До и после Победы. Книга 1 (СИ)

ГЛАВА 15.

Правда, для получения азотной кислоты аммиак надо окислить - и тут были проблемы с катализаторами. Они делались в виде сетки из платины, или платины с добавлением родия, палладия. При окислении аммиака происходило несколько реакций, и катализаторы увеличивали количество именно нужных, уменьшая количество ненужных - например, образования молекул азота, которого вокруг и так выше крыши. То есть реакция происходила на поверхности катализаторов. К сожалению, у этой же поверхности требовалось обеспечить избыток кислорода - иначе кто же будет окислять аммиак. Но при этом кислород окислял и платину - получался летучий оксид платины, который уносился с потоком газов. То есть катализаторы были расходным материалом. Часть этого летучего оксида улавливалась специальными ловушками - порошком оксида кальция, но не более половины, а ведь ее еще надо было переработать обратно в металлическую платину.

Так что пока наши работали на тех установках и запасах, что тут были, но уже подбирали и другие процессы - прежде всего играясь с понижением температур и давлений - пусть процесс пойдет медленнее, но зато и уменьшится термическое разложение аммиака на молекулярный азот и водород, вместо образования оксидов - ведь молекула азота довольно устойчивое соединение, нам же нужны именно оксиды, которые при смешивании с водой и дадут азотную кислоту - ну, через промежуточную азотистую.

Да и другие катализаторы можно попробовать - ведь для того же окисления серы при получении серной кислоты также используют и платиновые, и железные, и ванадиевые катализаторы - все зависит только от доступности - ванадиевый самый оптимальный, платиновый - самый дорогой, а железный дает небольшой выход. Но ведь дает ! Так и здесь - еще помучаемся. Тот же Оствальд, получивший в 1903 году патент на производств кислоты из аммиака на платиновых катализаторах (хотя реакцию открыл Кюльман в 1839м, а еще раньше - в 1800м году - Фуркуа безо всякого катализатора окислял аммиак при высокой температуре ) - так вот, Оствальд использовал и другие материалы - окись серебра, меди, железа, хрома, никеля (как порой писали в книгах этого времени - никкеля - с двумя "к", калькируя с английского названия). И тоже работало, правда, с меньшим выходом.

Так, на платиновых катализаторах при наиболее оптимальной температуре 450 градусов выход оксида азота составлял более 93 процентов, непрореагировавшего аммиака - чуть более процента, и остальное - молекулярный азот. А для катализатора из окиси железа - то есть обычной ржавчины - оптимальной температурой было уже 670 градусов - при этом в окись азота переходило 90 процентов аммиака, непрореагировавшего аммиака практически не было, и 10 процентов - молекулярный азот. То есть катализаторы на окиси железа были почти идентичны катализаторам на платине. А примешивание к ним 3-4 процентов висмута было даже эффективнее платины - при 600 градусах выход окиси азота составлял уже 95 процентов. Пока это мелочь, но надо будет озадачить химиков выцарапать висмут из висмутовых бронз - если дойдем до больших объемов производства, то каждый процент будет вырастать в дополнительные тонны кислоты и сотни убитых фрицев.

Собственно, на этих технологиях Германия и воевала в первую мировую войну, когда доступ к чилийской селитре был утерян - только в 1915м она производила таким образом сто тысяч тонн азотной кислоты. Конечно, платина в качестве катализатора более удобна в том числе и по своим механическим свойствам - так, платиновые сетки строятся из проволоки диаметром 0,04-0,06 миллиметра, с густотой плетения одна-три тысяч петель на квадратный сантиметр. То есть получается очень большая площадь контакта. Окись железа так, естественно, не сплести, а появляющаяся на железных проволочках ржавчина будет быстро уноситься набегающим потоком. Поэтому наши сейчас работали над пока лабораторными установками, в которых можно было бы создать большую поверхность именно ржавчины. Проблема еще заключается в том, что нельзя устанавливать слишком низкий поток реагентов - при окислении - собственно, сгорании - аммиака происходят шесть разных реакций, и те реакции, в результате которых образуются не оксиды азота или азотная кислота, а молекулы азота - вредные для нас. И на железных катализаторах азот как раз интенсивно образуется при высоких температурах - при 700 градусах - уже пятнадцать процентов, а не десять, как при 670, при 800 - 20, при 865 - 44 процента. Соответственно, смесь надо все-таки быстро прогонять, чтобы область реакций не достигала таких температур. Или как-то механически отводить тепло, образующееся при сгорании аммиака.

