Оствальдовский процесс

Процесс Оствальда – это химический процесс получения азотной кислоты (HNO ₃ ). ^[1] Процесс Оствальда является основой современной химической промышленности и обеспечивает основное сырье для производства наиболее распространенных видов удобрений. ^[2] Исторически и практически процесс Оствальда тесно связан с процессом Габера , который обеспечивает необходимое сырье — аммиак (NH ₃ ).

Реакции

Аммиак превращается в азотную кислоту в 2 стадии.

Первоначальное 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). ^[3] в присутствии катализатора , такого как платиновая сетка, легированная 10% родия для увеличения ее прочности и выхода NO, металлическая платина на кварцевой вате, меди или никеля для образования оксида азота (оксид азота (II)) и воды (в виде пара ). Эта реакция сильно экзотермична , что делает ее полезным источником тепла после начала: ^[4]

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

Побочные реакции

С образованием оксида азота конкурирует ряд побочных реакций. Некоторые реакции превращают аммиак в N ₂ , например:

4NH ₃ + 6NO → 5N ₂ + 6H ₂ O

Это вторичная реакция, которая сводится к минимуму за счет сокращения времени контакта газовой смеси с катализатором. ^[5]Другая побочная реакция приводит к образованию закиси азота :

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

Платиново-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 . ^[6] Точный механизм этого процесса неизвестен, основные теории предполагают физическую деградацию за счет проникновения атомов водорода в решетку платины-родия или за счет переноса атомов металла из центра металла на поверхность. ^[6]

Вторичное окисление

Оксид азота (NO), образовавшийся в предыдущей катализируемой реакции, затем охлаждается примерно с 900°C до примерно 250°C для дальнейшего окисления до диоксида азота (NO ₂ ). ^[7] по реакции:

2NO + O ₂ → 2NO ₂ (Δ H = -114,2 кДж/моль) ^[8]

Реакция:

2NO ₂ → N ₂ O ₄ (Δ H = -57,2 кДж/моль) ^[9]

также происходит после образования диоксида азота. ^[10]

Конверсия оксида азота

Второй этап включает абсорбцию оксидов азота водой и проводится в абсорбционном аппарате - тарельчатой колонне, содержащей воду. ^{[ нужна ссылка ]} Затем этот газ легко поглощается водой, образуя желаемый продукт (азотную кислоту в разбавленной форме), при этом восстанавливается обратно до оксида азота: часть его ^[4]

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

NO перерабатывается, а кислота концентрируется до необходимой концентрации путем перегонки .

Это лишь одна из более чем 40 зарегистрированных реакций поглощения оксидов азота. ^[10] с другими распространенными реакциями, включая:

3N ₂ O ₄ + 2H ₂ O → 4HNO ₃ + 2NO

И, если последний шаг выполняется 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, 3-кратного второго уравнения и 2-кратного последнего уравнения; все разделить на 2:

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

Альтернативно, если последний этап выполняется на воздухе, общая реакция представляет собой сумму уравнения 1, умноженную на 2 уравнения 2 и уравнения 4; все разделить 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. ^[11]^[12]

