Kwas azotowy (V) jest cieczą, bezbarwną, dymiącą na powietrzu. Z wodą miesza się bez ograniczeń. Bezwodny oraz stężony roztwór kwasu azotowego (V) pod wpływem światła łatwo ulega rozkładowi na tlen, tlenek azotu (IV) brunatniejący na powietrzu oraz wodę według równania:

4 HNO3 → 4 NO2 + 2 H2O + O2

Jest bardzo silnym kwasem o właściwościach żrących, czego dowodem mogą być żółte plamy tworzące się skórze po kontakcie z tym kwasem (tzw. reakcja ksantoproteinowa) lub zwęglone drewno. Odznacza się silnymi właściwościami utleniającymi.

Znajduje szerokie zastosowanie w produkcji nawozów sztucznych, barwników i paliw rakietowych. Jest także ważnym substratem dla farmacji.

Z tego względu ważną gałęzią przemysłu chemicznego jest otrzymywanie kwasu azotowego (V). Ponieważ zapotrzebowanie na ten kwas jest wysokie, należało znaleźć metodę stosunkowo tanią i łatwą. Główny pierwiastek wchodzący w skład cząsteczki kwasu azotowego (V) to azot. Duże ilości azotu znajdują się w powietrzu (stanowią ok. 78 %), dlatego to właśnie azot otrzymywany metodą destylacji frakcyjnej powietrza, jest używany w przemysłowej metodzie produkcji kwasu azotowego.

Pierwszym etapem jest synteza amoniaku, przedstawiona równaniem reakcji chemicznej:

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Otrzymany amoniak stanowi podstawowy substrat w dalszym procesie produkcji kwasu.

Amoniak jest gazem, bezbarwnym, łatwo rozpuszczającym się w wodzie (tworząc roztwór o odczynie zasadowym). Naturalnie powstaje w procesie gnicia organizmów, a dokładnie białek. Oprócz zastosowanie w produkcji kwasu jest używany do wyrobu nawozów sztucznych (soli amonowych).

Drugi etap, zaliczany o właściwej produkcji kwasu azotowego to utlenianie amoniaku w temperaturze ok. 800 [ºC] z zastosowaniem katalizatora platynowego, w wyniku tego procesu powstaję tlenek azotu (II) oraz woda. Otrzymywanie w ten sposób tlenku azotu (II) jest nazywane metodą Ostwalda.

4 NH3 + 5 O24 NO + 6 H2O

Tlenek azotu (II) to gaz, bezbarwny, o charakterze obojętnym. Jest utleniany do tlenku azotu (IV), który samorzutnie przekształca się postać dimeryczną. Reakcja spalania tlenku azotu (II) zachodzi powoli, i to od szybkości przebiegu tej reakcji zależy efektywność procesu technologicznego. Należy zaznaczyć, iż jest reakcja przebiegająca odwracalnie, egzotermicznie, wraz ze zmniejszeniem objętości układu.

2 NO + O2 = 2 NO2

2 NO2 = N2O4

Tlen używany do spalania amoniaku oraz tlenku azotu (II) pozyskuje się z powietrza (zawartość tlenu w powietrzu to ok. 21 %). Przed skierowaniem go do reakcji, oczyszcza się je i odpyla, tak by zawierało jak najmniej zanieczyszczeń. Do utleniania tlenku azotu (II) używa się czystego tlenu.

Z chemicznego punktu widzenia ostatnim etapem otrzymywanie kwasu azotowego (V) jest reakcje tlenku azotu (IV) z wodą. W jej wyniku powstaje oprócz właściwego kwasu tlenek azotu (II). Reakcja ta zachodzi dwuetapowo, pierwszym jej etapem jest powstawanie kwasu azotowego (III), który następnie rozkłada się na kwas azotowy (V) wodę oraz tlenek azotu (II).

N2O4 + H2O → HNO2 + HNO3

3 HNO2 → HNO3 + H2O + 2 NO

Sumarycznie te dwie reakcje można zapisać:

3 NO2 + H2O → 2 HNO3 + NO

Proces technologiczny:

W celu przeprowadzenia całego cyklu opisanych wyżej reakcji niezbędna jest odpowiednia aparatura, umożliwiająca wydajne ekonomicznie uzyskanie kwasu azotowego (V) na skalę przemysłową.

