Общие научные принципы химического производства

Оглавление

1. Химическая промышленность и химическая технология
2. Сырье
3. Вода
4. Общие способы получения металлов
5. Производство аммиака и метанола
6. Природные источники углеводородов. Их переработка. Нефть
7. Крекинг
8. Попутный нефтяной газ
9. Каменный уголь
10. Природный газ
11. Производство серной кислоты
12. Шпаргалка
13. Задания для самопроверки

Химическая промышленность и химическая технология

Многие химические реакции, с которыми вы по­знакомились в лабораторных условиях, или анало­гичные им осуществляют в промышленных услови­ях при производстве важнейшей для повседневной жизни химической продукции.

Пластмассы, синтетические волокна, фарма­цевтические препараты, удобрения, мыла и мою­щие средства, красители, пестициды, косметика и парфюмерные изделия и даже компоненты пи­щи — все это только некоторые виды продукции, выпуск которой полностью или частично зависит от химической промышленности. Одиннадцать пер­вых мест по объему производства принадлежат сле­дующим химическим веществам: H₂SO₄, NH₃, N₂, CaO, O₂, C₂H₄, NaOH, Cl₂, HCl, H₃PO₄, HNO₃. Эти-то вещества и используются в больших количествах далее для получения столь необходимых видов про­дукции, названных выше.

Даже если речь идет о «100%-м природном продукте», это означает лишь то, что в нем нет син­тетических добавок, и совсем не означает, что при его полу­чении не использовали ка­кие-либо химические техно­логии.

Химическая промышлен­ность — это отрасль народно­го хозяйства, производящая продукцию на основе хими­ческой переработки сырья. Основой ее является хи­мическая технология — на­ука о наиболее экономичных методах и средствах массовой

химической переработки природных материалов (сырья) в продукты потребления и промежуточные продукты, применяемые в различных отраслях на­родного хозяйства. Главная задача химии и хими­ческой технологии — производство разнообразных веществ и материалов с определенным комплексом механических, физических, химических и биоло­гических свойств.

Любое химическое производство создается на основе общих научных принципов и включает со­ставляющие:

Важнейшими составляющими химического производства являются:

•   аппаратура;

•   сырье;

•   энергия;

•   вода (и другие вспомогательные материалы).

Сырье

Сырьем называют природные материалы (при­родные ресурсы), используемые в промышленности для получения различных продуктов и еще не про­шедшие промышленную переработку.

Иногда используют вторичное сырье — это из­делия, отслужившие свой срок, или отходы каких- либо производств, которые экономически выгодно снова переработать в химические продукты.

Сырье химической промышленности классифи­цируют по различным признакам.

По составу сырье делят на минеральное и орга­ническое (растительное и животное).

По агрегатному состоянию различают твердое (руды, горные породы, твердое топливо), жидкое (нефть, рассолы) и газообраз­ное (природный и попутный газы, воздух) сырье.

К минеральному сырью от­носятся все виды руд (из них получают металлы), а также нерудные ископаемые: сера, фосфориты, калийные со­ли, поваренная соль, песок, глины, слюда (из них получают неметаллы, удобрения, соду, щелочи, кислоты, керамику, цемент, стекло и другие про­дукты).

К органическому сырью относится ископаемое горючее: торф, уголь, нефть, природный и попут­ный нефтяной газы — это ценное энергетическое сырье и сырье для химических синтезов. К органи­ческому сырью также относится сырье раститель­ного и животного происхождения, его дают сель­ское, лесное и рыбное хозяйства. В основном оно используется для производства продуктов питания, но частично, к сожалению, является и техническим сырьем. Кроме природных веществ, на химических заводах применяют полупродукты и отходы пред­приятий, а также вспомогательные материалы: во­ду, топливо, окислители, рас­творители, катализаторы.

В связи с бурным разви­тием промышленности растет и объем потребления полез­ных ресурсов. Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощают­ся, поэтому необходимо решать проблему бережно­го и рационального использования сырья.

