Цель: Познакомиться с производством аммиака (NH3), Производством азотной кислоты (HNO3), Серной кислоты (H2SO4). Познакомиться с применением различных веществ.
План:
- Производство аммиака.
- Производство азотной кислоты.
- Производство серной кислоты.
- Применение различных веществ.
Введение
Промышленное производство отличается от лабораторного своими объемами, из-за чего требует более дешевого сырья для получения нужных веществ и применения других технологий. В качестве исходного материала чаще всего служат воздух, вода, горные породы (минералы), нефть, уголь, природный газ (в основном метан), древесина (целлюлоза и лигнин).
Производство аммиака(NH3)
Производство аммиака считается наиболее передовым с точки зрения химической технологии. Аммиак используют в получении азотной кислоты, которая идет на производство удобрений, красителей, лекарств, искусственных волокон, пластмасс, взрывчатых веществ.
Аммиак синтезируется из простых веществ — азота, который получают с помощью ректификации воздуха, и водорода, получаемого парокислородной конверсией метана, добытого из природного газа.
Парокислородная конверсия метана:
CH4 + H2O(г) → CO + 3H2 — Q
2CH4 + O2 → 2CO + 4H2 + Q
CO + H2O(г) → CO2 + H2 + Q
Стадии производства аммиака
1. Сначала азот и водород смешивают друг с другом. Смесь азота и водорода очищают от кислорода, водяных паров, пыли и других веществ. Далее смесь поступает в турбокомпрессор для создания необходимого давления.
2. Сжатая смесь попадает в колонну синтеза для подготовки. Её нагревают до оптимальной температуры в трубах теплообменника (повышение температуры и давления повышает скорость реакции и выход продукта).
3. Далее смесь попадает в емкость с катализатором, в котором происходит синтез аммиака, процесс также происходит в колонне синтеза.
N2 + 3H2 ⇄ 2NH3
Реакция обратимая, экзотермическая и каталитическая, в качестве катализатора используется платина или губчатое железо. Также очень важна площадь поверхности катализатора, поэтому его изготавливают в виде гранул или таблеток. Активность катализатора сильно снижается в присутствии примесей, поэтому газы подвергаются тщательной очистке.
4. Смесь, состоящая из непрореагировавших компонентов и аммиака, охлаждается в теплообменнике отдавая теплоту входящим газам, после этого смесь поступает в холодильник. В холодильнике происходит охлаждение водой, полученный аммиак конденсируется и далее в сепараторе отделяется от непрореагировавших газов. Жидкий аммиак отправляется на склад.
5. Непрореагировавшие газы попадают в циркуляционный компрессор и возвращаются в колонну синтеза.
Многократная циркуляция газов позволяет повысить выход продукта до 85-90%. Также снижаются затраты на производство за счет непрерывности процесса.
Производство азотной кислоты (HNO3)
Промышленность выпускает концентрированную азотную кислоту с концентрацией 96-98%, и менее концентрированную с содержанием 50-60% HNO3. Разбавленная кислота используется для производства азотсодержащих минеральных удобрений. Концентрированная азотная кислота применяется для производства красителей, взрывчатых веществ, пластических масс, кинопленки, нитролаков, и других важных продуктов.
Стадии производства азотной кислоты
Сырьем для производства азотной кислоты является аммиак.
1. Для начала аммиак очищают от примесей, которые могут снижать активность катализатора. Аммиак, поступающий из цеха синтеза, содержит пыль и пары компрессорного масла, являющиеся каталитическими ядами на стадии окисления аммиака. Также от химических и механических примесей очищают воздух, который необходим для каталитического окисления аммиака.
2. Очищенный аммиак вместе с воздухом попадает в контактный аппарат, где происходит каталитическое окисление аммиака:
4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O +Q
Также могут протекать и побочные процессы, например:
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + Q
Катализатор окисления состоит из сплава платины с родием (или палладием) и представляет собой сетки, сплетенные из тонких нитей сплава.
3. Далее происходит дальнейшее окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) в окислительной башне:
2NO + O2 → 2NO2
Выходящая из контактного аппарата смесь газов охлаждается в холодильнике; оксид азота(II) окисляется до оксида азота(IV) при обычной температуре.
4. Газовую смесь, содержащую оксид азота(IV) , направляют в поглотительную башню.
