Готовимся к ЕГЭ           11 класс

Химические производства

ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ КОНТАКТНЫМ СПОСОБОМ

Исходным сырьём для производства серной кислоты могут быть сера, сероводород, сульфиды металлов.
Мы рассмотрим производство серной кислоты контактным способом, при котором исходным сырьём является пирит FeS₂

Принципиальная схема получения серной кислоты.

                                           

Процесс состоит из трех стадий:

Стадия	Процессы
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. б) 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. в) 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 + Q 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.

 

 

                                                  Завод по производству серной кислоты

ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА.

Рассмотрим процесс синтеза аммиака из простых веществ: водорода и азота. 

Химизм процесса можно представить с помощью уравнения реакции.

N2 + 3H22NH3 + Q

Реакция является обратимой, экзотермической, идущей с уменьшением объёма. Поскольку эта реакция экзотермическая, то понижение температуры будет
смещать равновесие в сторону образования аммиака, но при этом существенно снижается скорость химической реакции. 
Поэтому синтез проводят при температуре 500-550⁰С и в присутствии катализатора.
А так как катализатор ускоряет прямую и обратную реакцию одинаково, 
а повышение температуры смещает равновесие в сторону исходных веществ, 
эти условия не выгодны для промышленного производства. В соответствии с принципами смещения равновесия для противодействия влиянию повышенной температуры используют повышенное давление. 
Для синтеза аммиака применяют давления 15-100 МПа.
В качестве катализатора используют губчатое железо с с добавками оксидов алюминия, калия, кальция, кремния.
Отрицательно на скорость образования аммиака влияют вредные примеси: вода, сероводород, оксид углерода (II). Они отравляют катализатор, 
снижая его активность. Поэтому азотоводородную смесь тщательно очищают. 
Однако и при этих условиях только часть смеси превращается в аммиак.
Для полного использования исходных веществ непрореагировавшую часть 
смеси вновь направляют в реактор.
Рассмотрим процессы, протекающие при синтезе, назначение аппаратов.

Схема производства аммиака

№	Аппарат	Назначение аппарата, процессы, протекающие в нём.
1	трубопровод	Подаётся предварительно подготовленная смесь, состоящая из 3 объёмов водорода и 1 объёма азота.
	турбо- компрессор	Азотоводородная смесь сжимается до определённого давления, необходимого для данного процесса.
3	колонна синтеза	Колонна синтеза предназначена для проведения процесса синтеза аммиака. В контактном аппарате расположены полки с катализатором. Процесс синтеза является сильно экзотермическим, протекает с большим выделением тепла, часть которого расходуется на нагревание поступающей азотводородной смеси. Смесь, выходящая из колонны синтеза, состоит из аммиака (20-30%) и непрорегировавших азота и водорода.
4	холодильник	Предназначен для охлаждения смеси. Аммиак легко сжимаем и при высоком давлении превращается в жидкость. При выходе из холодильника образуется смесь, состоящая из жидкого аммиака и непрореагировавшей азотоводородной смеси.
5	сепаратор	Предназначен для отделения жидкого аммиака от газообразной фазы. Аммиак собирается в сборник, расположенный в нижней части сепаратора.
6	циркуляционный насос	Предназначен для возвращения непрореагировавшей смеси в контактный аппарат. Благодаря циркуляции удаётся довести использование азотоводородной смеси до 95%.
7	аммиакопровод	Предназначен для транспортировки жидкого аммиака на склад.

Производство этанола

Этиловый спирт находит широкое применение в качестве химического сырья. Для удовлетворения потребностей промышленности и народного хозяйства необходимы огромные количества этого вещества.

Синтетический способ получения этанола заключается в каталитической
 гидратации этилена водяным паром в газовой фазе.

Реакция экзотермическая и обратимая:

С₂Н₄ + Н₂О ⇌ С₂Н₅ОН + 46 кДж.

Как сместить химическое равновесие в сторону образования конечного продукта
 и увеличить выход химической реакции?

Реакция идет с уменьшением числа молекул в смеси, поэтому для смещения

 равновесия вправо необходимо увеличить давление.

Чтобы скорость реакции была достаточной, необходимы катализатор и 
повышенная температура. Поскольку реакция экзотермическая,
то слишком высокая температура будет способствовать смещению равновесия влево,
в сторону реакции, идущей с поглощением теплоты.
Оптимальные условия гидратации этилена следующие: t = 280–300 °C, p = 7–8 МПа, 
катализатор – фосфорная кислота H₃PO₄, осажденная на твердом носителе.  
При этих условиях за одно прохождение через промышленный аппарат для
 синтеза около 5% исходного этилена превращается в спирт. Чтобы производство 
было рентабельным, необходимо осуществлять циркуляционный процесс, 
т.е. выделять спирт из смеси продуктов реакции, а этилен снова возвращать на гидратацию. Отходящие продукты (отходы) используют для нагревания веществ, 
поступающих на гидратацию. Таковы научные основы этого процесса.

