Ácido Nítrico hno3

Matériasprimas Quais as MPs necessárias pureza das MPs utilizadas Mostrar as composições possíveis das MPs e escolher uma composição fixa de cada MP Reação ões Principal ais Rendimento das reações Tipo de Reator utilizado Batelada ou Contínuo 1 MatériasPrimas 31 Quais as MPs necessárias As principais matérias primas necessárias para a fabricação do ácido nítrico são amônia óxigenio e catalisador Durante o processo é normal a mudança de catalisador para um de platina ou ródio dependendo da necessidade da fabricação Como impurezas a água também está presente no processo mas acaba sendo retirada no reator de absorção 32 pureza das MPs utilizadas AMÔNIA ANIDRA A porcentagem da pureza da amônia anidra está em 999 pois é o reagente essencial para a produção do ácido nítrico e não é dissolvida em água e qualquer impureza nessa MP pode afetar totalmente o ácido nítrico ÓXIGÊNIO O óxigênio também tem sua pureza relatada em 999 pois também é muito importante para a produção e qualquer impureza pode ocasionar em falhas no processo CATALISADOR Sua porcentagem chega a 999 tendo uma grande importancia no processo do ácido nítrico 33 Mostrar as composições possíveis das MPs e escolher uma composição fixa de cada MP Matéria prima 1 Amônia Anidra Amônia pura não contem nenhuma impureza incolor e sem odor Amônia aquosa dissolvida em água viscoso e incolor com um odor forte Amônia diluída dissolvida em pequenas quantidades de água líquido claro com odor menos forte Amônia anidra não contém água incolor e sem odor Amônia contaminada contém impurezas afeta aplicações e propriedades da amônia Composição escolhida Amônia pura Matéria prima 2 Óxigênio Óxigênio puro não contém impurezas incolor e sem odor Óxigênio atmosférico presente na atmosfera mistura de O2 e O3 Óxigênio dissolvido dissolvido an água essencial para a vida aquática Óxigênio combinado presente em outros elementos para formação de compostos químicos como o CO2 Composição escolhida Óxigênio puro Matéria prima 3 Catalisador Metais comuns para ma variedade de reações químicas como platina ródio e cobre Óxidos metálicos reações de oxidação como óxido de titânio e óxido de zinco compostos orgânicos reações de polimerização como ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio enzimas catalisadores biológicos cujo seu objetivo é acelerar as reações químicas do corpo humanoComposto escolhido metais 2 Reaçãoões Principalis Neste tópico iremos apontar as principais reações envolvidas no processo para a obtenção do ácido sulfúrico e seus rendimentos Como visto previamente o primeiro tópico do trabalho as principais etapas no processo de obtenção do ácido sulfúrico são Preparação da amônia Oxidação da amônia Oxidação do óxido nítrico Hidratação do dióxido de nitrogênio Concentração do ácido nítrico Baseandose nessas etapas do processo mostraremos mais afundo as principais reações químicas envolvidas 41 Rendimento das reações Preparação da amônia Inicialmente abordaremos a reação envolvida na primeira etapa de todo o processo do ácido nítrico A principal reação envolvida nesse processo é N2 3H2 2NH3 É uma reação que é utilizado um catalisador de ferro sendo exotérmica libera calor Esse processo é chamado de HaberBosch usando um reator de alta temperatura e pressão sendo bem complexo e por isso requer grande nível de controle Percebese que nesta reação o nitrogênio é limitante significando que o reagente determina a quantidade de produto formado sendo sua proporção entre nitrogênio e hidrogênio de 1 para 3 Em termos de porcentagem mostrase que o nitrogênio representa 333 do reagente e o hidrogênio 666 Oxidação da amônia Nesse processo temos como objetivo principal começar a transformar a amônia em óxido nítrico sendo ela a reação 4NH3 302 2N2 6H20 Nessa parte da reação é possível perceber que os catalisadores aumentam a velocidade da reação mas acabam não sendo consumidos A reação é catalisada por metais como a platina e o ródio nessa parte Oxidação do óxido nítrico Nesse processo a reação química é onde o óxido nítrico é oxidado a um composto de nitrogenio mais oxidado sendo exibida da seguinte forma 2NO O2 2NO2 Sendo uma reação exotérmica libera calor também é reversível Com isso há a obtenção do dióxido de nitrogênio como intermediário de todo nosso processo para a obtenção final do ácido nítrico