Процесс Оствальда
2011-02-21
Процесс Оствальда представляет собой химический процесс производства азотной кислоты, который с исторической и практической точки зрения тесно связан с процессом Хабера, обеспечивающим необходимое сырье - аммиак.
В процессе Оствальда конверсия аммиака в азотную кислоту осуществляется в два этапа. На первом этапе происходит каталитическое окисление аммиака атмосферным кислородом на платиновой катализаторной сетке с образованием окиси азота (NO). Этому этапу свойственна высокая экзотермичность, что, после инициирования, делает его полезным источником тепла:
4 NH3 (g) + 5 O2 (g) → 4 NO (g) + 6 H2O (g) (ΔH = −950 кДж/моль)
В окислительной среде окись азота продолжает окисляться с получением двуокиси азота (NO2)
2 NO (g) + O2 (g) → 2 NO2 (g) (ΔH = −114 кДж/моль)
На втором этапе этот газ легко абсорбируется водой, давая на выходе желаемый продукт,
3 NO2 (g) + H2O (l) → 2 HNO3 (aq) + NO (g) (ΔH = −117 кДж/моль)
с одновременным восстановлением его части в NO, которая поступает на рециркуляцию, а кислота подвергается концентрации до необходимой степени посредством дистилляции.
Типичными условиями первого этапа являются показатели давления в диапазоне от атмосферного до 14 атмосфер, а также показатели температуры в диапазоне от 780 до 950°C. Первый этап обеспечивает общий выход примерно от 93 до 98%, в зависимости от рабочих параметров и нагрузки отдельного процесса.
Были проведены многочисленные исследования для выяснения механизма каталитического окисления аммиака на платиновых катализаторных сетках с целью сокращения побочных реакций снижающих выход с восстановлением азота в N2
4 NH3 (g) + 3 O2 (g) → 2 N2 (g) + 6 H2O (g) (ΔH = −1.266 кДж/моль)
и вторичных реакций, образующих N2O
4 NO + 4 NH3 + 3 O2 → 4 N2O + 6 H2O (ΔH = −1.104 кДж/моль)
Производство N2 связано с наивысшим тепловым эффектом реакции и вызывает существенное повышение температуры в автотермических промышленных реакторах при снижении селективности к NO из-за каталитического старения.
Начальным этапом в последовательности реакций является адсорбция аммиака и кислорода на поверхности платиновых катализаторных сеток.
После адсорбции аммиака происходит его дегидрогенизация поверхностным кислородом. На последующем этапе реакции оставшиеся атомы сорбированного азота димеризуются и образуют N2 или реагируют с последующим поверхностным кислородом с получением NO. Селективность к желаемому продукту NO зависит от разбавления атомов адсорбированного азота атомами поверхностного кислорода, иными словами – от соотношения O2/NH3 в первоначально подаваемом газе. Увеличение соотношений O2/NH3 оказывает негативное влияние на повышение выхода NO.
Зависимость выхода от температуры отражается на количестве образовавшегося N2O. N2O образуется на вторичном этапе реакции между молекулами NO и сорбированными атомами N на поверхности катализатора.
Низкие температуры катализаторов снижают скорость десорбции образовавшихся молекул NO на поверхности катализатора и являются причиной повышенной эмиссии N2O с катализатора.