Ладно, если не получится с большими катализаторами, будем делать множество лабораторных - сечением порядка трех квадратных сантиметров, благо на таких установках и проверяли те выкладки, что были в учебниках и справочниках - просто будем запитывать эти трубки одной большой трубой и так же и забирать. Или компоновать в плоские наборы, чтобы было удобнее отслеживать температуру ... а ведь может потребоваться регулировать потоки индивидуально ... в общем, придется изрядно повозиться. Да и менять железные катализаторы скорее всего придется чаще - это платиновые даже после шести недель работы снижают активность где-то на три-пять процентов, железные наверняка придется менять чаще.

Ну а очистка аммиака и воздуха требуется при использовании любого катализатора, но они и так тут очищались - газы пропускались и через щелочи, и через уголь, известь, растворы солей меди - для каждого из каталитических ядов применялся свой способ. Зато что железный, что платиновый катализаторы имели сравнительно широкий диапазон температур, при которых выход был приличным - так, для железных катализаторов выход более 80 процентов достигался при температурах от 600 до 780 градусов, то есть лаг регулировки процесса составлял почти двести градусов. Для платины этот диапазон был шире - от 370 до 640 - почти триста градусов, то есть и в этом плане платина была более технологична. Хотя примесь висмута в железо расширяла диапазон более чем до четырехсот градусов - от 400 до 840 - в этом плане этот катализатор был самым предпочтительным - и доступным, и упрощающим регулировку процессов, оставалось решить проблемы с быстрым износом и малой механической прочностью ржавчины. Другие катализаторы имели уж очень небольшой диапазон - так, для окиси хрома он составлял всего 60 градусов - от 630 до 690 - регулировать работу установки на таком катализаторе было бы сущим мучением.

Были и другие варианты технологий - например, вместо воздуха применять чистый кислород - чтобы азот воздуха не путался под ногами. Ну и еще вариант - получать оксиды азота в электрической дуге, как норвежцы. Тут уже все упирается в достаточное количество электроэнергии. Где-то читал, что ежедневно в молниях образуется два миллиона тонн азотной кислоты. Два миллиона тонн. И за счет этого ежегодно каждый гектар земной поверхности получает 15 килограммов азотной кислоты. В среднем. Где больше молний - больше, где меньше - меньше, но силы природы, мать их, поражают. Так что стоило попробовать и этот способ получения азотной кислоты, благо он известен еще с конца 18го века, а столетием позже, в 1897 году, Рэлей получал выход азотной кислоты в 50 грамм на 1 кВт-ч. В 1902 на Ниагарском водопаде построили завод для выработки азотной кислоты в электрических дугах - там горело порядка трехсот дуг напряжением до 15 тысяч вольт, но количество получаемой кислоты не окупало затрат. Ну, так это в их условиях, когда экономические моменты превалируют над вопросами выживания. Нам же себестоимость не важна - нам важно получить кислоту.

Правда, норвеги в начале века также начали эксперименты с получением кислоты из воздуха - они начали воздействовать на электрическую дугу магнитным полем, в результате та сильно отклонялась в сторону, разрывалась и возникала заново, уже в другом месте. Прерывая таким образом дугу тысячу раз в секунду они получили дугу в виде тонкого диска диаметром до двух метров - а это уже не те тонкие ниточки, что были у американцев - через такое сечение можно было пропустить много воздуха. Причем начинали они с аппарата мощностью всего в три лошадиные силы (я вычитал про это в книге от 1926го года - тогда, да и позднее, мощность электростанций порой измеряли в лошадиных силах, а не в киловаттах - опять же, часто тут писали не "ватт", а "уатт" - килоуатт, мегауатт - просто транскрибируя фамилию ученого без привязки к русскому произношению), потом перешли на двадцать, опытный завод работал на мощности в 150 лошадей, ну а уж потом понеслась - тысяча, две с половиной, сорок тысяч, и к 1910му году - сто сорок тысяч лошадиных сил. Немцы в 1905 пошли по другому принципу - они возбуждали в трубе дугу длиной до семи метров. У нас Горбов и Миткевич придумали в 1906м году свой вариант печи - при напряжении четыре тысячи вольт и общей мощности всего полкиловатта - у наших выход азотной кислоты составлял 70 грамм на киловатт-час, у норвегов - 67, а у немцев - 63 грамма.