stringtranslate.com

процесс Оствальда

Процесс Оствальда — это химический процесс, используемый для производства азотной кислоты (HNO 3 ). [1] Процесс Оствальда является основой современной химической промышленности и обеспечивает основное сырье для наиболее распространенного типа производства удобрений. [2] Исторически и практически процесс Оствальда тесно связан с процессом Габера , который обеспечивает необходимое сырье — аммиак (NH 3 ). Этот метод предпочтительнее других методов производства азотной кислоты, поскольку он менее затратен и более эффективен. [3]

Реакции

Аммиак преобразуется в азотную кислоту в два этапа.

Первичное окисление аммиака

Процесс Оствальда начинается со сжигания аммиака . Аммиак горит в кислороде при температуре около 900 °C (1650 °F) и давлении до 8 стандартных атмосфер (810 кПа) [4] в присутствии катализатора, такого как платиновая сетка, легированная 10% родия для увеличения ее прочности и выхода оксида азота, металлическая платина на плавленом кварцевом волокне, медь или никель для образования оксида азота (оксида азота (II)) и воды (в виде пара). Эта реакция является сильно экзотермической , что делает ее полезным источником тепла после начала: [5]

4NH 3 + 5O 2 → 4NO + 6H 2 O (Δ H = −905,2 кДж/моль)

Побочные реакции

Ряд побочных реакций конкурируют с образованием оксида азота. Некоторые реакции преобразуют аммиак в N 2 , например:

4NH3 + 6NO → 5N2 + 6H2O

Это вторичная реакция, которая минимизируется за счет сокращения времени контакта газовых смесей с катализатором. [6] Другая побочная реакция производит закись азота :

4NH 3 + 4O 2 → 2N 2 O + 6H 2 O (Δ H = −1105 кДж/моль)

Платино-родиевый катализатор

Платиновый и родиевый катализатор часто заменяют из-за разложения в результате экстремальных условий, в которых он работает, что приводит к форме деградации, называемой цветной капустой. [7] Точный механизм этого процесса неизвестен, основные теории предполагают физическую деградацию за счет проникновения атомов водорода в решетку платины-родия или переноса атомов металла из центра металла на поверхность. [7]

Вторичное окисление

Оксид азота (NO), образованный в предыдущей каталитической реакции, затем охлаждается с температуры около 900˚C до примерно 250˚C для дальнейшего окисления до диоксида азота (NO2 ) [ 8] по реакции:

2NO + O 2 → 2NO 2 (Δ H = -114,2 кДж/моль) [9]

Реакция:

2NO2 → N2O4 (ΔH = -57,2 кДж /моль) [ 10]

также происходит после образования диоксида азота. [11]

Превращение оксида азота

Вторая стадия включает абсорбцию оксидов азота в воде и осуществляется в абсорбционном аппарате, представляющем собой тарельчатую колонну, содержащую воду. [ необходима ссылка ] Этот газ затем легко абсорбируется водой, давая желаемый продукт (азотную кислоту в разбавленной форме), при этом часть его восстанавливается обратно до оксида азота: [5]

3NO 2 + H 2 O → 2HNO 3 + NO (Δ H = −117 кДж/моль)

NO рециркулируется, а кислота концентрируется до необходимой концентрации путем дистилляции .

Это лишь одна из более чем 40 зарегистрированных реакций поглощения оксидов азота [11] , среди других распространенных реакций:

3N 2 O 4 + 2H 2 O → 4HNO 3 + 2NO

А если последний этап осуществить на воздухе:

4NO 2 + O 2 + 2H 2 O → 4HNO 3 (Δ H = −348 кДж/моль).

Общая реакция

Общая реакция представляет собой сумму первого уравнения, умноженную на 3 второго уравнения и умноженную на 2 последнего уравнения; все это делится на 2:

2NH 3 + 4O 2 + H 2 O → 3H 2 O + 2HNO 3 (Δ H = −740,6 кДж/моль)

В качестве альтернативы, если последний шаг выполняется на воздухе, общая реакция представляет собой сумму уравнения 1, умноженную на 2, уравнения 2 и уравнения 4; все это делится на 2.

