Нейтрализация азотной кислоты аммиаком

В основе процесса произ­водства аммиачной селитры лежит гетерогенная реакция взаимодейст­вия газообразного аммиака с раст­вором азотной кислоты

NН₃ + НNО₃ = NН₄NО₃ +Q (6.3.4)

Химическая реакция протекает с большой скоростью; в промыш­ленном реакторе она лимитируется растворением газа в жидкости. Для уменьшения диффузионного тормо­жения большое значение имеет ­ пе­ремешивание реагентов.

Эта реакция является практически необратимой и протекает с большой скоростью без образования побочных продуктов. В процессе нейтрализации выделяется большое количество тепла, определяемое тепловым эффектом реакции, концентрацией исходной азотной кислоты и температурой реагентов.

Так как конечной целью производства является получение твердого нитрата аммония, то на стадии нейтрализации стремятся получить, возможно, более концентрированные растворы аммиачной селитры, чтобы в дальнейшем упростить и удешевить стадию выпаривания раствора до состояния безводного плава. Оптимальные условия для проведения процесса нейтрализации выбираются в результате анализа совместного влияния на этот процесс таких параметров, как концентрация азотной кислоты, температура и давление в реакторе. Для получения высококонцентрированных растворов необходимо применять азотную кислоту высокой концентрации, подогревать реагенты.

Таким образом, приход тепла определяется количеством тепла, вносимого исходными компонентами и выделяющегося при взаимодействии этих реагентов. Тепло процесса отводится образующимся раствором аммиачной селитры, теряется в окружающую среду и расходуется на испарение воды из раствора. При соответствующем аппаратурном оформлении процесса тепла реакции нейтрализации может быть достаточно для выпаривания воды, вводимой с азотной кислотой.

Отвод тепла реакции из реакционной зоны необходим не только с целью его использования для выпарки раствора, но и потому, что слишком высокая температура приводит к разложению азотной кислоты и образующегося нитрата аммония.

Можно применить азотную кислоту такой высокой концентрации и так подогреть исходные компоненты, что в процессе нейтрализации будет получен практически безводный плав, например, концентрация азотной кислоты – 63% и температура азотной кислоты –100⁰С. Однако целесообразность такого процесса ограничивается высокой температурой, которая развивается в нейтрализаторе. С повышением температуры нейтрализации увеличиваются потери азота из-за некоторого разложения азотной кислоты и аммиачной селитры. Кроме того, при высоких температурах вследствие заметного увеличения давления паров аммиачной селитры создаются условия для ее уноса с соковым паром в виде аэрозоля.

Температура в зоне нейтрализации зависит от давления, при котором проводится процесс, поэтому с точки зрения целесообразности снижения температуры в зоне реакции, нужно проводить процесс при низком давлении и даже под вакуумом. Поэтому наиболее широко распространенны установки, в которых процесс нейтрализации осуществляется под давлением, близким к атмосферному. Преимущества: простота схемы, возможность использования газообразного аммиака, который из производства аммиака выдается под Р =200–300КПа, без его сжатия и повторного испарения. .

Менее экономичный процесс нейтрализации под вакуумом ограниченно применяют в установках, в которых в качестве сырья используется не чистый аммиак, а танковые и продувочные газы производства аммиака или газы дистилляции производства карбамида. Осуществление процесса нейтрализации под повышенным давлением приводит к уменьшению размеров оборудования и получению сокового пара с более высокими параметрами. Системы нейтрализации при Р=3-6ат применяются за рубежом, они требуют большого расхода электроэнергии на компремирование аммиака, сравнительно сложного регулирования подачи азотной кислоты под давлением и др.

Промышленные установки для получения раствора аммиачной селитры с использованием тепла реакции нейтрализации подразделяются на 4 типа:

1.установки, работающие при атмосферном давлении (изб. Р = 0.3 ат);

2.установки, работающие с использованием вакуум-испарителя;

3.установки, работающие под повышенным давлением;

4.комбинированные установки, работающие под давлением в зоне нейтрализации и при разрежении в зоне отделения соковых паров от раствора аммиачной селитры.

Наиболее широко распространена 1-ая схема, она несложна и отличается стабильностью режима работы.

Процесс нейтрализации ведут при 110–135⁰С в слабокислой среде, т.к. при этом потери аммиака, азотной кислоты и аммиачной селитры с соковыми парами меньше, чем в щелочной среде.

Интенсивные условия проведения процесса в значительной мере мо­гут быть обеспечены при разработке конструкции аппарата. Реакцию нейтрализации проводят в непрерывно действующем аппарате ИТН (исполь­зование теплоты нейтрализации).

Выпаривание растворов аммиачной селитры.

Непременным условием улучшения качества аммиачной селитры является обеспечения высокой степени упаривания ее растворов в выпарных аппаратах с достижением остаточного содержания воды в готовом продукте не более 0.3%. В зависимости от метода кристаллизации продукта, конструкции выпарных аппаратов растворы аммиачной селитры упаривают до состояния плава различной концентрации. Так, при кристаллизации в гранбашнях растворы упариваются до концентрации 99.7%–99.9% NН₄NО₃. С увеличением концентрации растворов NН₄NО₃ при их упаривании температура раствора повышается, и возрастают потери аммиачной селитры с соковым паром. Поэтому применяют выпарные аппараты, работающие при разрежении 550–600 мм рт. ст. Это позволяет упаривать растворы при пониженных температурах их кипения, что способствует уменьшению потерь продуктов на этой стадии производства.

Для упаривания растворов аммиачной селитры часто применяют двухступенчатую схему выпарки, реже трехступенчатую. Двухступенчатое упаривание проводят с таким расчетом, чтобы в первой ступени концентрация повышалась до 84%, во второй – до 99.5%.

Кристаллизация плава аммиачной селитры (гранулирование).

В зависимости от методов кристаллизации плава аммиачная селитра может быть получена в виде мелких частично раздробленных кристаллов, в форме плотных чешуек и в виде сферической гранулы (d=1-4 мм). При получении соли из плава селитры выделяется значительное количество тепла за счет охлаждения плава, кристаллизации соли.

Кристаллизация аммиачной селитры из ее плавов осуществляется в аппарате с полным использованием тепла процесса (кристаллизаторы чашечного типа, шнеки), с частичным использованием тепла (охлаждающие барабаны-вальцы) и без использования тепла (грануляционные башни). В настоящее время существует три технологических способа гранулирования твердых веществ из расплавов:

1.Разбрызгивание капель расплавов с помощью различных грануляционных устройств в объеме гранбашни, где далее происходит затвердевание капель и охлаждение образовавшихся гранул при их свободном падении.

2.Напыление плава, затвердевание его и дальнейшее охлаждение образовавшихся гранул в условиях кипящего слоя.

3.Проведение тех же, что и по способу 2 операций в условиях вращающихся барабанов с внутренними лопастями – сферодайзеров.

Основным промышленным способом является гранулирование расплавов в грануляционных башнях.

Конечной стадией процесса является кондиционирование удобрения – обработка поверхности гранул различными добавками с целью предотвращения слеживания и обеспечения хорошей сыпучести.