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硝酸的工业制法原理和实验


化学家 / 2018-05-16

    现代工业上制造硝酸的方法,大都采用合成法,这个方法的主要反应过程是氮的接触(催化)氧化.在介绍氨的性质时,我们曾经提到过这个反应,并说它是工业上制造硝酸的基础反应之一,这个反应是在催化剂一一铂的作用下,氨眼氧气(空气)反应,生成一氧化氮和水:

4NH3+5O2(空气)=加热(催化剂)=4NO↑+6H2O+216千卡

    再由一氧化氮眼氧气继续反应,就生成二氧化氮:

2NO+O2<=>2NO2+27千卡

二氧化氮用水吸收,就生成了硝酸

3NO2+H2O<=>2HNO3+NO+32千卡

    后面二个反应,实际上是同时进行的.因此,在水和过量空气存在下,全部NO将变成硝酸.

    合成硝酸的最原始的原料是水(制取氢气)和空气(制取氮气和供给氧气),它们是普遍存在的物质,在原料供应上不会发生困难,同时它们容易提净,使产品比较纯净.因此用这个方法制得的硝酸,成本低,质量高,现在已被普遍采用了.

    现在我们就来简略地谈谈合成硝酸法

硝酸的生产流程简图

    根据上述的化学原理,合成硝酸法基本上也可划分成个阶段:(1)把氨氧化成一氧化氮;(2)把一氧化氮氧化,溶解成硝酸.整个生产流程大致如图5·9所示,其中以接触氧化器和吸收塔为中心,分别进行上述二个过程.

   1.氨氧化成一氧化氣反应是在接触触氧化器中进行的我们知道,反应需要在有催化剂存在和加执(800C)的条件下进行的.但氨与氧反应本身是一个放热反应,放出的热,除能维持催化剂的一定温度外,还足够预热进入的原料到反应时所必需的温度.接触氧化器后面的一个热交换换器,就是把输入的空气含有氮的寒和从接触器出来的热气体进行热量的交换.空气用鼓风机鼓入,经过

热交换器使温度升高后,就在混和观察孔器中跟氨(由另一只鼓风机鼓入)混计化剂和,再进入接触氧化器进行反应.为了使氨能比较充分地氧化,一般使用了过量的空气。

    接触氧化器的内部构造如图5·10所示。催化剂通常是用多层的细铂丝网,水平地固定在接触氧化混和气体的中部.开始时先用氢气燃烧管加热铂网,此后由于反应热的产生,催化剂能经常保持在80C左右,从而使反应能一直进行下去,直到损坏为止.如果空气和氨都相当纯净,催化剂能使用比较长的一段时期。

    从接触氧化器出来的含有氮的氧化物的气体(主要是氧化氮和水蒸气),温度很高,当它通过热交换器后,经过冷空气的冷却,温度虽有所降低,但仍然很高,如果把它直接送到吸收塔去,显然是不利的.因为在吸收塔里的反应是一氧化氮氧化生成二氧化氮和二氧化氮的吸收成硝酸,它们都是放热的反应.根据化学平衡理论,降低温度,有利于反应向生成NO2和HNOa的方向进行,所以必需让它进一步冷却.于是再通过一个余热锅炉.在余热锅炉里,由于不断灌入冷水,使高温气体的温度一再降低,而冷水接受了这些热量,生成了大量水蒸气,可供工厂应用.余熟锅炉的内部结构基本上与热交换器相似.它们都是为了节约燃料而设计的设备。

    2.一氧化氮氧化,溶解成硝酸一氧化氮氧化成二氧化氮,与水反应成硝酸,这二个反应在吸收塔里进行。

    从余热锅炉里出来的含有氮的氧化物的混和气体,在进入吸收塔之前,再通过一个水冷却器,使气体温度下降到100"C,以利于最后反应的进行.这里可能由早已生成的少量二氧化氮与冷凝成的水反应,生成少量的稀硝酸.大部分的混和气体从冷却器出来,进入吸收塔。

    吸收塔的内部结构和作用,与制取盐酸、硫酸时所用的吸收塔相似.高大的塔身内部用瓷环填充,以增大接触面;并且利用逆流吸收原理,混和气体自下而上,水或稀硝酸自上而下这样来达到充分且迅速吸收的目的.在吸收塔里,一氧化氮氧化成二氧化氮,二氧化氮跟水反应成硝酸.为了使氮的氧化物能被充分吸收,常连续用多只吸收塔来吸收。

    在塔里生成的是稀硝酸.如果要把稀硝酸制成浓硝酸,可以用下列二种方法:(1)把制得的稀硝酸与浓硫酸混和以后一起加热蒸馏,即可得较浓的硝酸.(2)把用水吸收二氧化氮的操作,在50个大气压下进行.由于水跟二氧化氮的反应是一个气体体积缩小的可逆反应,按化学平衡理论,增大压强,可使化学平衡向生成HNO3的方向移动.这样,硝酸的浓度就可增大了。

 


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