Химическое производство

Химическое производство

Дуванова Татьяна Викторовна, 

учитель химии 

ГАОУ СО «Физико-технический №1»

г. Саратова

Производство аммиака

В промышленности аммиак получают прямым взаимодействием азота и водорода в реакционной колонне:

Данная реакция обратимая, экзотермическая, гомогенная. Для увеличения выхода аммиака необходимо повышать давление и понижать температуру, но при температуре около 400°С скорость реакции очень мала, поэтому она протекает при температуре 450-500°С и давлении 15-30 МПа в присутствии катализатора – пористого железа с примесями оксидов алюминия и калия.

Этапы

• Трубопровод – подается азотно-водородная смесь в соотношении N 2 : H 2 = 1 : 3
• Турбокомпрессор – исходная смесь газов сжимается для повышения давления до 15-30 Мпа
• Колонна синтеза – производится синтез аммиака. Газовая смесь продавливается через полки с катализатором. Процесс обратимый и проходит с большим выделением тепла. Часть выделяющегося тепла расходуется на нагревание поступающей смеси с помощью теплообменников. В холодильник поступает смесь, состоящая из аммиака (выход 20-30%) и непрореагировавших азота и водорода.

• Холодильник – смесь, которая выходит из колонны синтеза, охлаждается и направляется на разделение в сепаратор.
• Сепаратор – охлажденный, перешедший в жидкое состояние аммиак отделяют от азота и водорода и отправляют на склад.
• Циркуляционный насос возвращает не прореагировавшую смесь азота и водорода в контактный аппарат.

Производство серной кислоты

Сырье

Серную кислоту можно получить с помощью серы и ее соединений:

• Железный колчедан(пирит) FeS 2
• Сера
• Сульфиды цветных металлов: Cu 2 S, ZnS, PbS и др.
• Гипс CaSO 4 · 2H 2 O
• Сероводород H 2 S

Катализатор – оксид ванадия V 2 O 5

увеличивается скорость реакции; При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, увеличивается скорость реакции. Но если частицы слишком мелкие, то слеживание приводит к уменьшению площади соприкосновения, что препятствует доступу кислорода. Применяя принцип противотока , т.е. подавая в печь тонко измельченный пирит сверху и продувая воздух снизу, можно отрегулировать подачу воздуха, чтобы частицы пирита разрыхлялись и оставались в подвижном состоянии. Такой слой мелких частиц называют кипящим. " width="640"

Получение оксида серы(IV)

Оксид серы (IV) получают путем обжига серного колчедана:

Образующийся в процессе обжига сернистый газ поглощается водой, к которой добавлен индикатор.

Зависимость скорости реакции от условий обжига пирита:

• При пропускании вместо воздуха чистого кислорода увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ = увеличивается скорость реакции;
• При дроблении пирита увеличивается поверхность соприкосновения реагирующих веществ, увеличивается скорость реакции. Но если частицы слишком мелкие, то слеживание приводит к уменьшению площади соприкосновения, что препятствует доступу кислорода. Применяя принцип противотока , т.е. подавая в печь тонко измельченный пирит сверху и продувая воздух снизу, можно отрегулировать подачу воздуха, чтобы частицы пирита разрыхлялись и оставались в подвижном состоянии. Такой слой мелких частиц называют кипящим.

• При повышении температуры обжига до 800°С возрастает доля молекул с достаточной кинетической энергией и скорость реакции увеличивается.
• Так как реакция обжига пирита является экзотермической, то температура поднимается выше оптимальной, т.е. выше 800°С . Следовательно, избыточную теплоту нужно отводить и использовать для других целей, например, для получения водяного пара. Т.е. используют принцип теплообмена .

Приборы для очистки оксида серы(IV)

Циклон. Для удаления пыли из газовой смеси ее пропускают через циклон . Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Смесь газов поступает в наружный цилиндр и движется по спирали сверху вниз. Под действием движения газов в циклоне частицы пыли отбрасываются к стенке наружного цилиндра, падают и удаляются.

Приборы для очистки оксида серы(IV)

Электрофильтр . Более мелкие пылинки удаляются в электрофильтрах . Эти аппараты состоят из металлических сеток, между которыми протянута тонкая проволока. К ней подводят постоянный электрический ток высокого напряжения (60000 В). Проволока заряжается отрицательно, а сетка – положительно. Смесь газов поступает в камеру снизу. В результате действия сильного электрического поля пылинки приобретают отрицательный заряд, притягиваются к стенке, где теряют свой заряд, и падают в специальный бункер.