Hidratação do dióxido de nitrogênio Nesse momento é onde o dióxido de nitrogênio é transformado em ácido nítrico sendo sua fórmula quimica 3NO2 H20 2HNO3 NO Com isso temos dois mols de dióxido de nitrogênio NO2 reagindo com um mol de água H20 produzindo um mol de ácido nítrico HNO3 e um mol de ácido nitroso HNO2 Concentração do ácido nítrico Primeiramente a temos a reação de conversão ocorrendo a transformação do dióxido de nitrogênio em ácido nítrico por solução aquosa Esse processo é realizado em altas temperaturas sendo 6080 C e pressões de 12 atm É usado normalmente o ácido sulfúrico como catalisador fornecendo uma superfície para que haja uma oxidação das moléculas de dióxido de nitrogênio Nessa etapa final o ácido nítrico é submetido a destilação fracionada e medido de diversas maneiras para observar se está em um nível utilizavel para suas diversas funções sendo especificamente concentrado por evaporação de água 3 Tipo de reator utilizado Os reatores podem ser classificados em dois principais tipos reator contínuo ou reator batelada Contínuo Esse tipo de reator é um dispositivo no qual é permitido que a reação ocorra de uma forma contínua Temos os reagentes que são introduzidos no reator e os produtos são continuamente removidos Nesse reator temos uma variedade de usos como a produção de produtos químicos até a purificação de água Há dois tiipos de reatores contínuos sendo eles Tubular reagentes e produtos fluem através de um tubo tanque agitado reagentes misturados em um tanque por um agitador Tem seu grande foco em produção de larga escala e por um maior período de tempo Batelada Produção feita em lotes e sempre finalizando após a produção de cada lote Temos como diferenciação uma maior flexibilidade no processo de diferentes produtos de um mesmo equipamento e com um grande objetivo de ajustar a produção dependendo da demanda A escolha do reator depende do que é mais necessário e específico para a produção do ácido nítrico Portando tiramos nossa conclusão que o mais adequado para a produção seria o reator contínuo Escolhemos esse tipo de reator pois são mais eficientes quando comparados aos batelados tendo em vista o objetivo da reação ocorra mais uniforme e além de ser mais controlado Observamos que para a produção também o reator contínuo ajuda na produção de grande escala tendo esse objetivo como o mais importante entre todos e assim sendo o reator mais apropriado para nossa produção do ácido nítrico httpssitesgooglecomsitescientiaestpotentiaplusacidonitrico httpssitesgooglecomsitescientiaestpotentiaplusacidosulfuricoacidosulfurico propriedadesquimicas httpssitesgooglecomsitescientiaestpotentiaplusconcentracaodeacidonitricocom acidosulfurico httpswwwtodamateriacombrnumerodemolemassamolar httpspropeqcomcomoescolheromelhorreatorindustrialparaseuprocesso textOs20reatores20contC3ADnuos20sC3A3o20aquelesrea C3A7C3A3o20ocorre20em20seu20interior httpssistemaseeluspbrdocentesarquivos5817712LOQ4022Acido20nitricopdf httpspubsacsorgdoi101021ct100754m httpswwwcontattocombracidonitricotransportecomercio httpssitesgooglecomsitescientiaestpotentiaplusacidonitricoacidonitrico aplicacoes httpssistemaseeluspbrdocentesarquivos5840581282Apres2003pdf 1 INTRODUÇÃO O elemento nitrogênio possui diversas funcionalidades na natureza e comercialmente É um elemento de número atômico 7 e possui diversas características que o tornam propenso a gerar substâncias diversas devido à sua capacidade de interagir com outros elementos possuindo 5 elétrons na sua camada de valência e realizar ao menos três ligações químicas Além disso possui elevada eletronegatividade que garante que durante as ligações com outros elementos a nuvem de elétrons tenha a tendência a se concentrar no nitrogênio aumentando a sua capacidade de realizar ligações intermoleculares sendo um os três elementos que possui a capacidade de realizar ligações de hidrogênio Tais características garantem ao nitrogênio características únicas e essenciais sendo este o quinto elemento mais abundante do universo e compondo a principal molécula da atmosfera terrestre ocupando 78 do seu volume total além disso é um potente fertilizante utilizado na agricultura Sua versatilidade possui grande importância comercial sendo aplicado em áreas diversas e responsável pela produção de uma infinidade de fármacos fertilizantes