes - um separador é usado para isso. A partir dele, o ácido nítrico é alimentado na área de absorção da unidade industrial. O ácido flui subsequentemente para áreas do aparelho abaixo. Ao mesmo tempo, interage com óxidos de nitrogênio, como resultado do aumento de sua concentração. Na saída, é cerca de 55-58%. Geralmente contém óxidos dissolvidos que devem ser removidos: para isso, a substância é enviada para a área de purga da unidade. Com a ajuda do ar aquecido, os óxidos são extraídos do ácido. O produto acabado é colocado no armazém ou enviado ao cliente.

Produção de ácido concentrado: síntese direta

Tendo considerado como é realizada a produção de ácido nítrico diluído, estudaremos as especificidades da liberação de uma substância concentrada. A produção de ácido por síntese direta a partir de matérias-primas na forma de óxidos de nitrogênio está entre as tecnologias mais econômicas usadas em empresas do perfil relevante.

A essência deste método é estimular uma reação química entre a substância especificada, água e oxigênio sob uma pressão de cerca de 5 MPa. A tecnologia pela qual a produção de ácido nítrico é realizadatipo concentrado com base em um diluído, tem uma nuance: garantir a transição do dióxido de nitrogênio para a forma líquida é possível a uma pressão e temperatura próximas à atmosférica. No entanto, em algumas reações, a concentração da substância correspondente é insuficiente para transferi-la para o estado líquido à pressão normal, devendo ser aumentada.

Produção de ácido concentrado à base de ácido diluído

Neste caso, assume-se que o ácido é concentrado por meio de substâncias absorventes - como ácido sulfúrico, fosfórico, várias soluções de nitratos. As principais etapas na produção de ácido nítrico concentrado à base de ácido sulfúrico diluído são as seguintes.

Primeiro, a matéria-prima é dividida em 2 fluxos: o primeiro é alimentado no evaporador, o segundo - entra na área fria da unidade industrial. O ácido sulfúrico é alimentado na região do aparelho acima da segunda corrente de ácido nítrico diluído. Por sua vez, o vapor é fornecido à parte inferior da unidade, que aquece a mistura usada, resultando na evaporação do ácido nítrico. Seus vapores sobem pelo aparelho, após o que são removidos para a geladeira. Lá, os vapores ácidos se condensam - até que sua concentração atinja 98-99%.

Ao mesmo tempo, alguns dos óxidos de nitrogênio presentes nesta fase de produção são absorvidos pelo ácido. Eles devem ser extraídos do produto: na maioria das vezes, são usados vapores de ácido nítrico para esse fim, que são enviados ao condensador. Os óxidos de nitrogênio extraídos, assim como os vapores ácidos que não formaram um condensado, são enviados para outra área do aparelho - para absorção, onde são tratados com água. Como resultado, é formado ácido diluído, que é novamente alimentado para condensação e resfriamento. O produto acabado é enviado para o armazém ou para o cliente.

Características de concentração com ácido sulfúrico

A principal tarefa que caracteriza a produção de ácido nítrico na indústria é a implementação de sua concentração econômica e eficiente. Existem várias abordagens para desenvolver um esquema ótimo para resolvê-lo. Será útil considerar aqueles que estão entre os mais comuns.

Observamos acima que o ácido sulfúrico pode ser usado para concentrar a substância em questão. Existe uma maneira bastante comum de aumentar a eficácia de seu uso - um aumento preliminar na concentração de ácido nítrico por evaporação. Idealmente, antes do tratamento com ácido sulfúrico, a substância correspondente terá uma concentração de cerca de 59-60%. Deve-se notar que, na prática, esta tecnologia para a produção de ácido nítrico é caracterizada por um baixo nível de compatibilidade ambiental. Portanto, como alternativa ao uso do ácido sulfúrico, é comum o uso de nitratos. Vamos estudar suas especificidades com mais detalhes.

