Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul HNO3 berechnet das Phasengleichgewicht und die Stoffwerte des Systems Salpetersäure–Wasser. Wer Stoffwerte von Salpetersäure berechnen muss – Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung oder die Partialdrücke von HNO3 und H2O über der Lösung – erhält sie in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Konzentration für die flüssige und die gasförmige Phase.
Salpetersäure ist Schlüsselchemikalie der Düngemittel- und Sprengstoffindustrie (Ostwald-Verfahren, Ammoniumnitrat) sowie wichtiges Oxidations- und Beizmittel. Im Anlagenbau begegnet sie dem Ingenieur in Absorptionstürmen der NOx-Absorption, in Bleichern, Konzentrieranlagen und Kühlern. Für die thermische Auslegung dieser Apparate liefert das Modul konsistente Stoffdaten auf Basis von Perry's Chemical Engineers' Handbook (5. und 6. Auflage), dem Gmelin-Handbuch und Landolt-Börnstein.
Das Dampf-Flüssig-Gleichgewicht mit den Partialdrücken beider Komponenten und dem Sättigungsdruck des Gemisches bildet die Grundlage für Absorptions-, Desorptions- und Eindampfrechnungen – einschließlich der Frage, bis zu welcher Konzentration sich Salpetersäure destillativ aufkonzentrieren lässt.
Regelwerk und Berechnungsbasis: Robert H. Perry, Cecil H. Chilton, "Perry's Chemical Engineers' Handbook" 5th Edition,Mc Graw Hill 1973; Robert H. Perry, Don Green, "Perry's Chemical Engineers' Handbook" 6th Edition / Mc Graw Hill 1984; Gmelin 18. Auflage; Landolt-Börnstein 6. Auflage Band II
So läuft die Berechnung ab
- Zusammensetzung und Zustand vorgeben: Eingegeben werden die HNO3-Konzentration der Lösung (Massenanteil), die Temperatur und gegebenenfalls der Druck. Damit ist der Zustandspunkt des binären Systems HNO3–H2O festgelegt.
- Phasengleichgewicht auswerten: Aus den hinterlegten Gleichgewichtsdaten werden die Partialdrücke von HNO<sub>3</sub> und H<sub>2</sub>O über der Lösung sowie der Sättigungsdruck (Gesamtdampfdruck) des Gemisches bestimmt. Die Dampfzusammensetzung weicht je nach Lage zum Azeotrop deutlich von der Flüssigzusammensetzung ab.
- Stoffwerte der flüssigen Phase berechnen: Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, dynamische und kinematische Viskosität sowie Oberflächenspannung der Säure werden als Funktion von Temperatur und Konzentration aus den Literaturdaten interpoliert.
- Stoffwerte der Gasphase bestimmen: Für die dampfförmige Phase werden die entsprechenden Größen bereitgestellt, wie sie für Kondensations-, Absorptions- und Wärmeübergangsrechnungen in Kolonnen und Kondensatoren benötigt werden.
- Kennzahlen ableiten und Ergebnisse nutzen: Prandtl-Zahl, Temperaturleitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizient werden gebildet. Zusammen mit den Gleichgewichtsdaten fließen die Werte in die Auslegung von Absorbern, Säurekühlern, Verdampfern und Kondensatoren der Salpetersäureanlagen ein.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Temperatur | ϑ1 ϑ2 | °C |
| Konzentration | c1 c2 | Ma-% |
| Konzentration | c1 c2 | Ma-% |
| Konzentration 1 | c1 c2 | g/l |
| Konzentration 2 | c1 c2 | g/l |
| Konzentration 1 | c1 c2 | mol/l |
| Konzentration 2 | c1 c2 | mol/l |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Dichte | ρ1 ρ2 | kg/m³ |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Spezifische Wärmekapazität | cp1 cp2 | J/(kg·K) |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Dynamische Viskosität | η1 η2 | mPa·s |
| Oberflächenspannung | σ1 σ2 | mN/m |
| Oberflächenspannung | σ1 σ2 | mN/m |
| Partialdruck H2O | pH2O pH2O | Pa |
| Partialdruck H2O | pH2O pH2O | Pa |
| Partialdruck HNO3 | pHNO3 pHNO3 | Pa |
| Partialdruck HNO3 | pHNO3 pHNO3 | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| Sättigungsdruck | pS,1 pS,2 | Pa |
| flüssig | - xHNO3 xHNO3 | mol-% |
| flüssig | - xHNO3 xHNO3 | mol-% |
Häufige Fragen
Warum lässt sich Salpetersäure destillativ nur bis etwa 68 % aufkonzentrieren?
Das System HNO3–H2O bildet bei Umgebungsdruck ein Azeotrop bei rund 68 Massen-% HNO3 mit einem Siedemaximum bei etwa 122 °C. Am azeotropen Punkt sind Dampf- und Flüssigzusammensetzung gleich, die einfache Rektifikation endet dort. Hochkonzentrierte Säure (98 bis 100 %) wird deshalb über Extraktivrektifikation mit Schwefelsäure oder Magnesiumnitrat als Schleppmittel oder über Druckverfahren hergestellt. Die Gleichgewichtsdaten des Moduls zeigen die Lage des Azeotrops und die erreichbaren Dampfzusammensetzungen.
Was ist bei der Werkstoffwahl für Salpetersäure zu beachten?
Anders als Salz- oder verdünnte Schwefelsäure wirkt Salpetersäure oxidierend und passiviert nichtrostende Stähle: Austenitische CrNi-Stähle wie 1.4306 oder 1.4571 sind bis zu mittleren Konzentrationen und Temperaturen gut beständig; für scharfe Bedingungen kommen Sonderwerkstoffe (z. B. Si-legierte Stähle, Aluminium für hochkonzentrierte Säure, Titan oder Zirkonium) zum Einsatz. Kritisch sind Kondensatzonen mit wechselnder Konzentration und heiße, hochkonzentrierte (rauchende) Säure. Die vom Modul gelieferten Temperatur- und Konzentrationsprofile sind Eingangsgrößen für diese Beständigkeitsbewertung.
Wie stark ändern sich Dichte und Viskosität mit der Konzentration?
Die Dichte steigt näherungsweise monoton von 998 kg/m³ (Wasser, 20 °C) auf etwa 1400 kg/m³ bei der 68%igen azeotropen Säure und rund 1510 kg/m³ bei nahezu 100 %. Die Viskosität durchläuft ein Maximum im mittleren Konzentrationsbereich und fällt mit steigender Temperatur deutlich ab. Für die Auslegung von Pumpen, Rohrleitungen und Wärmeübertragern müssen die Stoffwerte daher konsequent beim tatsächlichen Betriebspunkt (Temperatur und Konzentration) ausgewertet werden.
Deckt das Modul auch rote rauchende Salpetersäure (RFNA) ab?
Der Geltungsbereich ist das binäre System HNO3–H2O. Rauchende Salpetersäure enthält zusätzlich gelöstes NO2/N2O4 und ist damit ein ternäres System mit eigenem Dampfdruck- und Korrosionsverhalten; die binären Daten dürfen darauf nicht angewendet werden. Auch die NOx-Chemie in der Absorption (Oxidation von NO, Gleichgewichte der Stickoxide) ist nicht Gegenstand der Stoffwertberechnung, sondern muss separat modelliert werden.