corantes fibras sintéticas plásticos inseticidas etc Sua característica eletronegativa o proporciona tornarse um ácido forte caracterizandoo como poderoso agente oxidante possuindo a capacidade de nitração de compostos orgânicos e portanto é utilizado no processo de fabricação do TNT trinitrotolueno e do KNO3 nitrato de potássio importante na fabricação de ácido nítrico o qual possui grande importância industrial devido às suas propriedades como ácido forte poderoso agente oxidante capacidade de nitração de compostos orgânicos e dissolução de um grande número de metais como cobre e prata Se misturado com ácido clorídrico concentrado dáse origem a aqua regis água régia na qual dissolve metais mais nobres como o ouro Outra importante função é a passivação de metais como o ferro e o alumínio auxiliando na formação de uma camada protetora a fim de evitar corrosão em tubulações de aço inoxidável por exemplo O ácido nítrico foi descoberto há mais de mil anos e sua síntese foi obtida pela primeira vez pelo alquimista árabe Jabir ibn Hayyan Geber no século XIII na qual era feita através de um processo de destilação em um alambique de uma mistura de vitríolo sulfato ferroso heptahidratado FeSO47H2O alúmen Al2SO43K2SO424H2O e salitre nitrato de potássio KNO3 ou nitrato de sódio NaNO3 Em 1648 Johann Rudolf Glauber químico alemão desenvolveu a destilação salitre com ácido sulfúrico em que a solução era aquecida em retortas onde o ácido nítrico era destilado e condensado Em 1825 a descoberta da produção Chile saltpetre a partir de uma mistura de chile salitre composta por NaNO3 3560 KNO3 e NaCl proporcionou o crescimento na produção de ácido nítrico CHIANELLO 2018 Este composto é fortemente ácido e corrosivo e por isso é caracterizado como forte agente oxidante como já mencionado Ele solidificase a 42 C formando cristais brancos e sua temperatura de ebulição é 86 C porém em presença de luz pode haver uma decomposição parcial gerando o dióxido de nitrogênio que permanece dissolvido no meio líquido dandolhe uma coloração que pode variar do amarelo ao vermelho dependendo do teor encontrado em solução Sua molécula possui estrutura de Lewis conforme ilustrado na figura 1 a seguir Figura 1 Estrutura de Lewis da molécula de Ácido Nítrico 201 Fonte CHIANELLO 2018 Esta substância é considerada forte significando que sua molécula é totalmente dissociada em solução aquosa Ele pode atuar com base em uma solução contendo ácido sulfúrico por exemplo gerando o íon NO2 que participa ativamente de reações de nitração 2 DESENVOLVIMENTO 21 Matérias Primas O ácido nítrico é difícil de ser preparado como um líquido puro por causa da sua tendência em se decompor e liberar óxidos de nitrogênio Como é completamente miscível em água é normalmente usado como solução aquosa Forma azeótropo de máximo com a água na concentração de 68 em peso com temperatura de ebulição de 1218C O ácido nítrico pode ser obtido a partir da oxidação catalítica da amônia que teve início em 1901 e é baseada em duas etapas fundamentais 1 Oxidação da amônia com ar formando óxido nítrico NO 2 Oxidação do NO a dióxido de nitrogênio NO2 e absorção em água formando solução de HNO3 Este processo está representado na figura 2 a seguir Figura 2 Reação de formação de ácido nítrico a partir da amônia Fonte USP sd Pureza da Matéria Prima Conforme Maxwell 2005 descreve uma combinação de características é necessária para produção de ácido nítrico como variações de pressão em determinadas etapas e custos econômicos então originamse dois tipos de plantas a de Pressão única e a de Pressão dupla A unidade primária de uma planta de ácido nítrico conduz as mesmas etapas operacionais independentemente da pressão utilizada e são as seguintes Evaporação de amônia Filtração da amônia Filtração do ar Compressão do ar Mistura de aramônia Reação catalítica entre amônia e ar Recuperação de energia através de geração de vapor eou reaquecimento de gás Resfriamento de gás Pressão dupla somente durante a absorção de NOx Absorção com produção de ácido nítrico Recuperação de energia do gás de exaustão Planta de pressão única A operação pode ocorrer à baixamédia pressão para favorecer a primeira etapa oxidação ou à alta pressão para favorecer a etapa final de absorção como pode ser visto na figura 3 a seguir Figura 3 Planta de alta pressão para produção