Вода

Особое место среди природных ресурсов зани­мает вода. Она играет важную роль в химической промышленности.

В ряде производств это сырье и реагент, непо­средственно участвующий в основных химических реакциях, например при получении водорода, сер­ной, азотной и фосфорной кислот, щелочей; в ре­акциях гидратации и гидролиза.

Будучи универсальным растворителем и од­ним из наиболее распространенных катализато­ров, вода дает возможность осуществлять многие хими­ческие реакции с большой скоростью в растворах или в присутствии ее следов.

В химической, металлурги­ческой, пищевой и легкой промышленностях воду используют как раство­ритель твердых, жидких, газообразных веществ. Часто ее применяют для перекристаллизации, для очистки различных продуктов производства от примесей.

Вода используется как теплоноситель из-за ее большой теплоемкости, доступности и безопасно­сти в применении. Ею охлаждают реагирующие массы, нагретые в результате экзотермических ре­акций. Водяным паром или горячей водой подогревают взаимодействующие веще­ства для ускорения реакций или проведения эндотермиче­ских процессов.

Современные химические комбинаты расходуют мил­лионы кубических метров воды в сутки. Например, для получения 1 т аммиака требуется 1500 м³ воды. По­этому химические предприятия, нефтехимические заводы строят рядом с водными источниками.

Задачу сокращения расхода воды химически­ми предприятиями решают в трех основных на­правлениях: широкое применение оборотного водо­снабжения (вода, используемая в теплообменных аппаратах, охлаждается и снова поступает в те­плообменные аппараты, и так повторяется много­кратно), замена водяного охлаждения воздушным, очистка сточных вод и их повторное использова­ние.

Общие способы получения металлов

Значительная химическая активность металлов (взаимодействие с кислородом воздуха, другими не­металлами, водой, раствора­ми солей, кислотами) приво­дит к тому, что в земной коре они встречаются главным об­разом в виде соединений: ок­сидов, сульфидов, сульфатов, хлоридов, карбонатов и т. д.

В свободном виде встре­чаются металлы, располо­женные в ряду напряжений правее водорода (Ag, Hg, Pt, Au, Cu), хотя гораздо чаще медь и ртуть в природе можно встретить в виде соединений.

Минералы и черные породы, содержащие ме­таллы и их соединения, из которых выделение чи­стых металлов технически возможно и экономиче­ски целесообразно, называют рудами.

Получение металлов из руд — задача метал­лургии.

Металлургия — это и наука о промышленных способах получения металлов из руд, и отрасль промышленности.

Любой металлургический процесс — это про­цесс восстановления ионов металла с помощью различных восстановителей. Суть его можно вы­разить так:

Чтобы реализовать этот процесс, надо учесть ак­тивность металла, подобрать восстановитель, рас­
смотреть технологическую целесообразность, эконо­мические и экологические факторы. В соответствии с этим существуют следующие способы получения металлов:

•   пирометаллургический;

•   гидрометаллургический;

•  электрометаллургический.

Пирометаллургия — вос­становление металлов из руд при высоких температурах с помощью углерода, оксида углерода (II), водорода, металлов — алюминия, магния.

Например, олово восстанавливают из касситери­та SnO₂, а медь — из куприта Cu₂O прокаливанием с углем (коксом):

Сульфидные руды предварительно подвергают обжигу при доступе воздуха, а затем полученный оксид восстанавливают углем:

Из карбонатных руд металлы выделяют также путем прокаливания с углем, т. к. карбонаты при нагревании разлагаются, превращаясь в оксиды, а последние восстанавливаются углем:

Восстановлением углем можно получить Fe, Cu, Zn, Cd, Ge, Sn, Pb и другие металлы, не об­разующие прочных карбидов (соединений с угле­родом).

В качестве восстановителя можно применять во­дород или активные металлы:

Водородотермия:

К достоинствам этого метода относится получе­ние очень чистого металла.

