Технология неорганических веществ и минеральных удобрений (стр. 19 )

Только введением в разбавленную азотную кислоту водоотнимающих средств (концентрированной серной кислоты, нитрата магния и др.) можно повысить давление насыщенных паров НNО3 и осуществить отгонку конценрированной азотной кислоты. Температуры кипения растворов серной кислоты значительно выше температур кипения концентрированной азотной кислоты, поэтому при дистилляции в парах будет находиться НNО3, а в кубовом остатке – водный раствор серной кислоты. Вода, ранее связанная с азотной кислотой, образует соединения с серной кислотой:

НNО3 *(Н2О)n +Н2SО4 = НNО3 + Н2SО4 * (Н2О)n

В процессе концентрирования азотная кислота частично разлагается на оксиды азота, образующие с серной кислотой нитрозилсерную кислоты. Поэтому нитрозилсерную кислоту необходимо денитрировать паром, причем полнее протекает этот процесс при концентрации серной кислоты ниже 70%. Расход серной кислоты определяется в зависимости от концентрации исходной азотной кислоты и расхода пара с учетом нагревания обработанной кислоты до 433К и разбавления ее до концентрации 68-70% Н2SО4.

Концентрирование разбавленных растворов азотной кислоты с помощью серной кислоты осуществляется в колоннах барботажного типа. Выделяющиеся в этих аппаратах пары азотной кислоты, конденсируются в холодильнике, охлажаемом водой, а разбавленная (отработанная) серная кислота после денитрации поступает на упаривание до конценрации 92-93% Н2SО4 и снова используется для концентрирования разбавленной азотной кислоты. Таким образом, серная кислота циркулирует в замкнутом цикле и расход ее обусловливается только производственными потерями.

Представляет интерес использование в качестве водоотнимающего средства нитрата магния вместо серной кислоты. Температрура кипения растворов нитрата магния примерно соответствует температурам кипения растворов серной кислоты в пределах концентарции 0-70% Н2SО4. Соотношение концентрированного раствора нитрата магния и поступающей азотной кислоты должно быть не менее 2.5, чтобы концентрация отработанного раствора нитрата магния была не ниже 55%. Установка концентрирования азотной кислоты состоит из отпарной и дистилляционной колонн, конденсатора концентрированной азотной кислоты и концентратора раствора нитрата магния.

Преимущество этого способа концентрирования азотной кислоты состоит взначительно мееньших эксплуатационных расходах (вдвое), меньших капитальных затратах (на 30-40%) и возможнотси получения азотной кислоты, не содержащей Н2SО4.Кроме того, устраняется загрязнение атмосферы серно-кислотным туманом.

Концентрированную азотную кислоту можно получить и методом прямого синтеза. Этот метод основан на применеии жидкого N2О4 и проведением процесса его взаимодействия с водой и кислородом под высоким давлением и при повышенной температуре.

Механизм получения концентрированной азотной кислоты по методу прямого синтеза можно представить в виде следующих уравнений:

N2О4(ж) ↔2 NО2(р) –56.9кДж

2NО2(р) +Н2О(ж) =НNО3 +НNО2(р) +74.8кДж

3НNО2(р) ↔ НNО3(р) + Н2О(ж)+2NО (г) –75.9кДж

2НNО2(р) +О2(г)↔ НNО3(ж) +8.96кДж

2NО (г) +О2(г) ↔ 2NО2(г) )↔ N2О4(ж)+202.7кДж

Суммарная реакция этого процесса

2N2О4(ж)+ 2Н2О(ж) + О2(г)↔ 4НNО3(ж) +78.8кДж

Технологический режим процесса синтеза концентрированной азотной кислоты должен обеспечить высокую степень превращения компонентов реакции и ее большую скорость. Для получения жидкого N2О4 требуется проведение новых операций, значительно изменяющих обычную схему производства азотной кислоты.

В основном применяется способ синтеза концентрированной азотной кислоты из нитрозных газов, полученных окислением аммиака воздухом. Этот процесс состоит из следующих стадий:

1) охлаждения нитрозных газов и отделения избытка воды;

2) окисления NО до NО2;

3) поглощения NО2 концентрированной азотной кислдотой;

4) разложения полученного раствора и выделение из него чистого N2О4 (здесь же производится и отбелка полученной концентрированной азотной кислоты для удаления оксидов азота);

5) конденсации N2О4;

6) переработки смеси N2О4 и разбавленной азотной кислоты под давлением при наличии кислорода.

2.Минеральные удобрения в народном хозяйстве

Еще в глубокой древности человек стал использовать для своих нужд некоторые широко распространенные природные соли. Затем постепенно стали применять соли, получаемые путем переработки естественных минералов. Методы этой переработки вначале были весьма примитивными и совершенствовались по мере развития культуры. Ассортимент солей, используемых для самых различных целей, непрерывно возрастал и особенно увеличился в период развития промышленности. В н. в. этот ассортимент исчисляется сотнями наименований, и продолжает расти.

Не все неорганические соли имеют одинаковое хозяйственное значение. Некоторые из них применяют в весьма ограниченных количествах, масштабы же мировой добычи и производства других достигают миллионы и даже десятков миллионов тонн в год. Из всех минеральных солей, изготавливаемых искусственными способами, в самых крупных масштабах производят те, которые используют в качестве сельскохозяйственных удобрений. Их называют также туками. Удобрения – это вещества, предназначенные для улучшения питания растений и повышения плодородия почвы.