de ácido nítrico Fonte CHIANELLO 2018 A entrada de amônia líquida passa por uma fase de filtragem para remover impurezas que possam prejudicar o catalisador Em seguida é aquecida em um vaporizador com água quente para se transformar em vapor evitando a presença de amônia líquida Antes da mistura com o ar comprimido em excesso há mais uma etapa de filtragem O ar comprimido proveniente da atmosfera passa por um compressor multiestágio enquanto em pressões intermediárias podese utilizar um compressor com menos estágios A pressão de operação varia entre 7 e 12 bar A pureza elevada do ar e da amônia é crucial para uma alta eficiência na conversão Na sequência do processo o ar comprimido é filtrado e dividido sendo a maior parte misturada com a amônia e o restante enviado para uma torre de branqueamento A mistura de amônia e ar passa pelo conversor onde ocorre a oxidação da amônia a aproximadamente 920C resultando em menor conversão e maiores perdas de catalisador principalmente por vaporização Os gases quentes de NO provenientes do efluente auxiliam na geração de vapor e no préaquecimento do gás residual Este último é resfriado em um aquecedor e um economizador com duas correntes de saída uma para o reator de gás residual e outra para um filtro e um resfriadorcondensador com préaquecedor de água A corrente de ácido nítrico diluído condensado é então bombeada para a torre de absorção A torre de absorção que pode conter até 50 pratos ajustase conforme a pressão temperatura concentração do ácido e composição do gás O branqueamento responsável por 60 da concentração do ácido nítrico retira os gases nitrosos que conferem cor à solução Em seguida os óxidos são absorvidos pela água de processo alimentada no topo da coluna de absorção Os gases contendo NOx são retirados com o ar secundário aquecido na torre de branqueamento podendo conter até 500 ppm de NOx A temperatura no processo de absorção influencia as emissões de NOx Bobinas de resfriamento dentro da torre retiram o calor gerado pela reação e absorção O uso de água a 13C comparado a 33C pode reduzir em até 50 as emissões de NOx Fatores como a alta temperatura do catalisador e a recuperação eficiente de energia através de altas pressões operacionais contribuem para a eficácia do processo Concentração de Ácido Nítrico A produção de ácido nítrico obtém concentrações de até 68 mas para concentrações mais elevadas utilizase o método CNA Ácido Nítrico Concentrado que emprega destilação extrativa para concentrar o ácido diluído Isso é realizado aumentando a volatilidade do ácido nítrico por meio de um agente desidratante como ácido sulfúrico concentrado ou nitrato de magnésio 7075 permitindo que os processos de destilação superem o ponto azeotrópico do ácido nítrico A utilização de nitrato de magnésio como agente desidratante é limitada pois em concentrações mais elevadas tornase altamente viscoso e possui alto ponto de fusão Os métodos predominantes na produção de ácido por meio da rota CNA variam na escolha dos agentes desidratantes o ácido sulfúrico é mais comum na Europa enquanto o nitrato de magnésio é preferido nos Estados Unidos e no Brasil A Figura 4 apresenta um diagrama de fluxo da unidade CNA CHEM SYSTEMS 1998 Figura 4 Processo de Concentração HNO3 Fonte Chem Systems 1998 22 Reações Principais Como mencionado o processo de produção de ácido nítrico é realizado a partir da amônia Segundo Souza sd o processo iniciase a partir da combustão da amônia e ocorre em até 15 etapas onde gás amoníaco a partir de uma instalação de produção ou um tanque de armazenamento 1 e ar cuidadosamente purificado 2 são misturados numa câmara 3 na proporção de 110 A mistura passa a alta velocidade por reatores 4 a 800850 C através de um leito de várias camadas de uma fina rede de platina após ser préaquecida num trocador de calor 5 a cerca de 200 C O oxigênio no ar oxida o NH3 a NO nos reatores formando gases nitrosos com o excesso de ar presente A reação é exotérmica e por si só mantém a temperatura de reação necessária se o reator for aquecido no início Os gases nitrosos quentes cedem parte de seu conteúdo calorífico no trocador de calor 5 Para um arrefecimento adicional são conduzidos através de uma caldeira 6 utilizando o seu teor calorífico para a produção de vapor 4 NH3 5 O2 4 NO 6 H2O Reações que competem na primeira