Вода в башню поступает сверху, а газовая смесь, содержащая оксид азота(IV), — снизу.
Происходит поглощение оксида азота (IV) водой. Процесс ведут в избытке кислорода с целью предотвращения выделения NO в результате реакции:
3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO
Так как реакция с водой экзотермическая, а HNO3 при повышенной температуре разлагается, то получают раствор с концентрацией не менее 60%. Более концентрированную HNO3 получают, добавляя концентрированную H2SO4 в качестве водоотнимающего средства.
Производство серной кислоты (H2SO4)
Производство серной кислоты является непрерывным, обжиг колчедана ведут в кипящем слое, продувая в печь воздух, нагретый отходящим обжиговым газом. Тщательно очищенный обжиговый газ, перед поступлением в контактный аппарат, нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. В поглотительных башнях оксид серы(VI) поглощают серной кислотой противотоком.
Стадии производства серной кислоты
Сырьем для производства серной кислоты служат самородная сера и сульфидные руды. Среди них наибольшее значение имеет железный колчедан (пирит) .При производстве серной кислоты из пирита сернистый газ получают путем обжига серного колчедана в печи для обжига:
1. При производстве серной кислоты из пирита сернистый газ получают путем обжига серного колчедана:
4FeS2 + 11O2 → Fe2O3 + 8SO2 + Q
Производительность печи растет с увеличением скорости реакции обжига. Этого добиваются, измельчая пирит до оптимальных размеров, увеличивая площадь его соприкосновения с кислородом воздуха. Так же производят обогащение воздуха кислородом. Используют принцип противотока — сверху в печь подают измельченный пирит, а снизу — воздух, обогащенный кислородом. Частицы оказываются в подвешенном состоянии и образуют “кипящий слой”, что также повышает площадь соприкосновения пирита и кислорода. Поддерживают определенную температуру, обычно 800°С.
2. Печной газ, полученный при обжиге пирита, содержит примеси: огарок Fe2O3, N2, O2, примеси Cu, Ag, Zn, соединения As, водяные пары. При помощи циклона и электрофильтра газ очищают от пыли. От крупной пыли газ очищают в циклоне. Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Газ подается сбоку в наружный цилиндр и перемещается сверху вниз по спирали. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам наружного цилиндра и падают в бункер, откуда затем удаляются.
3.Очищенный газ по внутреннему цилиндру уходит из аппарата и попадает в электрофильтр, в котором очищается от мелкой пыли. Под действием сильного электрического поля частицы пыли ионизируются и притягиваются к сеткам. Там они теряют свой заряд и падают вниз в специальный бункер.
4.От водяных паров газ освобождают в сушильной башне. Сернистый газ поступает в башню снизу, а сверху разбрызгивается концентрированная серная кислота (принцип противотока). Сушильная башня заполнена керамическими кольцами. Кислота, стекая по кольцам вниз, образует на их поверхности плёнку. При этом площадь соприкосновения кислоты и газа многократно увеличивается.
5. Далее происходит окисление в контактном аппарате сернистого газа в оксид серы (VI) — серный ангидрид:
2SO2 + O2 → 2SO3 + Q
Газовую смесь перед началом реакции окисления сернистого газа нужно нагреть, так как в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом помещают теплообменник. Горячий газ из контактного аппарата пропускают по трубам теплообменника, а между ними в противоположном направлении пропускают подогреваемую смесь газов. Таким образом происходит теплообмен между продуктами реакции и исходными веществами, поступающими в контактный аппарат.
Процесс проводят в контактном аппарате, представляющем собой цилиндр. В нём на специальных полках слоями размещен катализатор (V2O5). Между полками с катализатором находится трубки теплообменника. При этом одновременно решается проблема нагревания сернистого газа и охлаждения до необходимой температуры образующегося оксида серы(VI) (принцип теплообмена).
Эта реакция является экзотермической, обратимой, каталитической, гетерогенной за счет катализатора, идет с уменьшением объёма. Согласно принципу Ле-Шателье, повышение температуры смещает равновесие реакции окисления сернистого газа в серный ангидрид влево, то есть, вызывает разложение серного ангидрида. Поэтому процесс желательно проводить при низких температурах. В то же время, если не прибегать к нагреванию, то скорость реакции, то есть скорость достижения состояния равновесия, оказывается необычайно низкой. Оптимальной температурой является температура 400-500°C.