Магний и алюмотермия:

Чаще всего в металлотермии используют алю­миний, теплота образования оксида которого очень велика (2Al + 1,5O₂ = Al₂O₃ + 1676 кДж/моль). Электрохимический ряд напряжений металлов нельзя использовать для определения возможно­сти протекания реакций восстановления металлов из их оксидов. Приближенно установить возмож­ность этого процесса можно на основании расчета теплового эффекта реакции (Q), зная значения теплот образования оксидов:

где Q₁ — теплота образования продукта, Q₂ — те­плота образования исходного вещества.

Гидрометаллургия — это восстановление метал­лов из их солей в растворе. Процесс проходит в два этапа:

1) природное соединение растворяют в под­ходящем реагенте для получения раствора соли этого металла;

2) из полученного раствора данный металл вытесняют более активным или восстанав­ливают электролизом. Например, чтобы получить медь из руды, содержащей оксид меди CuO, ее об­рабатывают разбавленной серной кислотой:

Затем медь либо извлекают из раствора соли элек­тролизом, либо вытесняют из сульфата железом:

Таким образом получают серебро, цинк, молиб­ден, золото, уран.

Электрометаллургия — восстановление метал­лов в процессе электролиза растворов или распла­вов их соединений.

Производство аммиака и метанола

Любое химическое производство состоит из от­дельных взаимосвязанных процессов (стадий).

Основные стадии химического производства:

1)     подготовка сырья и подвод реагирующих ве­ществ в зону реакции;

2)     химические процессы;

3)     отвод продуктов и непрореагировавших веществ из зоны реакции.

Сравним два химических производства: синтез аммиака и синтез метанола. Оба процесса очень похожи по условиям их проведения и источникам сырья. Их осуществляют на аналогичных установ­ках, которые часто монтируют на одном предпри­ятии.

Все аппараты этих производств максимально герметичны, используется только энергия экзотер­мических реакций. Благодаря циклической (зам­кнутой) схеме синтеза эти производства служат примерами малоотходных, почти не имеющих вы­бросов в окружающую среду. Затраты на производ­ство существенно снижены за счет осуществления непрерывного процесса: исходные вещества посто­янно поступают в реактор, а продукты постоянно из него выводятся. Непрерывность процесса позво­ляет его полностью автоматизировать.

Производства аммиака и метанола считаются наиболее передовыми с точки зрения химической технологии.

Аммиак в дальнейшем используют для получе­ния азотной кислоты, которая идет на производство удобрений, лекарств, красителей, пластмасс, ис­кусственных волокон, взрывчатых веществ. Боль­шие количества аммиака расходуются на получе­ние мочевины, являющейся прекрасным азотным удобрением, да и сам жидкий аммиак и его водный раствор — это жидкие удобрения. На легком сжи­жении и последующем испарении с поглощением теплоты основано его применение в холодильных установках.

Метанол используют для получения большого количества разных органических веществ, в которые используют в производстве фенолформальдегидных смол и по­лиметилметакрилата (органическое стекло) соот­ветственно. Помимо этого, метанол применяют для синтеза некоторых красителей, фотореактивов и фармакологических препаратов, а также как рас­творитель, экстрагент. В ряде стран метанол ис- пользют в качестве моторного топлива, т. к. его добавление к бензину повышает октановое число топлива и снижает количество вредных веществ в выхлопных газах.

Природные источники углеводородов. Нефть.

Это природная сложная смесь углеводородов, в основном алканов линейного и разветвленного строения, содержащих в молекулах от 5 до 50 ато­мов углерода, с другими органическими вещества­ми. Состав ее существенно зависит от места ее до­бычи (месторождения), она может помимо алканов содержать циклоалканы и ароматические углево­дороды.

Газообразные и твердые компоненты нефти растворе­ны в ее жидких составляю­щих, что и определяет агре­гатное состояние.