 

Название процесса	Условия протекания реакции	Научные основы производства	Уравнение реакции
Kаталитическая гидратация этилена водяным паром	t = 280–300 °C, p = 7–8 МПа, кат. – H3PO4 на твердом носителе	1) Циркуляционный процесс; 2) использование отходов реакции для нагревания исходных веществ	С2Н4 + Н2О ⇌ С2Н5ОН + 46 кДж

ЧЕРНАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

Железо

Уже в глубокой древности люди знали железо и умели им пользоваться. Греческий философ Аристотель, живший в 384—322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали.
Земля, о которой он рассказы­вает,— это железная руда, химическое соеди­нение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами.
В самородном состоянии железо на Земле не встречается. Как только молекулы железа приходят в соприкосновение с вездесущим кислородом, они с ним соединяют­ся, т. е. окисляются. На заре своей истории люди использо­вали метеоритное железо, па­давшее на земную поверх­ность из космоса. Такого желе­за было, конечно, мало. Прак­тическое, хозяйственное значе­ние этот металл приобрел лишь тогда, когда человек научился получать его из руды.

Производство чугуна

Чугун – сплав железа и углерода с сопутствующими элементами (содержание углерода более 2,14 %).
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топливо, флюсы.
К железным рудам относятся:
– магнитный железняк (Fe₃O₄) ( Курская магнитная аномалия (КМА);
– красный железняк (Fe₂O₃)   (Кривой Рог, КМА);
– бурый железняк (гидраты оксидов железа 2Fe₂O₃ * 3H₂O и Fe₂O₃ * H₂O)  ( Керчь).
Топливом для доменной плавки служит кокс, возможна частичная замена газом, мазутом.
Флюсом является известняк CaCO₃ или доломитизированный известняк, содержащий CaCO₃ и MgCO₃ необходимые для удаления серы.

Выплавка чугуна

Чугун выплавляют в печах шахтного типа – доменных печах.
Сущность процесса получения чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды оксидом углерода (II), водородом и твёрдым углеродом, выделяющимся при сгорании топлива.
Продукты сгорания взаимодействуют с раскаленным коксом по реакциям:

CO₂+C=2CO-Q

H₂O+C=CO+H₂-Q

Образуется смесь восстановительных газов, в которой окись углерода CO является главным восстановителем железа из его оксидов.

Восстановление железа в доменной печи.
Восстановление железа происходит по мере продвижения шихты вниз по шахте и повышения температуры от высшего оксида к низшему, в несколько стадий:

Fe₂O₃→Fe₃O₄→FeO→Fe

Температура определяет характер протекания химических реакций.
Восстановителями окcидов железа являются твердый углерод, оксид углерода и водород.
Восстановление твердым углеродом (коксом)называется прямым восстановлением, протекает в нижней части печи (зона распара), где более высокие температуры, по реакции:

FeO+C=Fe+CO-Q

Восстановление газами (CO и H₂) называется косвенным восстановлением, протекает в верхней части печи при сравнительно низких температурах, по реакциям:

3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂+Q

Fe₃O₄+CO=3FeO+CO₂-Q

FeO+CO=Fe+CO₂+Q

При температуре 1000…1100 ⁰C восстановленное из руды твёрдое железо, взаимодействуя с оксидом углерода, коксом и сажистым углеродом, интенсивно растворяет углерод.
В нижней части доменной печи образуется шлак в результате сплавления окислов пустой породы руды, флюсов и золы топлива.

Шлаки содержат Al₂O₃, CaO, MgO, SiO₂, MnO, FeO, CaS . Шлак скапливается на поверхности жидкого чугуна, благодаря меньшей плотности. Состав шлака зависит от состава применяемых шихтовых материалов и выплавляемого чугуна.
Чугун выпускают из печи каждые 3…4 часа через чугунную летку 16, а шлак – каждые 1…1,5 часа через шлаковую летку 17 (летка – отверстие в кладке, расположенное выше лещади). В настоящее время чугун и шлак выпускают в одну ледку и разделяют.
Летку открывают бурильной машиной, затем закрывают огнеупорной массой. Сливают чугун и шлак в чугуновозные ковши и шлаковозные чаши.
Чугун поступает в кислородно-конвертерные или мартеновские цехи, или разливается в изложницы разливочной машиной, где он затвердевает в виде чушек-слитков

массой 45 кг. 

Продукты доменной плавки

Основным продуктом доменной плавки является чугун.