Не принимая во внимание состояние воды,

NH 3 + 2O 2 → H 2 O + HNO 3 (Δ H = −370,3 кДж/моль)

История

Вильгельм Оствальд разработал этот процесс и запатентовал его в 1902 году. [12] [13]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Тиманн, Майкл; Шайблер, Эрих; Виганд, Карл Вильгельм (2005). «Азотная кислота, азотистая кислота и оксиды азота». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. дои : 10.1002/14356007.a17_293. ISBN 978-3-527-30673-2.
  2. ^ Kroneck, Peter MH; Torres, Martha E. Sosa (2014). Металл-управляемая биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Дордрехт: Springer. стр. 215. ISBN 978-94-017-9268-4.
  3. ^ "Процесс Оствальда". Unacademy . Получено 2024-09-05 .
  4. ^ Консидайн, Дуглас М., ред. (1974). Энциклопедия химических и технологических процессов. Нью-Йорк: McGraw-Hill. С. 769–72. ISBN 978-0-07-012423-3.
  5. ^ ab Алан В. Джонс; М. Клеммет; А. Хигтон; Э. Голдинг (1999). Алан В. Джонс (ред.). Доступ к химии . Королевское химическое общество. стр. 250. ISBN 0-85404-564-3.
  6. ^ Гарри Бойер Вайзер (2007). Неорганическая коллоидная химия -: Коллоидные элементы . Читайте книги. стр. 254. ISBN 978-1-4067-1303-9.
  7. ^ аб Ханневолд, Ленка; Нильсен, Ола; Кьекшус, Арне; Фьельвог, Хельмер (28 апреля 2005 г.). «Реконструкция платинородиевых катализаторов при окислении аммиака». Прикладной катализ А: Общие сведения . 284 (1): 163–176. doi :10.1016/j.apcata.2005.01.033. ISSN  0926-860X.
  8. ^ Афолаян Айоделе С. (7 декабря 2007 г.). «Проект завода по производству 20 000 литров азотной кислоты в день из аммиака и воздуха (с использованием процесса Освальда)» (PDF) . Репозиторий Futminna . Получено 24 мая 2024 г.
  9. ^ Гранде, Карлос А.; Андреассен, Кари Энн; Цавка, Ясмина Х.; Уоллер, Дэвид; Лоренцен, Одд-Арне; Ойен, Халвор; Зандер, Ханс-Йорг; Поулстон, Стивен; Гарсиа, Соня; Модешия, Дина (08 августа 2018 г.). «Интенсификация процессов на азотнокислотных заводах путем каталитического окисления оксида азота». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 57 (31): 10180–10186. doi : 10.1021/acs.iecr.8b01483 . ISSN  0888-5885.
  10. ^ "21.1 Влияние температуры на равновесие NO2/N2O4". chemed.chem.purdue.edu . 24 мая 2024 г. Получено 24 мая 2024 г.
  11. ^ ab Liu, Yunda; Bluck, David; Brana-Mulero, Francisco (2014-01-01), Eden, Mario R.; Siirola, John D.; Towler, Gavin P. (ред.), "Статическое и динамическое моделирование абсорбционной башни NOx на основе гибридной кинетически-равновесной модели реакции", Computer Aided Chemical Engineering , Труды 8-й Международной конференции по основам автоматизированного проектирования процессов, т. 34, Elsevier, стр. 363–368, doi :10.1016/b978-0-444-63433-7.50045-6, ISBN 978-0-444-63433-7, получено 2024-05-24
  12. ↑ GB 190200698, Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и окислов азота», опубликовано 9 января 1902 г., выпущено 20 марта 1902 г. 
  13. ↑ GB 190208300, Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и окислов азота и в их отношении», опубликовано 18 декабря 1902 г., выпущено 26 февраля 1903 г. 

Внешние ссылки