Нефть — маслянистая жидкость темного (от бурого до черного) цвета с характер­ным запахом, нерастворимая в воде. Ее плотность меньше, чем у воды, поэтому, попадая в нее, нефть растекается по поверхности, препятствуя растворению кислорода и других га­зов воздуха в воде. Очевидно, что, попадая в при­родные водоемы, нефть вызывает гибель микроор­ганизмов и животных, приводя к экологическим бедствиям и даже катастрофам.

Существуют бактерии, способные использовать компоненты нефти в качестве пищи, преобразуя ее в безвредные продукты своей жизнедеятельно­сти. Понятно, что именно использование культур этих бактерий — наиболее экологически безопас­ный и перспективный путь борьбы с загрязнением окружающей среды нефтью в процессе ее добычи, транспортировки и переработки.

В природе нефть и попутный нефтяной газ за­полняют полости земных недр. Представляя собой смесь различных веществ, нефть не имеет постоян­ной температуры кипения. Понятно, что каждый ее компонент сохраняет в смеси свои индивидуаль­ные физические свойства, что и позволяет разде­лить нефть на составляющие. Для этого ее очища­ют от механических примесей, серосодержащих соединений и подвергают так называемой фракци­онной перегонке, или ректификации.

Фракционная перегон­ка — физический способ разделения смеси компонентов

Перегoнка осуществёяется в специальных установках – ректефикационных колонках в которых повторяют циклы в которых повторяют циклы конденса­ции и испарения жидких веществ, содержащихся в нефти.

Пары, образующиеся при кипении смеси ве­ществ, обогащены более легкокипящим (т. е. име­ющим более низкую температуру) компонентом. Это пары собирают, конденсируют (охлаждают до температуры ниже температуры кипения) и сно­ва доводят до кипения. В этом случае образуются пары, еще более обогащенные легкокипящим ве­ществом. Многократным повторением этих циклов можно добиться практически полного разделения веществ, содержащихся в смеси.

В ректификационную колонну поступает нефть, нагретая до температуры 320-350 °С. Ректифика­ционная колонна имеет горизонтальные перегород­ки с отверстиями — так называемые тарелки, на которых происходит конденсация фракций нефти. На более высоких скапливаются легкокипящие фракции, на нижних — высококипящие.

В процессе ректификации нефть разделяют на следующие фракции:

•   ректификационные газы — смесь низкомолеку­лярных углеводородов, преимущественно бутана и пропана с температурой кипения до 40 °С;

•   газолиновую фракцию (бензин) — углеводоро­ды состава от С₅Н₁₂ до С₂₁Н₂₄ (температура ки­пения 40-200 °С); при более тонком разделении этой фракции получают газолин (петролейный эфир, 40-70 °С) и бензин (70-120 °С);

•   лигроиновую фракцию — углеводороды состава от С₈Н₁₈ до С₁₄Н₃₀ (температура кипения 150­250 °С);

•   керосиновую фракцию — углеводороды состава от С₁₂Н₂₆ до С₁₈Н₃₈ (температура кипения 180­300 °С);

•   дизельное топливо — углеводороды состава от С₁₃Н₂₈ до С₁₉Н₃₆ (температура кипения 200-350 °С).

Остаток перегонки неф­ти — мазут — содержит углеводороды с числом ато­мов углерода от 18 до 50. Перегонкой при понижен­ном давлении из мазута по­лучают соляровое масло, смазочные масла, вазелин и парафин — легкоплавкие смеси твердых углеводородов. Твердый остаток перегонки мазу­та — гудрон — и продукты его переработки — би­тум и асфальт — используют для изготовления дорожных покрытий.

Крекинг

Полученные в результате ректификации нефти продукты подвергают химической переработке, включающей ряд сложных процессов. Один из них — крекинг нефтепродуктов. Мазут разделяют на компоненты при пониженном давлении, по­скольку при атмосферном давлении его составляющие начинают разлагаться, не до­стигнув температуры кипе­ния. Именно это и лежит в основе крекинга.

Крекинг — термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле. Различают несколько видов крекинга: термический, катали­тический, высокого давления, восстановительный.