Приборы для очистки оксида серы(IV)

Сушильная башня . От водяных паров смесь очищают в сушильной башне . В эту башню газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

Окисление оксида серы (IV)

В контактном аппарате под влиянием катализатора, оксида ванадия (V) происходит окисление:

Для начала реакции газовую смесь нужно нагреть, так как в процессе очистки она охлаждается. Для этого перед контактным аппаратом устанавливают теплообменник: горячая газовая смесь, выходящая из контактного аппарата, отдает теплоту смеси, поступающей в него. Достигаются две цели: исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

В контактном аппарате находятся полки, на которых слоями катализатор - оксида ванадия (V). Благодаря катализатору, окисление оксида серы (IV) происходит при более низкой температуре и равновесие химической реакции смещается вправо.

Получение серной кислоты гидратацией оксида серы (VI)

Охлажденный оксид серы (VI) направляют в поглотительную башню . Вместо воды для его поглощения используют концентрированную серную кислоту с массовой долей 98%. Почему же для поглощения оксида серы (VI) нельзя использовать воду? Оказывается, оксид серы (VI) до соприкосновения с водой реагирует с ее парами, образуя сернокислотный туман, который не поглощается водой. Над концентрированной серной кислотой водяной пар практически отсутствует.

Оксид серы (VI) поглощается концентрированной серной кислотой, реагируя с содержащейся в ней водой:

Получается безводная серная кислота, при растворении в которой оксида серы (VI) образуется олеум.

поступление оксида серы (IV) и воздуха в очистительную систему, а затем в контактный аппарат - подача оксида серы (VI) в поглотительную башню. " width="640"

Процесс производства серной кислоты непрерывный : обжиг пирита в печи - поступление оксида серы (IV) и воздуха в очистительную систему, а затем в контактный аппарат - подача оксида серы (VI) в поглотительную башню.

Производство азотной кислоты

Стадии

• Подготовка аммиачно-воздушной смеси
• Окисление аммиака до оксида азота (II)
• Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV)
• Поглощение оксида азота (IV) водой и получение азотной кислоты

Подготовка аммиачно-воздушной смеси. Окисление аммиака до оксида азота (II)

Аммиачно-воздушную смесь получают перемешиванием аммиака с воздухом, предварительно очищенного от примесей. Смесь поступает в контактный аппарат, где под влиянием катализатора (платинородиевые сетки) происходит окисление аммиака:

Реакция экзотермическая, поэтому подогревание требуется только перед пуском аппарата.

Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV)

Окисление оксида азота (II) до оксида азота (IV) происходит при обычной температуре:

Выходящую из аппарата газовую смесь охлаждают, пропуская ее в паровой котел-утилизатор, где получают водяной пар.

Поглощение оксида азота (IV) водой и получение азотной кислоты

Газовую смесь, содержащую оксид азота (IV), направляют в поглотительную башню. Оксид азота поглощается водой:

При избытке кислорода реакция протекает без выделения оксида азота (II):

Азотная кислота при нагревании разлагается, поэтому реакция оксида азота (IV) с водой экзотермическая и обратимая.

Производство чугуна

Реакции, протекающие в доменной печи

Чугун получают из железных руд в доменных печах.

Доменную печь сверху последовательно загружают шихтой: железной рудой, смешанной с флюсами, затем коксом, опять железной рудой и т. д. Снизу вдувают нагретый воздух, обогащенный кислородом, кокс сгорает:

В результате этой экзотермической реакции температура повышается до 1850°С. Образующийся оксид углерода (IV), поднимаясь, соприкасается и реагирует с раскаленным углем:

Реакции, протекающие в доменной печи

Оксид углерода (II) является основным восстановителем железа из его оксидов. Восстановление железа оксидом углерода (II) протекает последовательно. Процесс восстановления красного железняка происходит так:

Частично восстанавливаются также из оксидов марганец, кремний, фосфор и сера. Восстановленное железо в жидком состоянии растворяет их, и образуется жидкий чугун .

