Acido nitrico: produzione industriale.

La produzione di acido nitrico per ossidazione di ammoniaca (processo Ostwald) è un processo industriale che, pur essendo abbastanza complesso, ha soppiantato i metodi basati sulla sintesi diretta da azoto e ossigeno, grazie alla disponibilità di ammoniaca a basso costo e alla completa autosufficienza energetica del processo che prevede  reazioni esotermiche. Il processo si basa sulle seguenti reazioni:

1)      4 NH3 + 5 O2 ⇄  4 NO + 6 H2O   ΔH = – 54 kcal/mol

L’ossidazione dell’ammoniaca è un processo reversibile e esotermico quindi, in accordo con il Principio di Le Chatelier una diminuzione di temperatura sposta l’equilibrio verso destra.

2)      2 NO + O2 ⇄    2 NO2    ΔH = – 13.5 kcal/mol

Il monossido di azoto ottenuto dall’ossidazione dell’ammoniaca ha un’alta temperatura e, al fine di ridurla, viene fatto passare attraverso uno scambiatore di calore dove la sua temperatura è partata a 150°C. Successivamente il monossido di azoto viene trasferito un un’altra camera di ossidazione dove, alla temperatura di circa 50°C , viene ossidato a biossido di azoto

3)      3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO    ΔH = 16.1 kcal/mol

Il biossido di azoto dalla seconda camera di ossidazione viene introdotto in una speciale torre di assorbimento dove reagisce con l’acqua per dare acido nitrico.

processo ostwald

La reazione 1) è in concorrenza con alcune reazioni parassite che portano alla ossidazione di ammoniaca ad azoto, non ulteriormente ossidabile:

4)      4 NH3 + 3 O2 →  2 N2 + 6 H2O   ΔH = – 75.5 kcal/mol

5)      4 NH3 + 6 NO  →  5 N2 + 6 H2O  ΔH = – 108 kcal/mol

Le reazioni coinvolte non sono molto sensibili a variazioni di pressione, tuttavia si lavora a valori moderati di pressione (6-10 atm) per ridurre il volume complessivo delle apparecchiature. Questa compressione viene effettuata con compressori rotativi che sfruttano l’energia di espansione dei gas di coda e di una parte del vapore prodotto nell’impianto stesso: in alcuni impianti la pressione è ulteriormente aumentata (10-15 atm) nello stadio finale di assorbimento di biossido di azoto.
I gas compressi ( NH3 e aria  in eccesso) vengono inviati nel reattore dove ha luogo la reazione 1) catalizzata da reti di palladio-rodio; i tempi di contatto sono brevissimi per aumentare le rese di formazione di ossido di azoto a scapito delle reazioni parassite 4) e 5).

La temperatura sale a valori intorno a 850 °C: le rese ottenute sono del 97-97.5 %. Dopo la reazione di ossidazione i gas cedono il proprio contenuto termico nel preriscaldamento dei gas di coda e nella produzione di vapore; in questa fase ha luogo la reazione 2) che è ovviamente favorita da alte percentuali di ossido di azoto e ossigeno nella miscela e da valori bassi della temperatura. I gas raffreddati vengono poi inviati in una o più colonne a piatti nelle quali circola in controcorrente acqua che dà luogo alla reazione 3).

Bisogna osservare, tuttavia, che la reazione 2) come le 1), 4) e 5) rappresenta più che altro un tentativo di schematizzare il processo globale che avviene nella fase di assorbimento e non una reazione chimica vera e propria: il processo probabilmente avviene attraverso un disproporzionamento di biossido di azoto per dare acido nitrico e acido nitroso che riforma ossido di azoto. Per ridurre al minimo la percentuale di ossidi nitrosi presenti all’uscita dalla colonna di assorbimento, quest’ultima è piuttosto ampia con tempi di residenza elevati in modo da permettere all’ossigeno, sempre in eccesso, di riossidare gli ossidi formatisi a biossidi che possono essere ulteriormente assorbiti.

Si ricorda che il tempo di residenza anche detto tempo di permanenza è definito come V/Ṽ = τ con V il volume in m3 e Ṽ la portata in m3/s e serve a dare una descrizione quantitativa del tempo trascorso da un certo fluido con flusso costante all’interno di un reattore. 

Si riesce così ad avere dei gas di coda con un contenuto di ossidi dello 0.1-0.2 % e un rendimento globale del processo valutabile intorno al 95-96 % di ammoniaca trasformata in acido nitrico.
Poiché la velocità della reazione di assorbimento diminuisce con l’aumentare della concentrazione dell’acido nitrico fino a diventare praticamente nulla per valori di concentrazione superiori al 65 % tale valore rappresenta la concentrazione massima ottenibile per un impianto normale.

L’acido nitrico così ottenuto è adatto per un buon numero di impieghi industriali, mentre per altri e, in particolare, per molte nitrazioni organiche, è necessario un acido più concentrato. Esso può essere ottenuto per disidratazione dell’acido meno concentrato con acido solforico concentrato.

 

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Author: Chimicamo

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