4. Поглощение оксида серы:
SO3 + H2O → H2SO4 + Q
Поглощение оксида серы(VI) происходит в поглотительной башне, заполненной керамическими кольцами. Газ подается снизу, а сверху разбрызгивается 98%-ная серная кислота. Процесс осуществляют в специальных поглотительных башнях, по устройству напоминающих сушильные.
Продуктом взаимодействия концентрированной серной кислоты с оксидом серы(VI) является олеум. При растворении олеума в воде образуется серная кислота. Олеум хранят и перевозят в стальных цистернах — при комнатной температуре сталь устойчива к действию концентрированной серной кислоты и серного ангидрида.
Применение различных веществ
Неорганические
| Вещество | Область применения |
| Водород (H2) | -экологически чистое топливо-сварка и резка металлов-получение металлов, аммиака, метанола, хлороводорода, гидрирование жидких жиров |
| Пищевая сода -гидрокарбонат натрия (NaHCO3) | -в кулинарии, для выпечки. |
| Карбонат калия/поташ (K2CO3) | -производство стекла |
| Соляная кислота (HCl) | -травление металлов-медицина-в органическом синтезе |
| Кальцинированная сода -Na2CO3 | -мытья посуды-чистки раковин, ванн, плитки-стирки-смягчения жесткой воды-удобрения кислых дерново-подзолистых почв |
| Карбонат кальция/мрамор (CaCO3) | -изготовление негашеной извести-в строительстве/архитектуре |
| Кремний (Si) | -получение легированных сталей-производство полупроводниковых приборов-изготовление кислотоустойчивой аппаратуры |
| Алюминий (Al) | -изготовление сплавов, для авиационной, машиностроительной, пищевой и электротехнической промышленности-получение металлов методом алюминотермии |
| Гидроксид натрия/едкий натр, каустическая сода, каустик (NaOH) | –очистка нефтепродуктов-производство мыла, бумаги-в текстильной и химической промышленности |
| Поваренная соль (NaCl) | -приправа |
| Хлорид калия (KCl) | -калийное удобрение |
| Хлорид цинка (ZnCl2) | -пропитка древесины от гниения-пайка металлов |
| Хлорид бария (BaCl2) | -борьба с вредителями растений |
| Хлорид кальция (CaCl2) | -осушитель в медицине |
| Хлорид алюминия (AlCl3) | -катализатор в органическом синтезе |
| Хлорид ртути/сулема (HgCl2) | -протравливание семян-дубление кожи-органический синтез |
| Хлорид — гипохлорит кальция/хлорная (белильная) известь (CaOCl2) | -отбеливание-дезинфекция |
| Плавиковая кислота (HF) | -изготовления надписей на стекле |
| Перхлорат аммония (NH4ClO4) | -окислитель ракетного топлива |
| Азот (N2) | -жидкий азот — глубокое охлаждение-газообразный — синтез аммиака, создание инертной атмосферы |
| Железо (Fe) | -производство чугуна, стали |
| Серная кислота (H2SO4) | -производство минеральных удобрений-изготовление красителей, химволокна, взрывчатых веществ-в пищевой промышленности-металлообрабатывающей-в промышленном органическом синтезе |
| Цинковые белила (ZnO) | -краски, эмали-бумага, резина, пластмассы, косметика и парфюмерия-мази и присыпки |
| Сульфат меди II (CuSO4) | -Средство в борьбе с вредителями, грибковыми заболеваниями.-Изготовление минеральных красок, меднение ванн, пищевые добавки (консервант) |
| Нитрат натрия, нитрат магния, нитрат аммония | -Азотсодержащие удобрения (селитры) |
| Фосфат кальция Гидрофосфат кальция Суперфосфат | -фосфорные удобрения |
| Оксид кремния (IV) | -Производство керамических изделий. |
| Аммиак конц. | -получение удобрений-получение азотной кислоты |
| Твердая Сера | -Резина |
| Сероводород (H2S)/Сульфиды | -производство серной кислоты-химический анализ катионов металлов-в медицине |
| Сернистый газ (SO2)/Сульфиты | -производство серной кислоты, бумаги-отбеливание тканей и бумаги-уничтожение микроорганизмов и грибковых заболеваний |
| Гидрокарбонат натрия | -Разрыхлитель теста-Моющее средство |