Термический крекинг заключается в расщепле­нии молекул углеводородов с длинной углеродной цепью на более короткие под действием высокой температуры (470-550 °С). В процессе этого рас­щепления наряду с алканами образуются алкены:

В общем виде эту реакцию можно записать сле­дующим образом:

Образовавшиеся углеводороды могут снова под­вергаться крекингу с образованием алканов и алкенов с еще более короткой цепью атомов углерода в молекуле:

При обычном термическом крекинге образуется много низкомолекулярных газообразных углеводо­родов, которые можно использовать как сырье для получения спиртов, карбоновых кислот, высокомо­лекулярных соединений (например, полиэтилена).

Каталитический крекинг происходит при темпе­ратуре 450 °С в присутствии катализаторов, в каче­стве которых используют природные алюмосилика­ты состава nAl₂O₃ • mSiO₂.

Осуществление крекинга с применением ка­тализаторов приводит к образованию углеводоро­дов, имеющих разветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле. Содержание углево­дородов такого строения в моторном топливе зна­чительно повышает его качество, в первую оче­редь детонационную стойкость — октановое число бензина.

Крекинг нефтепродуктов протекает при высо­ких температурах, поэтому часто образуется нагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает его активность.

Очистка поверхности катализатора от нагара — его регенерация — основное условие практическо­го осуществления каталитического крекинга. Наи­более простым и дешевым способом регенерации катализатора является его обжиг, при котором происходит окисление нагара кислородом воздуха. Газообразные продукты окисления (в основном углекислый и сернистый газы) удаляются с по­верхности катализатора.

Каталитический крекинг — гетерогенный про­цесс, в котором участвуют твердое (катализатор) и газообразные (пары углеводородов) вещества. Очевидно, что регенерация катализатора — взаи­модействие твердого нагара с кислородом возду­ха — также гетерогенный процесс.

Гетерогенные реакции (газ — твердое веще­ство) протекают быстрее при увеличении площади поверхности твердого вещества. Поэтому катали­затор измельчают, а его регенерацию и крекинг углеводородов ведут в «кипящем слое», знакомом вам по производству серной кислоты.

Сырье для крекинга, например газойль, посту­пает в реактор конической формы. Нижняя часть реактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья очень высока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы ката­лизатора и уносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диа­метра скорость потока пони­жается. Под действием силы тяжести частицы катализато­ра падают в нижнюю, более узкую часть реактора, отку­да вновь выносятся вверх.

Таким образом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном дви­жении и со всех сторон омывается газообразным реагентом.

Некоторые зерна катализатора попадают во внешнюю, более широкую часть реактора и, не встречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываются потоком га­за и уносятся в регенератор. Там также в режиме «кипящего слоя» происходит обжиг катализатора и возвращение его в реактор.

Таким образом, катализатор циркулирует меж­ду реактором и регенератором, а газообразные про­дукты крекинга и обжига удаляются из них.

Использование катализаторов крекинга по­зволяет несколько увеличить скорость реакции, уменьшить ее температуру, повысить качество про­дуктов крекинга.

Полученные углеводороды бензиновой фракции в основном имеют линейное строение, что приво­дит к невысокой детонационной устойчивости полученного бензина.

Отметим, что значительно большей детонацион­ной стойкостью обладают углеводороды с молеку­лами разветвленного строения. Увеличить долю изомерных углеводородов разветвленного строе­ния в смеси, образующейся при крекинге, можно, добавляя в систему катализаторы изомеризации.

Попутный нефтяной газ

Месторождения нефти содержат, как правило, большие скопления так называемого попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород. Как и нефть, по­путный нефтяной газ является ценным природным источником углеводородов. Он содержит в основ­ном алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомов углерода. Очевидно, что по составу попутный нефтяной газ значительно беднее неф­ти. Однако, несмотря на это, он также широко использует­ся и в качестве топлива, и в качестве сырья для химиче­ской промышленности. Еще несколько десятилетий назад попутный нефтяной газ сжигали как бесполезное приложение нефти. В настоящее время, например, в Сургуте, богатей­шей нефтяной кладовой России, вырабатывают са­мую дешевую в мире электроэнергию, используя как топливо попутный нефтяной газ.

