【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學(xué)叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學(xué)教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當(dāng)于如今的初高中水平，其最大特點(diǎn)就是可用于“自學(xué)”。當(dāng)然由于本書是大半個世紀(jì)前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學(xué)生直接拿來自學(xué)。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實(shí)的學(xué)酥重新自修以查漏補(bǔ)缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的備注。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學(xué)叢書』其實(shí)還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學(xué)基礎(chǔ)自學(xué)內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學(xué)的一條龍數(shù)理化自學(xué)教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因?yàn)?677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風(fēng)險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認(rèn)為6677版不失為一套不錯的自學(xué)教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學(xué)叢書6677版』上傳成文字版。??

第五章氮和磷，氮族元素?

§5-7硝酸的工業(yè)制法

【01】現(xiàn)代工業(yè)上制造硝酸的方法，大都采用合成法。這個方法的主要反應(yīng)過程是氨的接觸（催化）氧化。在介紹氨的性質(zhì)(§?5-2)時【山注，化2-5-02第17~19段，傳送門CV21751196】，我們曾經(jīng)提到過這個反應(yīng)，并說它是工業(yè)上制造硝酸的基礎(chǔ)反應(yīng)之一。這個反應(yīng)是在催化劑鉑的作用下，氨跟氧氣（空氣）反應(yīng)，生成一氧化氮和水：

【02】再由一氧化氮跟氧氣繼續(xù)反應(yīng)，就生成二氧化氮：

【03】二氧化氮用水吸收，就生成了硝酸

【04】后面二個反應(yīng)，實(shí)際上是同時進(jìn)行的。因此，在水和過量空氣存在下，全部NO將變成硝酸。

【05】合成硝酸的最原始的原料是水（制取氫氣）和空氣（制取氮?dú)夂凸┙o氧氣），它們是普遍存在的物質(zhì)，在原料供應(yīng)上不會發(fā)生困難，同時它們?nèi)菀滋醿?，使產(chǎn)品比較純凈。因此用這個方法制得的硝酸，成本低，質(zhì)量高，現(xiàn)在已被普遍采用了。

【山注，氨的工業(yè)制法是用氫和氮，因此此處說的原始原料沒有問題。參見化2-5-05第01段，傳送門CV21762677】

【06】現(xiàn)在我們就來簡略地談?wù)労铣上跛岱ā?/p>

【07】根據(jù)上述的化學(xué)原理，合成硝酸法基本上也可劃分成二個階段：(1)把氨氧化成一氧化氮；(2)把一氧化氮氧化，溶解成硝酸。整個生產(chǎn)流程大致如圖5·9所示，其中以接觸氧化器和吸收塔為中心，分別進(jìn)行上述二個過程。

1、氨氧化成一氧化氮

【08】反應(yīng)是在接觸氧化器中進(jìn)行的。我們知道，反應(yīng)需要在有催化劑存在和加熱(800℃)的條件下進(jìn)行的。但氨與氧反應(yīng)本身是一個放熱反應(yīng)，放出的熱，除能維持催化劑的一定溫度外，還足夠預(yù)熱進(jìn)入的原料到反應(yīng)時所必需的溫度。接觸氧化器后面的一個熱交換器，就是把輸入的空氣和從接觸器出來的熱氣體進(jìn)行熱量的交換?？諝庥霉娘L(fēng)機(jī)鼓入，經(jīng)過熱交換器使溫度升高后，就在混和器中跟氨（由另一只鼓風(fēng)機(jī)鼓入）混和，再進(jìn)入接觸氧化器進(jìn)行反應(yīng)。為了使氨能比較充分地氧化，一般使用了過量的空氣。

【09】接觸氧化器的內(nèi)部構(gòu)造如圖5·10所示。催化劑通常是用多層的細(xì)鉑絲網(wǎng)，水平地固定在接觸氧化器的中部。開始時先用氫氣燃燒管加熱鉑網(wǎng)，此后由于反應(yīng)熱的產(chǎn)生，催化劑能經(jīng)常保持在800℃左右，從而使反應(yīng)能一直進(jìn)行下去，直到損壞為止。如果空氣和氨都相當(dāng)純凈，催化劑能使用比較長的一段時期。

