Otrzymywanie kwasu azotowego

W metodzie otrzymywania kwasu azotowego pod ciśnieniem jednej atmosfery proces utleniania amoniaku i dalsze etapy produkcji, aż do otrzymania HNO3 włącznie, odbywają się pod ciśnieniem normalnym.
Utlenianie i absorpcja tlenków azotu na kwas azotowy odbywa się zazwyczaj w szeregu wież absorpcyjnych, których liczba wynosi 7 – 9, wypełnionych pierścieniami Raschiga albo innym rodzajem wypełnienia zapewniającym jak najlepsze rozwinięcie powierzchni.
Gazy płyną przez szereg wież w jednym kierunku, a w kierunku przeciwnym z wieży ostatniej do pierwszej przepływa kwas, zraszając poszczególne wieże. Kwas przepompowuje się kolejno z wieży do wieży. Wieża ostatnia jest zasilana wodą, pierwsza natomiast kwasem z wieży drugiej, druga kwasem z wieży trzeciej itd. Stężenie tlenków azotu na drodze od wieży pierwszej do ostatniej maleje, a stężenie kwasu wzrasta od wieży ostatniej w kierunku pierwszej. Gazy o składzie np. 10% NO oziębione w kotle parowym do temperatury ok. 200C odprowadza się do chłodnic (przeważnie rurkowych), gdzie następuje dalsze ochładzanie tych gazów do temperatury ok. 35C. W tych warunkach wykrapla się większa część pary wodnej. W temperaturze 200C i niższych szybkość utleniania jest już dostrzegalna, tworzą się pewne ilości NO2 i reagując z wykroploną wodą, tworzą bardzo rozcieńczony kwas azotowy (10 – 30g HNO3/l). Ochłodzone gazy wtłacza się za pomocą wentylatora do pierwszej wieży systemu absorpcyjnego. Tu na początku systemu wprowadza się dodatkowo powietrze z tak obliczonym nadmiarem, aby w gazach odlotowych po skończonej absorpcji pozostawało ok. 3% O2. Dodawanie większych ilości powietrza nie jest wskazane. Polepsza to wprawdzie utlenianie NO, ale obniża stężenie tlenków azotu, a przez to i wydajność absorpcji.
Wszystkie wieże mają zwykle jednakową budowę i jednakowe wymiary ( np. wysokość 24 metry, średnica 5,3 metra ). Rozmiary wież dobiera się odpowiednio do zamierzonej skali produkcyjnej, stężenia produkowanego kwasu i wydajności absorpcji.
Wieże buduje się z materiałów kwasoodpornych, dawniej z granitu, cegły kwasoodpornej, obecnie przeważnie ze stali kwasoodpornej chromoniklowej oraz cegły kwasoodpornej z oppanolem, wypełnienie stanowią pierścienie Raschiga z kamionki glazurowanej. W wieżach odbywają się egzotermiczne procesy utleniania NO i absorpcji NO2. Niezbędne jest więc odprowadzanie wydzielającego się ciepła. Kwas odpływający z wież chłodzi się w specjalnych chłodnicach i za pomocą pompy utrzymuje w obiegu przez wieżę – chłodnicę – wieżę. Część kwasu obiegowego z danej wieży przetłacza się do wieży sąsiedniej, w kierunku wieży pierwszej, gdzie jego stężenie wzrasta na skutek stykania się z coraz bardziej stężonymi tlenkami azotu. Gotowy kwas o stężeniu ok. 50% odbiera się z wieży I lub II. Mała szybkość reakcji utleniania NO wymaga długiego czasu i powolnego przepływu gazów, a więc znacznych objętości wież absorpcyjnych, aby absorpcja mogła się odbywać z należytą wydajnością.
Poniższe zestawienie daje obraz zależności wydajności absorpcji od objętości wież, przypadającej na 1 tonę 50 – procentowego HNO3 w temperaturze 25C.

