Абсорбция оксида азота водой.

Все оксиды азота, входящие в состав нитрозных газов, нерастворимы в воде, но, за исключением оксида азота (II), взаимодействуют с ней. Поглощение их водой сопровождается химической реакцией хемосорбции, протекающей в системе «газ-жидкость», описываемой уравнениями:

2NO₂+H₂O ⇄ HNO₃+HNO₂-∆H, где: ∆H = 116 кДж (7.11)

N₂O₄+H₂O ⇄ HNO₃+HNO₂-∆H, где: ∆H = 59 кДж (7.12)

и распада нестойкой азотистой кислоты по уравнению:

3HNO₂ ⇄ HNO₃+2NO+H₂O+∆H, где: ∆H = 76 кДж (7.13)

Суммируя уравнение (7.11) и (7.13), (7.12) и (7.13), получаем итоговые уравнения поглощения оксидов азота водой:

3NO_2г+H₂O_ж ⇄ 2HNO_3ж +NО_г-∆H, где: ∆H=136 кДж, (7.14)

3N₂O_4г+2H₂O_ж⇄4HNO_3ж+2NО_г-∆H, где: ∆H=101 кДж (7.15)

Из этих уравнений следует, что при абсорбции из трех моль оксида азота (IV) образуется два моля азотной кислоты и один моль оксида азота (II), который возвращается в цикл и снова окисляется до оксида азота (IV).

Механизм образования азотной кислоты при абсорбции оксида азота (IV) водой, а затем образующейся водной азотной кислотой, заключается в том, что оксид азота (IV) диффундирует через пограничный слой газа к поверхности жидкости и абсорбируется ею. При этом оксид азота (IV) реагирует с водой согласно реакции (7.11) со скоростью, прквышает скорость диффузии и скорость реакции разложения азотистой кислоты (реакция 7.13).

Далее в жидкой фазе происходит сравнительно медленное разложение азотистой кислоты по реакции (7.13). Образующейся NO частично окисляется в растворе кислородом, но его большая часть взаимодействует с кислородом уже в газовой фазе.

Одновременно с абсорбцией и протеканием химических реакций в растворе в газовой фазе частично происходят те же реакции, приводящие к образованию азотной кислоты. Медленным процессом, определяющим скорость поглощения оксидов азота, является диффузия их в жидкую фазу. При взаимодействии паров воды и диоксида азота в газовой фазе происходит образование кислотного тумана, вследствие этого создается дополнительное сопротивление при поглощение оксидов азота.

K-коэффициент массопереачи

Скорость процесса абсорбции диоксида азота водой описывается уравнением для гетерогенных процессов:

где ∆р-движущая сила абсорбции,

р_NO2 - парциальное давление NO₂ в газовой фазе,

- равновесное давление NO₂ у поверхности водного раствора азотной кислоты.

С повышением концентрации кислоты в процессе абсорбции возрастает равновесное давление оксида азота (IV) и снижается движущая сила процесса. Вследствие этого процесс абсорбции замедляется.

Состояние системы «NO₂-HNO₃-H₂O», следовательно, концентрация получаемой азотной кислоты зависит от температуры, давления, парциального давления оксида азота (IV) в поглощаемой газовой смеси и концентрации образовавшейся кислоты. При понижении температуры и концентрации кислоты и повышения давления степень абсорбции оксида азота (IV) водной азотной кислотой возрастает, при том тем интенсивнее, чем выше концентрация его в нитрозных газах. При атмосферном давлении и температуре 25⁰С абсорбция оксида азота практически прекращается, когда концентрация кислоты достигнет 0,65 мас. долей. При концентрации азотной кислоты выше 65% поглощение почти прекращается.

Таким образом, возможность получения азотной кислоты концентрацией более 0,65 мас. долей объективно ограничена температурой и давлением процесса абсорбции и содержанием оксида азота (IV) в нитрозных газах. В реальных условиях производства при температуре 40⁰С, давлении 0,1 МПа и понижении содержания оксида азота вследствие его поглощения из газа концентрация получаемой кислоты не превышает 0,5 мас.дол.

Следует отметить, что степень окисления NO в NO₂ зависит от свободного объема, а количество поглощаемых оксидов азота – от поверхности соприкосновения газа с жидкостью. Поэтому одно из основных требований, предъявляемое к абсорбционной аппаратуре, - создание максимального свободного объема при одновременно сильно развитой поверхности поглощения.

В промышленности используют различные типы абсорбционных колонн с колпачковыми тарелками, с ситчатыми тарелками, переливными стаканами и др.