【10】從接觸氧化器出來的含有氮的氧化物的氣體（主要是一氧化氮和水蒸氣)，溫度很高，當(dāng)它通過熱交換器后，經(jīng)過冷空氣的冷卻，溫度雖有所降低，但仍然很高，如果把它直接送到吸收塔去，顯然是不利的。因?yàn)樵谖账锏姆磻?yīng)是一氧化氮氧化生成二氧化氮和二氧化氮的吸收成硝酸，它們都是放熱的反應(yīng)。根據(jù)化學(xué)平衡理論，降低溫度，有利于反應(yīng)向生成NO?和HNO?的方向進(jìn)行，所以必需讓它進(jìn)一步冷卻。于是再通過一個余熱鍋爐。在余熱鍋爐里，由于不斷灌入冷水，使高溫氣體的溫度一再降低，而冷水接受了這些熱量，生成了大量水蒸氣，可供工廠應(yīng)用。余熱鍋爐的內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本上與熱交換器相似。它們都是為了節(jié)約燃料而設(shè)計的設(shè)備。

2、一氧化氨氧化，溶解成硝酸

【11】一氧化氮氧化成二氧化氮，與水反應(yīng)成硝酸，這二個反應(yīng)在吸收塔里進(jìn)行。

【12】從余熱鍋爐里出來的含有氮的氧化物的混和氣體，在進(jìn)入吸收塔之前，再通過一個水冷卻器，使氣體溫度下降到100℃，以利于最后反應(yīng)的進(jìn)行。這里可能由早已生成的少量二氧化氮與冷凝成的水反應(yīng)，生成少量的稀硝酸。大部分的混和氣體從冷卻器出來，進(jìn)入吸收塔。

【13】吸收塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和作用，與制取鹽酸、硫酸時所用的吸收塔相似。高大的塔身內(nèi)部用瓷環(huán)填充，以增大接觸面；并且利用逆流吸收原理，混和氣體自下而上，水或稀硝酸自上而下，這樣來達(dá)到充分且迅速吸收的目的。在吸收塔里，一氧化氮氧化成二氧化氮，二氧化氮跟水反應(yīng)成硝酸。為了使氮的氧化物能被充分吸收，常連續(xù)用多只吸收塔來吸收。

【14】在塔里生成的是稀硝酸。如果要把稀硝酸制成濃硝酸，可以用下列二種方法：(1)把制得的稀硝酸與濃硫酸混和以后一起加熱蒸餾，即可得較濃的硝酸。(2)把用水吸收二氧化氮的操作，在50個大氣壓下進(jìn)行。由于水跟二氧化氮的反應(yīng)是一個氣體體積縮小的可逆反應(yīng)，按化學(xué)平衡理論，增大壓強(qiáng)，可使化學(xué)平衡向生成HNO?的方向移動。這樣，硝酸的濃度就可增大了。

習(xí)題5-7

1、工業(yè)上用合成法制硝酸的生產(chǎn)過程可劃分成哪幾個階段？寫出每個階段所進(jìn)行反應(yīng)的化學(xué)方程式。

2、畫出合成硝酸的生產(chǎn)流程簡圖，說明各個設(shè)備的名稱，并注明通路，以及各個通路上進(jìn)出物質(zhì)的名稱和這些物質(zhì)的狀態(tài)。

3、為什么在接觸氧化器和氣體吸收塔之間要裝置一系列的冷卻設(shè)備？

4、為什么吸收塔里要填充瓷環(huán)和采用逆流的吸收操作方法？

5、用化學(xué)平衡理論說明用水吸收二氧化氮時，為什么增加壓強(qiáng)可得到較濃的硝酸？