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硝酸的沸点与稳定性。硝酸的沸点强烈依赖于其浓度。纯硝酸(100%)的沸点与其不同浓度水溶液的沸点有显著差异,尤其是在工业上关键的 “共沸点”。
纯硝酸沸点是 83°C(在标准大气压101.3 kPa下),纯硝酸在室温下就会部分分解,受热或光照时分解加剧(4HNO₃ → 4NO₂ + O₂ + 2H₂O),其“沸点”更准确地说是其分解温度。
硝酸水溶液在受热容易形成共沸现象,如约68.4% HNO₃(质量分数)的共沸点是120.5°C(在常压下,这是该体系的最高沸点)。这意味着,无论你从稀硝酸还是浓硝酸开始,在常压下进行简单蒸馏,最终留在蒸馏釜里的液体成分都会趋近于这个68.4%的共沸混合物,而蒸汽冷凝后得到的硝酸浓度也不会超过68.4%。硝酸的沸点不是一个固定值。最关键的数据是68.4%浓度下的共沸点120.5°C,它决定了直接蒸馏的浓度极限。再加之其不稳定性,在实际工业或实验设计和操作中,必须根据目标浓度设计“脱水”冷处理方案。
目前工业上主要采用两种成熟的方法:
方法一、浓硫酸脱水浓缩法(间接法/硫酸法)
原理: 利用浓硫酸(通常92%~98%)极强的吸水性与吸热性,作为脱水剂和加热介质。浓硫酸不与硝酸发生反应,但能有效地夺取稀硝酸中的水分。
工艺流程:
1. 混合与加热: 将预热过的稀硝酸与浓硫酸按一定比例在混合器中混合。
2. 蒸馏: 混合液进入浓缩塔(通常为填料塔或板式塔)。在塔底用蒸汽间接加热。
3. 分离: 加热后,硝酸蒸气(沸点较低)从塔顶蒸出,经冷凝后得到浓硝酸(≥98%)。
4. 硫酸回收: 吸收了水分的稀硫酸(浓度降低)从塔底排出。这部分稀硫酸可以送入硫酸浓缩装置(如真空蒸发器)重新提浓,循环使用。
优点: 技术成熟可靠,可生产浓度极高的发烟硝酸(>98%)。
缺点:能耗高,需要消耗大量蒸汽来加热和后续浓缩稀硫酸。设备腐蚀严重,需要使用特殊耐腐蚀材料(如高硅铸铁、不锈钢等)。也存在硫酸的储存、运输和循环浓缩问题,工艺流程较长。
方法二、硝酸镁脱水浓缩法(直接法/硝酸镁法)
原理: 利用硝酸镁溶液作为脱水剂。高浓度的硝酸镁溶液(约72%)具有很高的沸点且吸水性强。
工艺流程:
1. 混合: 稀硝酸与高浓度的硝酸镁溶液在混合槽中充分混合。
2. 蒸发: 混合液进入提馏塔(或蒸发器),用蒸汽间接加热。
3. 精馏: 产生的硝酸蒸气进入精馏塔,进一步分离水分,从塔顶得到纯净的浓硝酸(通常为99%以上),经冷凝后部分回流,部分作为产品采出。
4. 脱水剂再生: 塔底排出的、被稀释的硝酸镁溶液,进入一个浓缩器(如降膜蒸发器),在真空条件下加热,蒸出其中多余的水分,使其恢复到高浓度,然后循环使用。
优点:能耗显著低于硫酸法,因为硝酸镁溶液在真空下浓缩,沸点降低,节能效果好。工艺流程相对紧凑,操作条件(真空、温度较低)更温和。避免了硫酸的强腐蚀性和处理问题,设备材质要求相对较低(多用不锈钢)。更环保,运行成本较低。
缺点: 需要一套硝酸镁溶液的真空浓缩系统,初期投资可能较高。
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