Concentração com nitratos

Na maioria das vezes, os nitratos de magnésio ou zinco são usados para resolver o problema em questão, que caracteriza a produção de ácido nítrico a partir da amônia. Em primeiro lugar, é significativamente mais ecológico do que o métodoenvolvendo o uso de ácido sulfúrico. Além disso, essa tecnologia garante a mais alta qualidade do ácido nítrico como produto final.

Ao mesmo tempo, apresenta uma série de deficiências, que predeterminam o aparecimento de dificuldades na sua aplicação generalizada. Em primeiro lugar, este é um custo bastante alto do processo de produção. Além disso, esta tecnologia em muitos casos envolve a produção de resíduos sólidos, cujo processamento pode ser complicado.

Uso de catalisadores na produção de ácido nítrico

Será útil considerar quais outras substâncias são usadas juntamente com as principais matérias-primas para a produção do produto em questão na produção industrial (na maioria das vezes os catalisadores são considerados como tal) de ácido nítrico. A utilização das substâncias em questão deve-se à necessidade de aumentar a rentabilidade da produção de ácidos, aumentar a dinâmica da sua produção numa unidade industrial.

O principal requisito para o catalisador na produção do produto em questão é a seletividade de ação. Ou seja, deve afetar a reação química principal sem afetar os processos secundários. Na maioria das vezes, os catalisadores são usados na produção de ácido, que contém platina.

Acima, notamos que quando uma substância fracamente concentrada é liberada a pressão elevada, são usados catalisadores à base de platina e ródio. Em alguns casos, também são utilizadas ligas com adição de paládio. Mas o principal metal neles éplatina, seu conteúdo geralmente não é inferior a 81%. A essência do catalisador neste caso é estimular a rápida passagem da reação química principal. Via de regra, ele passa dentro da seção de difusão externa.

O processo depende dos limites de difusão do oxigênio em relação à superfície do catalisador. Esta característica provoca uma maior concentração de amônia, principal matéria-prima para a produção de ácido nítrico, na superfície de um ou às vezes do catalisador, quando comparada com a concentração no ar. É possível aumentar a gravidade específica de várias reações secundárias nas quais se observa a oxidação incompleta e a formação de nitrogênio ou seu óxido. A este respeito, o oxigênio próximo à superfície deve estar em quantidade suficiente para deslocar a amônia. Neste caso, será possível obter uma oxidação suficientemente profunda.

Pode-se notar que, juntamente com os catalisadores de platina, substâncias combinadas também estão envolvidas na produção de ácido nítrico. Em particular, ferro-cromo. Eles podem reduzir significativamente os custos econômicos que caracterizam a produção da substância em questão.

Então, consideramos os métodos de produção de ácido nítrico, identificamos seus principais tipos. Quantas etapas de produção de ácido nítrico precisam ser implementadas depende do seu tipo, bem como da tecnologia específica para a liberação da substância correspondente. Seria útil agora considerar quais as dificuldades que caracterizam a produção industrial deste produto, que está em demanda em muitas áreas da economia.

Principais problemas emprodução de ácido nítrico

Então, como já sabemos, a produção de ácido nítrico pelo método de contato - um dos mais comuns na indústria moderna, envolve o uso de um catalisador para acelerar a oxidação da amônia e aumentar o rendimento de o produto. O principal problema na produção do produto em consideração é o preço bastante alto do catalisador correspondente. No entanto, sua seletividade nem sempre atinge o valor ideal. Além disso, uma porção significativa da platina que é usada como elemento principal do catalisador pode ser perdida durante a produção. Como resultado, novamente, o custo-benefício da saída do produto diminui.

Outro problema que caracteriza a produção de ácido nítrico é ambiental. Acima, observamos que o ácido sulfúrico pode ser usado com a concentração de matérias-primas e, ao passar pelo ciclo de produção correspondente, são formadas substâncias nocivas. Uma alternativa nesse caso pode ser o uso de nitratos - mas isso, novamente, implica em aumento dos custos econômicos. No entanto, o fator ambiental para os fabricantes modernos hoje é tão significativo quanto o nível de lucratividade da produção.