| Карбонат аммония | -Разрыхлитель теста |
| Аммиак раствор | -стеклоочистительные жидкости-нашатырный спирт |
| Твердый Активированный уголь | -адсорбент в фильтрах-лекарственное средство при отравлениях |
| Озон O3 | -дезинфекция (очистка) воды |
| Перекись водорода | -антисептик |
| Жидкий Хлор Cl2 | -дезинфекция (очистка) воды |
| Спиртовой раствор Йода | -дезинфекция порезов и царапин |
| Оксид азота I ”Веселящий газ” (N2O) | -наркоз |
| Оксид азота II (NO) Оксид азота IV (NO2) | -промежуточные продукты в производстве серной кислоты |
| Азотная кислота (HNO3) | -азотные удобрения-окислитель в ракетных двигателях-органический синтез (производство красителей, лекарств, пластмасс, растворителей) |
| Фосфор (P) | -производство фосфорной кислоты-зажигательных составов |
| Фосфорная кислота (H3PO4) | –производство фосфорных удобрений |
| Углерод (C) | -алмазы — обработка твердых металлов/ ювелирная промышленность-графит — производство карандашей и электродов-уголь и кокс — топливо |
| Оксид углерода II (CO) | -топливо-получение метанола, металлов, фосгена |
| Оксид углерода IV (CO2) | -производство напитков, соды, в огнетушителях-хранение скоропортящихся продуктов-получение угарного газа |
Органические
| Пальмитат натрия/калия Стеарат натрия/калия | -мыла (натриевые соли — твердые мыла, калиевые соли — жидкие мыла) |
| Этановая (уксусная) кислота | -консервирование овощей |
| Этанол (этиловый спирт) C2H5OH | -топливо-алкогольные напитки |
| Глицерин | -парфюмерия-пищевая промышленность |
| Тетрахлорид углерода CCl4 | -растворитель |
| Газообразный Ацетилен C2H2 | -сварка, резка металла |
| Газообразный Метан | -горючее для газовых плит |
| Раствор Лимонной кислоты | -удаление накипи |
| Хлоропрен (2-хлорбутадиен-1,3) Изопрен (2-метилбутадиен-1,3) Бутадиен (дивинил) | —сырье для производства каучука |
| Анилин | -красители |
| Фенол | —производство лекарственных средств-производство синтетических волокон-производство фенолформальдегидных смол |
| Этиленгликоль C2H4(OH)2 | -антифризы-получения растворителей-получения взрывчатых веществ |
| Формальдегид HCHO | -получение фенолформальдегидной и карбамидной смол-медицина-кожевенная промышленность-протравливание семян |
| Ацетаты алюминия (CH3COO)3Al и железа (CH3COO)3Fe | -протрава при крашении тканей |
| Бензойная кислота C6H5COOH | -консервант-красители |
| Терефталевая кислота C6H4(COOH)2 | -получение полиэтилентерефталата |
| Сложные эфиры | -растворители-парфюмерия-пищевая промышленность-производство напитков-производство пластмасс |
| Жиры | -продукт питания-получение мыла-косметическая и фармацевтическая промышленность-изготовление маргарина |
| Крахмал (C6H10O5)n | -получение клея-накрахмаливания белья-кондитерское производство-производство спирта и вина |
| Целлюлоза | -производство бумаги, ацетатного и вискозного волокон, одежды, бинтов, ваты |
| Тринитрат целлюлозы | -производство бездымного пороха, лаков |
| Триацетат целлюлозы | -производство ацетатных волокон, лаков, пленок |
| Алифатические амины | -получение лекарственных препаратов, пестицидов, пластмасс |
| Аминокислоты | -элемент питания-получение лекарственных препаратов |
| W-аминокапроновая кислота | -получение волокна капрон |
| Алкадиены | -получение каучуков |
| Каучуки | -получение резины |
| Циклопропан | -медицина |
| Циклопентан | -органический синтез-добавка к моторному топливу |
| Циклогексан | -синтез полупродуктов при производстве синтетических волокон нейлона и капрона-растворитель |
| Арены | В производстве:-красителей-лекарственных веществ-взрывчатых веществ-ядохимикатов-пластмасс и синтетических волокон -растворители |
| Метанол | -получение формальдегида, растворителей |
| Сорбит (шестиатомный спирт) | -заменитель сахара |