Реакции, протекающие в доменной печи

В железной руде содержатся тугоплавкие примеси. Чтобы их расплавить и удалить, к загруженным в доменную печь железной руде и коксу добавляют флюсы или плавни. Они образуют с примесями тугоплавкие соединения – шлаки . Обычно руда содержит оксид кремния (IV), поэтому применяют известняк или доломит:

Тугоплавкий силикат кальция – одна из составных частей шлака.

Чугун и шлак не смешиваются: чугун с большей плотностью образует нижний слой, а шлак всплывает. Температура плавления шлаков сильно зависит от массового содержания диоксида кремния в них. В зависимости от этого шлаки либо удаляют в виде расплавов, либо в виде твердых отходов.

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями. Высота доменной печи достигает более 60 м, а диаметр – более 10 м.

Верхняя часть доменной печи называется колошником , средняя – шахтой , а наиболее широкая часть – распаром. В нижней части доменной печи находится горн , имеющий цилиндрическую форму. Внизу горна накапливается слоями жидкий чугун и шлак, которые удаляются через отверстия: через верхнее отверстие – шлак, а через нижнее – чугун.

В верхней части горна находится отверстие для вдувания воздуха.

Наверху доменной печи имеется автоматическое загрузочное устройство, которое состоит из двух воронок, расположенных одна над другой. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а при ее опускании – в нижнюю.

Доменные печи до сих пор используются на практике

При опускании нижней воронки руда и кокс попадают в печь. В результате последовательного действия верхнего и нижнего конусов во время загрузки печь остается закрытой. Благодаря этому, газы в атмосферу не выходят, а подаются в специальные печи, регенераторы, где они и сгорают.

Для ускорения химических реакций в доменной печи:

железную руду обогащают, а к вдуваемому в доменную печь воздуху добавляют кислород; концентрацию реагирующих веществ увеличивают также введением в доменную печь природного газа , состоящего в основном из метана. В результате сгорания метана образуется двуокись углерода и вода. Двуокись углерода и водяные пары реагируют с раскаленным углем. В результате повышается концентрация монооксида углерода и образуется еще другой, дополнительный восстановитель – водород.

С учетом того, что скорость химической реакции зависит от поверхности соприкосновения реагирующих веществ, загружаемые в доменную печь руда, кокс и флюсы должны состоять из кусков определенных оптимальных размеров. Крупные куски размельчают, а слишком мелкие укрупняют спеканием, иначе мелкие куски закроют проход газам.

Для повышения температуры воздух, вдуваемый в доменную печь, предварительно нагревают в регенераторах. Для этих же целей используют теплоту экзотермических реакций: раскаленные газы из нижней части доменной печи, поднимаясь, подогревают до нужной температуры поступающие сверху плавильные материалы ( принцип противотока ).

Производство стали

Сталь получают из чугуна и железного лома. Частично используют железную руду.

Чугун отличается от стали большим содержанием углерода и кремния. В чугуне содержится так же значительные количества серы и фосфора. которые ухудшают качество стали:

• Сера – придает стали красноломкость – при горячей механической обработке в стали образуются трещины
• Фосфор – хладноломкость – хрупкость при обработке в обычных условиях

Таким образом, для повышения качества стали необходимо уменьшить содержание в чугуне углерода и кремния, а серу и фосфор удалить по возможности полнее. Для этого примеси окисляют кислородом.

Такой процесс происходит в специальных печах – конвертерах, именно поэтому данный способ называется кислородно-конвертерным. В ходе процесса идет выжигание излишков углерода из расплавленного чугуна, превращающее его в сталь.

Конвертер

Такой процесс происходит в специальных печах – конвертерах, именно поэтому данный способ называется кислородно-конвертерным. В ходе процесса идет выжигание излишков углерода из расплавленного чугуна, превращающее его в сталь.

Основные реакции

При окислении примесей чугуна, с кислородом взаимодействуют не только примеси, но и железо:

Образующийся оксид железа (II) в дальнейшем является основным окислителем:

Для удаления оксидов кремния и фосфора используют известь:

Образовавшиеся силикат и ортофосфат кальция в виде шлака всплывают на поверхность жидкой стали.

После окончания реакций в стали остается некоторое количество оксида железа (II), который делает ее менее качественной. Для его удаления в сталь добавляют раскислители, например, марганец:

Оксид марганца (II) реагирует с оксидом кремния (IV):

Силикат марганца (II) удаляется в виде шлака.