etapa 4 NH3 3 O2 2 N2 6 H2O 2 NH3 2 O2 N2O 3 H2O 4 NH3 6 NO 5 N2 6 H2O 23 Absorção ácida A oxidação de NO em NO2 e formação de ácido nítrico ocorre em grandes torres de absorção 7 no qual o gás borbulha em contracorrente através de ácido nítrico diluído em primeiro lugar e posteriormente através de água Sucessivamente os gases fluem nas torres enquanto ácido diluído deixa cada uma sendo resfriado 8 e bombeado 9 para a torre seguinte aumentando sua concentração Da primeira torre 7a vem o ácido nítrico de concentração aproximadamente 50 A reação que ocorre é descrita a seguir O monóxido de nitrogênio NO é oxidado a dióxido de nitrogênio NO2 com excesso de ar Na temperatura desta etapa próxima à temperatura ambiente o NO2 encontrase dimerizado 2 NO O2 2 NO2 N2O4 O N2O4 reage com a água formando uma mistura de ácidos nítrico HNO3 e nitroso HNO2 No entanto o ácido nitroso é instável e é decomposto 3 HNO2 HNO3 2 NO H2O O NO assim formado reage novamente com o ar para formar N2O4 continuando a reação com água como mostrado acima Como resultado o NO sempre será formado novamente de modo que a transformação total do mesmo não é possível com esta etapa de absorção do razão pela qual uma absorção alcalina é acoplada Absorção alcalina Gases que contêm pequenos teores de gases nitrosos depois de sair da última torre de absorção ácida são pulverizados em duas torres de absorção com álcalis 10 Esta lavagem alcalina é feita com uma suspensão de cal CaOH2 em uma solução de nitrato de cálcio onde formamse nitrato e nitrito de cálcio 4 NO2 2 CaOH2 CaNO32 CaNO22 2 H2O Os gases que saem através de chaminés altas 10b ainda contêm 00501 de óxido de nitrogênio uma absorção completa não seria econômica Em vez de CaOH2 são também usadas soluções de hidróxido de sódio ou carbonato de sódio sendo formados nitrato de sódio NaNO3 e nitrito de sódio NaNO2 Inversão de nitritos Para aproveitar os nitritos formados na absorção alcalina ocorre uma oxidação através da injeção de ar em uma torre de inversão 12 para formar solução de nitrato 13 que são então processadas para produção de nitrato de cálcio 14 para fabricação de fertilizantes ou utilizados na preparação de novas quantidades de líquidos de absorção 15 Os gases nitrosos que são liberados neste tratamento são reciclados novamente para serem absorvidos Outra opção para aproveitar os nitritos formados na absorção alcalina é a oxidação pela adição de ácido nítrico na torre de inversão 12 3 CaNO22 4 HNO3 3 CaNO32 4 NO 2 H2O 24 Reator Utilizado O reator geralmente utilizado no processo de produção de ácido nítrico é conhecido como reator de oxidação catalítica Este reator é um reator de operação contínua permitindo um fluxo estável e contante dos produtos É projetado para facilitar a oxidação do gás amoníaco NH3 em óxido nítrico NO na presença de ar e sob condições específicas de temperatura e pressão No interior do reator é comum encontrar um catalisador frequentemente uma fina rede de platina que promove e acelera a reação de oxidação O catalisador ajuda a reduzir a energia de ativação necessária para a reação ocorrer aumentando assim a taxa de conversão do amoníaco em óxido nítrico O design do reator de oxidação catalítica pode variar dependendo das especificações do processo industrial específico mas geralmente inclui sistemas de controle de temperatura e pressão para garantir que as condições ideais sejam mantidas para a reação química ocorrer de maneira eficiente e seletiva Referências CRQ4ª Região Elementos químicos Nitrogênio Disponível em httpscrqsporgbrelementosquimicosnitrogeniotextO20elemento20nitrog C3AAnio2C20que20possuicheiro2C20de20fC3B3rmula20N2 Acesso em 12042024 Ácido Nítrico Sistemas da Escola de Engenharia de Lorena EEL Universidade de São Paulo USP Disponível em httpssistemaseeluspbrdocentesarquivos5817712LOQ4022Acido20nitricopdf Acesso em 12042024 CHIANELLO I PERES RF Estudo da purificação do HNO3 oriundo da produção do tetranitrato de pentaeritritol nitropenta Relatório de pesquisa Universidade Federal Fluminense Escola de Engenharia DeparCtamento de Engenharia Química e de Petróleo NiteróiRJ Janeiro de 2018 MAXWELLGary Synthetic Nitrogen Products A Practical Guide to the Products and Processes 1ed Springer Science Business Media 2005 p 213249 SOUSA Mariana de Mattos Vieira M Processos Inorgânicos Editora Synergia