Zakłady przemysłowe używają kilku wież, zazwyczaj ich liczba waha się od 7 do 9, dzięki którym oczyszcza się otrzymywany kwas z tlenków azotu. Mają one jednakową wielkość, którą dobiera się w zależności od stężenia oraz skali, na jaką chce się produkować kwas azotowy. Wieże te są ze sobą połączone w szereg od pierwszej do ostatniej. W jednym kierunku przepływają przez nie gazy, w drugim przepływa kwas. Z jednej strony tego szeregu (do wieży ostatniej) dostarcza się wodę, umożliwiającą przeprowadzenie reakcji tlenków azotu do kwasu azotowego. Z tego względu w wieży ostatniej stężenie tlenków azotu jest najmniejsze. Kwas następnie przepływa do kolejnej wieży ( do przedostatniej i wcześniejszych)- w nich stężenie kwasu jest coraz większe, natomiast maleje w nich stężenie tlenków azotu. Gotowy kwas azotowy odbiera się z wieży pierwszej lub drugiej, w których jego stężenie wynosi ok. 50 %.

Gazy najpierw ochładza się w specjalnym kotle parowym, gdzie osiągają temperaturę ok. 200ºC a następnie przeprowadza się je do rurkowych chłodnic, w których są schładzane do ok. 35ºC. W nich następuje skroplenie pary wodnej , w temperaturze poniżej 200ºC zaczyna też reagować tlenek azotu (II) z tlenem i utlenia się do tlenku azotu (IV), który z kolei łatwo łączy się ze skroploną para wodną tworząc rozcieńczony kwas. Tak schłodzone gazy są wtłaczane przez wentylator do pierwszej wieży, do której dostarczane jest także powietrze. Ilość tego powietrza jest specjalnie kontrolowana, tak by w gazach uchodzących z cyklu po absorpcji zostawało tylko ok. 3 % tlenu. Gdyby dostarczano więcej powietrza poprawiłoby się utlenianie tlenku azotu (II), lecz jednoczenie obniżyłoby się jego stężenie, a więc i wydajność całego procesu. Wnętrze każdej z wież jest pokryte tzw. pierścieniami Raschiga umożliwiającymi jak najlepszą absorpcje gazów. W wieżach przeprowadzane są egzotermiczne reakcje utleniania tlenku azotu (II), więc wydzielające się ciepło należy odprowadzić z układu. Kwas powstający w wieżach jest schładzany w chłodnicach i dalej transportowany do kolejnej wieży.

Trzeba zauważyć, iż wieże muszą być budowane ze specjalnych kwasoodpornych materiałów. Dziś wykonuje się je głównie z chromoniklowej kwasoodpornej stali oraz cegieł zawierających oppanol. Dawniej stosowanymi materiałami były cegły kwasoodporne. Pierścienie Raschiga buduje się z glazurowej kamionki.

W procesie produkcji kwasu azotowego ważne jest odpowiednie dobranie objętości wież w stosunku do ilości kwasu przypadającego na 1 m3. Bowiem utlenianie tlenku azotu (II) jest reakcja zachodzącą powoli i wymagającą, by gazy przepływały powoli. Zaradzić temu może tylko duża objętość wież- wtedy absorpcja zachodzi z wysoką wydajnością.

W wyniku przedstawionych powyżej procesów absorpcji tzw. kwaśnej zawartość tlenków azotu jest niewielka i wynosi ok. 0,8 %. Tą pozostałą ilość usuwa się druga absorpcją tzw. alkaliczną. Przeprowadza się ją w dwóch innych wieżach, które zazwyczaj są mniejsze od pozostałych. Ściany tych wież są zraszane 20% roztworem węglanu wapnia, który ma odczyn zasadowy. Pozostały tlenek reaguje z węglanem wapnia według równania reakcji:

2 NO2 + Na2CO3 → NaNO3 + NaNO2 +CO2

Następnie azotan (III) sodu reaguje z gorącym kwasem azotowym (V):

2 NaNO2 + 2 HNO3 → NO + NO2 + H2O + 2 NaNO3

Dzięki temu procesowi w pozostałym rozworze znajduje się tylko ok. 0,1 % tlenku azotu (II).

Natomiast gazy, które powstają w ty procesie zawierają aż 97 % azotu i tego względu często są wykorzystywane ponownie do produkcji amoniaku.

Dane statystyczne przedstawiające ilościowo nakłady potrzebne do produkcji 1 tony kwasu azotowego (V)

Stężenie amoniaku, którego używa się do reakcji

9- 11 %

Wydajność procesu utleniania amoniaku

95- 98 %

Zawartość tlenków azotu w kwasie przed aborcją kwaśną

10%

Zawartość tlenków azotu w kwasie po absorpcji kwaśnej

0,8 %

Zawartość tlenków azotu w kwasie po absorpcji alkalicznej

0,1 5

Zużycie wody w m3

80- 100

Wytwarzana para wodna

200 kg

Masa potrzebnej platyny

0,06- 0,07 gram

Wydajność przemiany amoniaku w kwas azotowy (V)

90- 94 %

Objętość wież do absorpcji kwaśnej

60- 65 m3

Objętość wież do absorpcji alkalicznej

12 -20 m3

Temperatura powietrza

180-250 º C