2.1.Агротехническое значение минеральных удобрений.

Для возделывания сельскохозяйственных культур используют всего 10% поверхности Земли, и при этом возможности увеличения посевных площадей в мире исчерпаны. Между тем население планеты непрерывно возрастает, и для обеспечения его пищей необходимо значительное повышение урожайности. Одним из важнейших путей для достижения этого является применение минеральных удобрений.

Почти все минеральные удобрения являются солями, получаемыми из природных минералов, а также из азота воздуха. К ним относятся такие продукты, как суперфосфаты, соли калия, сульфат, нитрат и фосфат аммония и др. Минеральными удобрениями называют соли и другие неорганические промышленные или ископаемые продукты, содержащие элементы, необходимые для развития растений и улучшения плодородия почвы, используемые с целью получения высоких и устойчивых урожаев. Основную массу удобрений вносят в почву под посевы. Некоторые виды удобрений используют и для некорневого питания растений.

В образовании ткани растения, в его росте и развитии участвует большинство химических элементов (около 60). Основными из них, образующими 90% массы сухого вещества растений, являются углерод, кислород и водород; 8–9% растительной массы составляют: азот, фосфор, магний, сера, кальций, калий и железо. На долю остальных элементов приходится всего 1–2%; к ним относятся такие жизненно важные элементы, как бор, железо, медь, марганец, цинк, молибден, кобальт и др. Основную массу кислорода, углерода и водорода растения получают из воздуха и воды, остальные элементы они извлекает из почвенного раствора.

Особенно важную роль в минеральном питании растений играет азот; он входит в состав белков, являющихся основой растительной и животной жизни. Белки – главная составная часть протоплазмы и ядра клетки. Азот входит и в состав хлорофилла, с помощью которого растения ассимилируют углерод из находящегося в атмосфере диоксида углерода и солнечную энергию.

Соединения фосфора играют важную роль в дыхании и размножении растений. Они содержатся во многих жизненно важных веществах растительной ткани (ферментах, витаминах и др.). Наибольшее их количество находится в семенах в виде сложных белков – нуклеопротеидов (до 1.6% в пересчете на Р2О5), из которых построены хромосомы – носители наследственности. Усиление питания фосфором увеличивает количество семян, т. е. долю зерновых культур, повышает засухоустойчивость, морозостойкость растений и содержание в них ценных веществ – крахмала в картофеле, сахарозы в сахарной свекле и т. п.

Важное значение в регулировании жизненных процессов, происходящих в растении, имеет калий. Он улучшает водный режим, способствует обмену веществ и образованию углеводов. Содержание калия (К2О) в сухом веществе растения достигает 4–55, а в золе листьев – 30-60%.

Некоторые элементы, требующиеся в ничтожных количествах, как, например, железо, почти всегда находятся в любой почве. Элементы же, необходимые растениям в большом количестве, в особенности азот, фосфор, калий вносят в виде удобрений. В природе происходит естественный круговорот питательных элементов, в результате которого они возвращаются в почву. Так, азот, находящийся в ткани растения в органической форме, при гниении частично переходит в аммиачную форму, затем с помощью бактерий – в нитратную и нитритную формы, и вновь усваивается растением. Используется также и некоторое количество свободного азота из воздуха, ассимиляция которого происходит в результате деятельности развивающихся на корнях растения клубеньковых бактерий. Атмосферный азот фиксируется также при грозовых разрядах – из азота и кислорода воздуха образуются оксиды азота, которые при взаимодействии с влагой превращаются в азотную кислоту. Последняя поступает вместе с дождями в почву, где она с основаниями образует нитраты.

Однако часть элементов питания, израсходованных на развитие растений, в почву не возвращается – она выносится с урожаем. Значительная их часть вымывается из почвы дождевыми водами или в результате взаимодействия с компонентами почвы оказывается в форме, не пригодной для усвоения растениями.

Если уменьшение содержания действующих, т. е. питательных, веществ в почве не будет компенсироваться внесением удобрений, она будет истощаться, что приведет к падению урожайности. Это может произойти, когда в почве содержатся еще весьма большие запасы необходимых для питания растений элементов, т. к. урожай зависит не от общего, валового их запаса, а только от той части, которая находится в усвояемой растениями форме. Эта часть составляет лишь некоторую долю общего запаса и постепенно пополняется за счет последнего, однако пополнение идет значительно медленнее, чем вынос питательных веществ из почвы с урожаем. Поэтому внесение удобрений является одним из важнейших агротехнических мероприятий, обеспечивающих высокие урожаи.

Хорошо растворимые азотные удобрения, особенно нитраты, вымываются из почвы. Некоторая доля азота под действием микроорганизмов восстанавливается из иона NО3- до N2 и N2О и улетучивается в атмосферу (денитрификация). Поэтому минеральный азот в почве практически не накапливается и его необходимо вносить в больших количествах. Вынос фосфора с урожаем в 2-3 раза меньше, чем азота. Верхний слой почвы содержит 0.02-0.5% фосфора в виде органических и неорганических соединений. Фосфор малоподвижен в почве и может в ней накапливаться, но при этом часть его превращается в формы, плохо усваиваемые растениями. Поэтому приходится вносить значительные количества фосфорных удобрений. Чем выше урожайность, тем больше выносится из почвы питательных веществ.