2.1. Физико-химические основы процесса синтеза нитрата аммония.

Рассмотрим стадию нейтрализации и сделаем анализ химического уравнения.

Производство нитрата аммония основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком:

NH₃ + HNO₃ = NH₄NO₃ + H₂O.

Реакция является необратимой гетерогенной экзотермической реакцией.

Установлено, что данная реакция идёт в диффузной области, то есть лимитирующей стадией процесса является диффузия аммиака из газового объёма в раствор азотной кислоты. Увеличению скорости этого процесса способствует повышение давления.

Сочетание абсорбции аммиака раствором азотной кислоты и химического взаимодействия аммиака и азотной кислоты – это процесс хемосорбцией. А для хемосорбции условия ускорения процесса противоречивые.

Благоприятными условиями абсорбции, как известно, являются повышение давления и низкие температуры. Для увеличения скорости химической реакции необходимо повышать температуру, для чего перед реактором исходные компоненты (раствор азотной кислоты и газообразный аммиак) подогревают. Это не только ускоряет реакцию, но и улучшает перемешивание системы, а также повышает концентрацию получаемого раствора нитрата аммония.

Реакция нейтрализации является экзотермической. Следовательно, необходимо тепло отводить. Кроме того, известно, что нитрат аммония выше 270ºС разлагается со взрывом. При какой же температуре вести процесс нейтрализации и как предотвратить взрывообразное разложение нитрата аммония?

Для того чтобы снизить температуру в реакторе, можно использовать тепло нейтрализации для испарения раствора, что и осуществляют в аппарате нейтрализации.

Необходимо обосновать, сколько тепла требуется отводить для безопасного ведения процесса. Для этого необходимо определить, сколько тепла выделяется в реакторе. Теоретически количество тепла, выделяющегося при нейтрализации, равняется тепловому эффекту реакции нейтрализации (100 %-х аммиака и азотной кислоты) за вычетом теплоты разбавления азотной кислоты и теплоты растворения нитрата аммония. Практически же используется не 100%-я азотная кислота, что следует учитывать.

Зависимость теплового эффекта реакции от концентрации азотной кислоты, взятой для нейтрализации, представлена на диаграмме – кривая 1 (Рис.30). Для определения суммарного теплового процесса следует учесть и теплоту растворения нитрата аммония. Для этого из значения теплового эффекта, найденного на кривой 1, вычесть значение теплоты растворения – кривая 2.

Рис.30. Зависимость тепловых эффектов от концентрации азотной кислоты:

1 – тепловой эффект реакции нейтрализации с учетом тепло­ты разбавления кислоты, 2 – теплота растворения NH₄NO₃.

Так как в результате реакции получается раствор нитрата аммония, то следующей стадией является упаривание полученного раствора.

Стадия упаривания.

В результате реакции нейтрализации азотной кислоты аммиаком образуется водный раствор нитрата аммония. Так как процесс идёт с выделением большого количества тепла, то часть воды в процесс нейтрализации испаряется в виде сокового пара. Для того чтобы исключить потери аммиака с соковым паром, для нейтрализации берут избыток азотной кислоты.

Интенсивность испарения зависит от теплового эффекта реакции нейтрализации, который, в свою очередь, зависит от концентрации раствора азотной кислоты и от температуры процесса. Поэтому концентрация образующегося раствора нитрата аммония зависит от следующих факторов:

– концентрация используемой азотной кислоты

– температура.

С ростом концентрации азотной кислоты увеличивается тепловой эффект реакции нейтрализации (кривая 1 на Рис. 30), увеличивается масса выделяющегося сокового пара и, соответственно, возрастает концентрация образующегося раствора нитрата аммония. Для испарения воды и концентрирования раствора нитрата аммония можно использовать как внешнее тепло, подводимое к системе, так и теплоту нейтрализации.

На рисунке (Рис.31) показано влияние концентрации азотной кислоты и температуры на концентрацию получаемого раствора нитрата аммония.

Рис.31. Влияние условий процесса на концентрацию нитрата аммония:

1 – процесс без использования теплоты нейтрализации с полным отводом тепла, 2 – процесс с частичным использованием теплоты нейтрализации при 50°С, 3 – то же при 70°С

ВЫВОДЫ. Из рисунка следует:

– с увеличением концентрации исходной кислоты концентрация получаемого раствора нитрата аммония увеличивается (прямые 1, 2,3);

– использование теплоты нейтрализации увеличивает концентрацию получаемого раствора (линии 2 и 3 выше, чем 1);

– при температуре 70ºС и частичном использовании теплоты нейтрализации концентрация получаемого раствора наибольшая (линия 3);

При использовании азотной кислоты концентрацией 60 – 65 % при температуре процесса около 70ºС за счёт теплоты нейтрализации оказывается возможным выпарить основную массу воды, вводимой с азотной кислотой, и получить высококонцентрированный раствор и даже плав нитрата аммония с содержанием NH₄NO₃ 96%.

Использование теплоты нейтрализации для упаривания раствора позволяет:

– снизить затрату внешнего тепла;

– обеспечить оптимальный температурный режим процесса нейтрализации за счёт отвода тепла;

– избежать опасных перегревов;

– исключить применение сложных охлаждающих устройств.