См. также

Процесс Биркеланда – Эйда

Ссылки

^ Тиман, 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 .
^ Кронек, Питер М.Х.; Торрес, Марта Э. Соса (2014). Металлоориентированная биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Дордрехт: Спрингер. п. 215. ИСБН 978-94-017-9268-4 .
^ Консидайн, Дуглас М., изд. (1974). Энциклопедия химической и технологической технологии . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 769–72 . ISBN 978-0-07-012423-3 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Алан В. Джонс; М. Клеммет; А. Хигтон; Э. Голдинг (1999). Алан В. Джонс (ред.). Доступ к химии . Королевское химическое общество. п. 250 . ISBN 0-85404-564-3 .
^ Гарри Бойер Вайзер (2007). Неорганическая коллоидная химия -: Коллоидные элементы . Читайте книги. п. 254. ИСБН 978-1-4067-1303-9 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Ханневольд, 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 .
^ Афолаян Айоделе С (7 декабря 2007 г.). «Проектирование установки для производства 20 000 литров азотной кислоты в день из аммиака и воздуха (с использованием процесса Освальда)» (PDF) . Репозиторий Футминна . Проверено 24 мая 2024 г.
^ 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 .
^ «21.1 Влияние температуры на равновесие NO2/N2O4» . chemed.chem.purdue.edu . 24 мая 2024 г. Проверено 24 мая 2024 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Лю, Юнда; Блюк, Дэвид; Брана-Мулеро, Франциско (01 января 2014 г.), Иден, Марио Р.; Сиирола, Джон Д.; Таулер, Гэвин П. (ред.), «Статическое и динамическое моделирование башни абсорбции NOx на основе гибридной модели реакции кинетического равновесия» , Компьютерная химическая инженерия , Материалы 8-й Международной конференции по основам автоматизированного проектирования процессов, том. 34, Elsevier, стр. 363–368, doi : 10.1016/b978-0-444-63433-7.50045-6 , ISBN. 978-0-444-63433-7 , получено 24 мая 2024 г.
^ GB 190200698 , Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и оксидов азота», опубликовано 9 января 1902 г., выдано 20 марта 1902 г.
^ GB 190208300 , Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и оксидов азота и связанные с ними», опубликовано 18 декабря 1902 г., выдано 26 февраля 1903 г.

Внешние ссылки

Азот и фосфор (курс общей химии), Университет Пердью
Дрейк, Дж; «Процессы производства азотной кислоты» (1963), Международное общество удобрений (платный сайт/пароль)
Производство нитратов: процесс Оствальда Средняя школа Карлтона; принц Альберт; Саскачеван, Канада.

[Ull-1] Тиман, 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] Кронек, Питер М.Х.; Торрес, Марта Э. Соса (2014). Металлоориентированная биогеохимия газообразных соединений в окружающей среде . Дордрехт: Спрингер. п. 215. ИСБН 978-94-017-9268-4 .

[3] Консидайн, Дуглас М., изд. (1974). Энциклопедия химической и технологической технологии . Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 769–72 . ISBN 978-0-07-012423-3 .

[jones1-4] Перейти обратно: ^а ^б Алан В. Джонс; М. Клеммет; А. Хигтон; Э. Голдинг (1999). Алан В. Джонс (ред.). Доступ к химии . Королевское химическое общество. п. 250 . ISBN 0-85404-564-3 .

[5] Гарри Бойер Вайзер (2007). Неорганическая коллоидная химия -: Коллоидные элементы . Читайте книги. п. 254. ИСБН 978-1-4067-1303-9 .

[:02-6] Перейти обратно: ^а ^б Ханневольд, 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 .

[7] Афолаян Айоделе С (7 декабря 2007 г.). «Проектирование установки для производства 20 000 литров азотной кислоты в день из аммиака и воздуха (с использованием процесса Освальда)» (PDF) . Репозиторий Футминна . Проверено 24 мая 2024 г.

[8] 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 .

[9] «21.1 Влияние температуры на равновесие NO2/N2O4» . chemed.chem.purdue.edu . 24 мая 2024 г. Проверено 24 мая 2024 г.

[:0-10] Перейти обратно: ^а ^б Лю, Юнда; Блюк, Дэвид; Брана-Мулеро, Франциско (01 января 2014 г.), Иден, Марио Р.; Сиирола, Джон Д.; Таулер, Гэвин П. (ред.), «Статическое и динамическое моделирование башни абсорбции NOx на основе гибридной модели реакции кинетического равновесия» , Компьютерная химическая инженерия , Материалы 8-й Международной конференции по основам автоматизированного проектирования процессов, том. 34, Elsevier, стр. 363–368, doi : 10.1016/b978-0-444-63433-7.50045-6 , ISBN. 978-0-444-63433-7 , получено 24 мая 2024 г.

[11] GB 190200698 , Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и оксидов азота», опубликовано 9 января 1902 г., выдано 20 марта 1902 г.

[12] GB 190208300 , Оствальд, Вильгельм , «Усовершенствования в производстве азотной кислоты и оксидов азота и связанные с ними», опубликовано 18 декабря 1902 г., выдано 26 февраля 1903 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]