Как уже отмечалось, попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по соста­ву различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:

•   газовый бензин — легколетучую смесь, состоя­щую в основном из пентана и гексана;

•   пропан-бутановую смесь, состоящую, как ясно из названия, из пропана и бутана и легко пере­ходящую в жидкое состояние при повышенном давлении;

•   сухой газ — смесь, содержащую в основном ме­тан и этан.

Газовый бензин, являясь смесью летучих ком­понентов с небольшой молекулярной массой, ис­паряется даже при низких температурах. Это позволяет использовать газовый бензин в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания на Крайнем Севере и как добавку к моторному топ­ливу, облегчающую запуск двигателя в зимних условиях.

Пропан-бутановая смесь в виде сжиженного га­за применяется как бытовое топливо (газовые бал­лоны) и для заполнения зажигалок. Постепенный перевод автомобильного транспорта на сжижен­ный газ — один из основных путей преодоления глобального топливного кризиса и решения эколо­гических проблем.

Сухой газ, близкий по составу к природному, также широко используется в качестве топлива.

Природный газ

Это смесь газообразных предельных углеводородов с небольшой молекулярной массой. Основным компонен­том природного газа являет­ся метан, доля которого в за­висимости от месторождения составляет от 75 до 99 % по объему. Кроме метана в со­став природного газа входят этан, пропан, бутан и изобутан, а также азот и углекислый газ.

Как и попутный нефтяной, природный газ ис­пользуется и как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорга­нических веществ. Из метана — основного компонен­та природного газа — получают водород, ацетилен и метиловый спирт, формальдегид и муравьиную кислоту и многие другие органические вещества. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и производственных зда­ний, в доменном и мартеновском производствах. Чиркая спичкой и зажигая газ в кухонной газовой плите городского дома, вы «запускаете» цепную ре­акцию окисления алканов, входящих в состав при­родного газа.

Каменный уголь

Кроме нефти, природного и попутного нефтяного газов, природным источником угле­водородов является камен­ный уголь. Он образует мощ­ные пласты в земных недрах, его разведанные запасы зна­чительно превышают запасы нефти. Как и нефть, каменный уголь содержит большое количество различных органических веществ. Кроме органи­ческих, в его состав входят и неорганические веще­ства, такие, например, как вода, аммиак, серово­дород и, конечно же, сам углерод — уголь. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование — прокаливание без доступа воздуха. В результате коксования, которое прово­дят при температуре около 1000 °С, образуются:

• коксовый газ, в состав которого входят водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов;

• каменноугольная смола, содержащая несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и аромати­ческие спирты, нафталин и различные гетеро­циклические соединения;

• надсмольная, или аммиачная вода, содержащая растворенный аммиак, а также фенол, серово­дород и другие вещества;

• кокс — твердый остаток коксования, практиче­ски чистый углерод.

Кокс используется в производстве чугуна и ста­ли, аммиак — в производстве азотных и комбини­рованных удобрений, а значение органических продуктов коксования труд­но переоценить.

Таким образом, попутный нефтяной и природный газы, каменный уголь — не только ценнейшие источники угле­водородов, но и часть уни­кальной кладовой невоспол­нимых природных ресурсов, бережное и разумное использование которых — необходимое условие прогрессивного развития человеческого общества.

Производство серной кислоты. Контактный способ.

Исходным сырьём для производства серной кислоты могут быть сера, сероводород, сульфиды металлов.

Рассмотрим производство серной кислоты контактным способом, при котором исходным сырьём является пирит FeS₂

Процесс состоит из трех стадий:

1. Обжиг пирита, Получение оксида серы (II). Очистка печного газа. Уравнение реакции первой стадии:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое«. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800⁰С. Пирит раскаляется до красна и находится в «подвешенном состоянии» из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe₂O₃ (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом — сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом выполняется принцип химического производства — безотходность производства.