Objętość wież absorpcyjnych, m3/t 50 – procentowego HNO3 120 50 30 23 16 10
Czas przepływu w sekundach 1920 800 475 370 260 100
Wydajność absorpcji w % 98 96 94 92 88 75

Z powyższych liczb wynika, że w celu polepszenia wydajności w absorpcji kwaśnej ( kwasem i wodą) z 94% na 98%, tzn. o 4%, należy zwiększyć objętość systemu absorpcyjnego z 30 do 120 m3/t HNO3-, czyli czterokrotnie.
Zwykle kwaśna absorpcja powoduje zmniejszenie zawartości tlenków azotu z ok. 10% do 0,8%. Resztę usuwa się przez absorpcję alkaliczną, na co przeznacza się dodatkowo dwie mniejsze wieże absorpcyjne zraszane roztworami zasadowymi. Stosuje się przeważnie 20 – procentowy roztwór węglanu sodowego, a niekiedy mleko wapienne. Świeży roztwór tłoczony jest do wieży alkalicznej drugiej, a z niej do wieży pierwszej. Podczas absorpcji tlenków azotu odbywają się następujące reakcję:

2NO2 + Na2CO3 = NaNO3 + NaNO2 + CO2
N2O3 + Na2CO3 = 2NaNO2 + CO2

Roztwór po absorpcji odprowadzany z wieży alkalicznej pierwszej zawiera ok. 250 – 320g NaNO2 i 50 – 60g NaNO3 i poddawany jest zwykle inwersji kwasem azotowym na gorąco na azotan sodowy.

2NaNO2 + 2HNO3 = 2NaNO3 + NO + NO2 + H2O

Roztwór odparowuje się. Wydzielające się tlenki azotu zawraca się do procesu. Gazy opuszczające wieże alkaliczne zawierają jeszcze ok. 0,2% NO oraz 3 – 4% O2 i 96 – 97% N2 i są odprowadzane do atmosfery. Ze względu na dużą zawartość azotu gazy te mogą być wykorzystane po usunięciu z nich NO i O2 jako źródło azotu do syntezy NH3 i produkcji azotniaku.

Dane ruchowe:

Stężenie NH3 w mieszaninie reakcyjnej w % 9,5 – 11
Temperatura powietrza podgrzanego, w C 180 – 250
Temperatura reakcji utleniania NH3, w C 750 – 850
Zawartość tlenków azotu przed absorpcją kwaśną ,% obj. ok. 10
Zawartość tlenków azotu przed absorpcją alkaliczną, % ok. 0,8
Zawartość tlenków azotu po absorpcji alkalicznej, % ok. 0,1
Wydajność utleniania NH3, % 95 – 98
Wydajność absorpcji tlenków azotu, % 94 – 98
Stopień przemiany NH3  HNO3, % 90 – 94
Objętość wież kwasowych, m3/t HNO3 60 – 65
Objętość wież alkalicznych, % objętości wież kwasowych 15 – 35








Wskaźniki techniczne zużycia na 1 tonę HNO3:

NH3, t 0,29 – 0,3
Energia elektryczna, kWh 70 – 90
Woda, m3 80 – 100
Para wodna (produkowana), kg 200
Platyna, g 0,06 – 0,07

Charakterystyka półproduktów do produkcji kwasu azotowego:

Amoniak – (NH3) najważniejszy związek azotu z wodorem, bezbarwny gaz o ostrej woni,
t.w. - 33C, rozpuszczalny w wodzie z wytworzeniem roztworu zasadowego. Amoniak występuje w przyrodzie jako produkt procesów gnicia ciał białkowych. Otrzymywanie.: w przemyśle metodą syntezy z azotu i wodoru pod wysokim ciśnieniem. Zastosowanie: wyrób soli amonowych, nawozów sztucznych, w produkcji sody, kwasu azotowego. W procesie produkcji kwasu azotowego potrzebny do uzyskania tlenku azotu.
4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O

Woda – (H2O) potrzebna do absorpcji dwutlenku azotu i otrzymania tym samym kwasu azotowego.:

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO


Powietrze – potrzebne do utleniania amoniaku, powinno być jak najczystsze. Zazwyczaj pobierane z takich kierunków otoczenia fabryki w których przewiduje się najmniejsze ilości zanieczyszczeń. Powietrze poddaje się starannemu oczyszczeniu i odpyleniu.

Tlenek azotu – (NO) potrzebny do uzyskania dwutlenku azotu w reakcji utleniania, jest reakcją odwracalną, egzotermiczną i przebiega ze zmniejszeniem objętości. Objętość zmniejsza się o 1/3.:

2NO + O2  2NO2
Reakcja utleniania jest reakcją powolną i jej szybkość decyduje o szybkości całego procesu absorpcji.

Dwutlenek azotu – (NO2) potrzebny do otrzymania kwasu azotowego w procesie absorpcji:

3NO2 + H2O  2HNO3 + NO

Tlen – (O2) potrzebny do utlenienia tlenku azotu:

2NO + O2  2NO2