Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения азота из воздуха

Изобретение относится к области технологии получения неорганических веществ, в частности к способам получения азота.

Известны способы получения азота: криогенный - получение азота из воздуха (РФ №2069293); получение азота под давлением (RU №2029204); разделение газовых смесей в ректификационных колоннах при высоких давлениях (RU №2489655) и др. Сущность методов заключается в охлаждении и переводе воздуха в жидкое состояние с последующим разделением на фракции.

Известны также аналоги:

А. В описании изобретения 2443622 приведен способ получения фосфорной кислоты в автоклаве, путем сжигания загрязненного белого фосфора в сосуде, расположенном внутри автоклава. Вне сосуда, внутри автоклава заливается вода для абсорбции полученной пятиокиси фосфора и получения фосфорной кислоты.

Отличительная особенность предлагаемого метода в том, что процесс проводится в автоклаве. Внутри автоклава расположен сосуд с белым фосфором, используемым как восстановитель. При повышении давления воздуха в автоклаве, равновесие абсорбция-десорбция смещается в сторону абсорбции и концентрация растворенного кислорода в воде увеличивается. Согласно Закону действующих масс, скорость окисления белого фосфора, находящегося под водой увеличивается. Кислород воздуха расходуется по схеме:

4Р+5O₂→2P₂O₅; P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄

И образуется фосфорная кислота. Процесс проводится при обычной температуре.

Б. В описании изобретения SU 2447014 приводится установка для получения кислорода и азота путем разделения составных частей воздуха.

Отличительная особенность предлагаемого способа - поглощение кислорода восстановителем, расположенным под водой в сосуде, находящемся внутри автоклава. Азот остается внутри автоклава над раствором.

В. В описании изобретения US 4698216 приводится способ получения водного раствора фосфорной кислоты контактированием фосфорсодержащего материала кислородсодержащим газом, путем продувания фосфорсодержащего материала воздухом под водой, где продукт взаимодействия фосфора с кислородом улавливается водой. Для этого в аппарате получают водно-фосфорную суспензию с помощью смесителя (Патентная формула, поз. 2), температуру в реакторе поддерживают около 400°С.

Недостатками указанных способов являются сложность используемого оборудования, большие энергозатраты, требуемые для охлаждения воздуха до низких температур, и создание высокого давления.

Предлагаемый способ включает подачу воздуха в автоклав, внутри которого расположена емкость, содержащая белый фосфор, залитый водой при комнатной температуре. При этом кислород абсорбируется и взаимодействует с фосфором, образуя пятиокись фосфора с последующей гидратацией в фосфорную кислоту, а над раствором в автоклаве остается свободный азот.

По поводу отражения сущности заявленного изобретения, хотим немного пояснить ситуацию. На Кизилюртовском заводе фосфорных солей скопилось большое количество отходов химического производства, в том числе белый фосфор, загрязненный шламом, который мог вызвать техногенную катастрофу. Перед нами встала задача утилизации отходов. Таким образом, была разработана технология утилизации, при решении которой были получены ряд интересных результатов, в том числе получен и азот.

Задача заявляемого изобретения - экологическая чистота процесса, простота производства и экономическая выгода за счет уменьшения энергозатрат.

Технический результат - получение азота из воздуха и получение фосфорной кислоты как побочного продукта в одном аппарате.

Процесс осуществляют в автоклаве, внутри которого расположена емкость с водой, где помещается восстановитель, в данном случае белый фосфор.

Согласно представленному описанию изобретения к патенту, для осуществления способа был использован автоклав. Схема автоклава иллюстрирована на рис. 1, где: поз. 1 - корпус, поз. 2 - манометр, поз. 3 - вентиль, поз. 4 - крышка, поз. 5 - емкость, поз. 6 - вода, поз. 7 - фосфор со шламом (рис. 1).

Согласно приведенной на рисунке схеме внутри автоклава (поз. 1) помещается емкость (поз. 5). В емкости располагается образец белого фосфора (поз. 7), который заливается водой (поз. 6). Для осуществления способа в автоклав через вентиль (поз. 3) подается воздух. Под давлением кислород воздуха растворяется в воде и происходит окисление белого фосфора до Р₂О₅. Полученный оксид фосфора взаимодействует с водой и в результате этой химической реакции получается фосфорная кислота.

Способ осуществляется следующим образом: в автоклав помещается емкость, до определенного уровня заполненная водой, во внутреннюю емкость белый фосфор. При комнатной температуре в автоклав подается воздух под давлением 4 и 6 атм (4⋅0,101325⋅10⁶ Па и 6⋅0,101325⋅10⁶ Па) или 0,4 МПа и 0,6 МПа. Давление воздуха в автоклаве затем поддерживается постоянным путем подкачивания компрессором.

Примеры осуществления способа:

Пример 1. В емкость внутри автоклава помещается белый фосфор в количестве 2,0 г и заливается 200 мл воды. Подается воздух под давлением 0,4 МПа. При окислении белого фосфора водой образуется пятиокись фосфора, который взаимодействует с водой с образованием фосфорной кислоты. Концентрация образующейся фосфорной кислоты 0,35 моль/л. Над раствором остается свободный азот.

Пример 2. Процесс проводится по примеру 1 с тем отличием, что в емкость внутри автоклава помещается 5 г белого фосфора. Подается воздух под давлением 0,6 МПа. Концентрация образующейся фосфорной кислоты 0,6 м/л, давление кислорода 0,6 МПа. Над полученным раствором фосфорной кислоты остается азот.

Таким образом, кинетику химической реакции можно регулировать при помощи изменения давления воздуха и длительности процесса в реакционной системе.

Проведение процесса по предлагаемому способу позволяет получить азот и как побочный продукт - фосфорную кислоту при обычной температуре и давлении 0,4 МПа и 0,6 МПа внутри одного аппарата.