Очистка печного газа. Из печи выходит печной газ, состав которого: SO₂, O₂, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа — в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне — снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO₂ и кислорода О₂.

2. Окисление SO₂ в SO₃ кислородом. Протекает в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):
а) температура:
Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO₃ является температура 400-500⁰С. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия(V) V₂O₅.
б) давление:
Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO₂ и 1V O₂), а справа — 2V SO₃. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении.

Прежде чем смесь SO₂ и O₂ попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO₃ из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO₂ и О₂ продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате.

Температура 400-500⁰С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO₂ в SO₃. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO₂ в SO₃.

Образовавшийся оксид серы SO₃ выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

3. Получение H₂SO₄

Протекает в поглотительной башне.
А почему оксид серы SO₃ не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды — это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H₂SO₄·nSO₃.

Уравнение реакции этого процесса:

nSO₃ + H₂SO₄ = H₂SO₄·nSO₃

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Нитрозный способ

При нитрозном способе получения серной кислоты окисление сернистого газа осуществляется оксидами азота. Обжиговый газ подается в продукционную башню, орошаемую нитрозилсерной кислотой (NОНSО₃). Для запуска процесса сернистую кислоту окисляют азотной кислотой согласно уравнениям:

SО₂ + Н₂О = Н₂SО₃;

3Н₂SO₃ + 2НNО₃ = 3Н₂SО₄ + 2NО + Н₂О

Оксиды азота вместе с выхлопными газами (азот и кислород) подаются в следующую башню для окисления монооксида азота в диоксид. Поток газа регулируют таким образом, чтобы 50 % газа проходило через окислительную башню, а 50 % — миновало ее. Таким образом в поглотительную башню попадает газовая смесь, содержащая монооксид и диоксид азота в эквимолярном соотношении, вследствие чего образуется азотистый ангидрид:

NО + NО₂ = N₂О₃

При низкой температуре равновесие сдвигается в сторону образования азотистого ангидрида (N₂О₃), а при повышении температуры — в сторону образования монооксида и диоксида азота. В поглотительной башне азотистый ангидрид реагирует с концентрированной серной кислотой, образуя нитрозилсерную кислоту:

N₂О₃ + 2Н₂SO₄ = 2NОНSО₄ + Н₂О

Эта реакция может протекать только с концентрированной серной кислотой. При разбавлении водой нитрозилсерная кислота вновь разлагается на серную кислоту и оксиды азота.

Нитрозилсерная кислота подается на орошение в продукционную башню, где и разлагается водой, а выделившийся азотистый ангидрид окисляет образующуюся в башне сернистую кислоту:

2NОНSO₄ + Н₂О = 2Н₂SO₄ + N₂О₃;

SO₂ + Н₂О = Н₂SO₃;

Н₂SО₃ + N₂О₃ = Н₂SO₄ + 2NО.

Монооксид азота вновь направляется в окислительную башню и процесс повторяется.

Оксиды азота, которые не поглотились серной кислотой, улавливаются в санитарной башне, в которую подают либо раствор соды (Nа₂СО₃), либо раствор извести (Са(ОН)₂):

N₂О₃ + Nа₂СО₃ = 2NаNО₂ + СО₂;

2NО₂ + Nа₂СО₃ = NаNО₃ + NаNО₂ + СО₂;

N₂О₃ + Са(ОН)₂ = Са(NО₃)₂ + Н₂О;

4NО₂ + 2 Са(ОН)₂ = Са(NО₃)₂ + Са(NО₂)₂ + 2Н₂О.

Потеря оксидов азота компенсируется введением новых порций азотной кислоты.

Концентрация серной кислоты, получаемой нитрозным способом, достигает 70-80 %.

Шпаргалка

Справочный материал для прохождения тестирования: