Производство неорганических кислот

Большую часть веществ, применяемых во многих от­раслях народного хозяйства, составляют неорганические вещества — кислоты, щелочи, соли, окислы; продукты ме­таллургии; строительной индустрии — цементы, керами­ки, стекло; других отраслей, имеющих важное значение для страны.

Немалое место среди этих веществ занимают кислоты — серная, азотная, соляная, фосфорная и другие.

Наиболее широкое применение находит серная кисло­та — фундамент химической промышленности, так как по­чти нет ни одной отрасли химического производства, в которой бы она не применялась.

Не менее важное значение имеет азотная и соляная кислоты.

Все это объясняется широким диапазоном их свойств, необходимых для осуществления многих процессов.

Серная кислота

Под названием «серная кислота» в технике подразуме­ваются любые смеси триоксида серы с водой. Моногидрат, или безводная серная кислота H₂S0₄, — тяжелая масля­нистая жидкость, смешивающаяся с водой в любых соот­ношениях; плотность 1,83 г/см³, температура кипения 296,2 °С, при дальнейшем нагревании разлагается на S0₃ и Н₂0, кристаллизуется при температуре +10,45 ⁰С.

Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, отличающихся концентрацией основного вещест­ва и содержанием примесей. Основные сорта серной кисло­ты: 65-процентная — камерная, 75-процентная — башен­ная, 98-процентная — купоросное масло, олеум, 100-про­центная — химически чистая, аккумуляторная и др.

Высокая активность серной кислоты и сравнительно не­большая стоимость определяют огромные масштабы про­изводства и чрезвычайно разнообразное применение почти во всех отраслях народного хозяйства.

Наиболее крупным потребителем серной кислоты яв­ляется производство минеральных удобрений — супер-фосфата, сульфата аммония и др. В металлообрабатываю­щей промышленности серная кислота применяется для снятия ржавчины с поверхности черных металлов при под­готовке их к защитным или декоративным покрытиям ла­ками и цветными металлами. Большое количество серной кислоты расходуется на очистку нефтепродуктов. Произ­водство красителей, лаков, красок, лекарственных ве­ществ, некоторых пластических масс, многих ядохимика­тов, эфиров, спиртов было бы невозможно в современных масштабах без серной кислоты. Разбавленные растворы серной кислоты или ее солей применяют в производстве искусственного шелка, в текстильной промышленности. В пищевой промышленности серная кислота используется для приготовления крахмала, патоки и других продуктов.

В процессах нитрирования для производства многих органических соединений, в том числе и большинства взрывчатых веществ, также применяется серная кислота.

Сырье. Исходным сырьем для производства серной кис­лоты служит любое сырье, содержащее серу: различные колчеданы, отходящие газы металлургических процессов, топочные газы, чистая сера и др.

Получение серной кислоты. Технологический процесс получения серной кислоты состоит из трех стадий.

Первой стадией производственного процесса является получение сернистого газа S0₂.

Сернистый газ выделяют из топочных газов или отхо­дящих газов металлургических процессов сжиганием серы. При сжигании чистой серы, не содержащей ядовитых для катализатора примесей (мышьяк), получается газ, кото­рый может быть использован непосредственно (без очист­ки) для производства.

При сжигании кусковой серы применяются враща­ющиеся барабанные печи и неподвижные отражательные печи. Сжигание жидкой серы в распыленном состоянии проводят в неподвижных цилиндрических печах с раз­брызгивающими форсунками.

При получении сернистого газа из колчедана его под­вергают подготовке (дробление, просеивание, обогащение) и. обжигу. Для обжига применяют печи различного типа (механические полочные, обжиг в кипящем слое и др.)

При сжигании колчедана, с отходящим печным газом уносится некоторая часть колчедана и огарка в виде мель­чайшей пыли.

Отложение пыли на поверхности катализатора в кон­тактных аппаратах ведет к понижению активности ката­лизатора, а следовательно, и к понижению производитель­ности аппарата.

В серно-кислотной промышленности применяют меха­нический и электрический методы очистки газа от пыли.

При механической очистке в качестве пылеочистительных аппаратов применяют циклоны. Циклоны применя­ются для предварительной очистки печных газов от круп­ных частиц и пыли.

Для тонкой очистки применяется очистка в электро­фильтрах. После электрофильтра пыли остается 0,04-0,1 г/м³.

Для тонкой очистки сернистого газа от вредных газо­образных примесей (соединений мышьяка, селена) приме­няют мокрый электрофильтр, в котором используются жидкие химические реагенты, поглощающие эти примеси.

Вторая стадия — окисление сернистого газа до триоксида серы — протекает в присутствии катализатора, осо­бенность которого в том, что он непрочно удерживает кис­лород и легко отдает его сернистому газу. В зависимости от вида катализатора и характера процесса существует два способа получения серной кислоты: башенный (нитрозный) и контактный.

Башенный (нитрозный) способ. В производстве H₂SO₄ по нитрозному способу обжиговый газ предварительно ос­вобождается только от механических примесей. Дополни­тельной очистки газа от химических примесей-ядов (мышьяка, селена и др.) не требуется. Очищенный от пыли газ поступает в систему при температуре 350 °С. Газ про­ходит последовательно через все башни системы, где про­исходит образование серной кислоты путем поглощения S0₃ водой. В качестве катализатора применяют раствор окси­дов азота в серной кислоте (нитроза).

Контактный метод. Контактный метод производства был предложен в 1831 г. и реализован в промышленности в 1875 г. В настоящее время он является основным при производстве серной кислоты.

Быстрое развитие контактного метода производства объясняется возможностью получения чистой концентри­рованной кислоты и олеума — продуктов, имеющих боль­шое промышленное значение.

Производство серной кислоты контактным методом со­стоит из следующих основных стадий:

1. Очистка газов от примесей, вредных для процесса контактного окисления S0₂ в SO₃.

2. Окисления S0₂ в S0₃ на поверхности твердого ката­лизатора.

3. Поглощение трехокиси серы серной кислотой с полу­чением концентрированной H₂S0₄ и олеума (H₂S0₄ + SO_s).

Нитрозный способ дает кислоту, загрязненную приме­сями и разбавленную, что ограничивает ее использование. При необходимости концентрирования этой кислоты рез­ко возрастает расход топлива (для упаривания воды). Не­полный возврат окислов азота приводит к постоянным зат­ратам на дорогостоящую азотную кислоту, продукт более транспортабельный. Но расход колчедана, электроэнергии при данном способе несколько выше, чем при контактном, хотя башенные установки дешевле контактных, аппарату­ра контактного сернокислотного производства эксплуати­руется более длительный срок и требует Меньших затрат на ремонт.

23. Технология производства азотной кислоты

Аммиак и азотная кислота

Соединения азота играют важную роль в народном хо­зяйстве. Они входят в состав минеральных удобрений, плас­тических масс, искусственных волокон, красителей, лаков, взрывчатых веществ, кислот и многих других продуктов. Но элементарный азот инертен, он трудно вступает в со­единения. Чтобы использовать азот, его сначала необходи­мо связать с другими элементами, получить связанный азот, а затем эти простейшие соединения превратить в бо­лее сложные. Наиболее рентабельным способом получения связанного азота является его синтез с водородом в виде аммиака NH_3. В основе данного способа лежит реакция:

N₂ + 3H₂ t; 2NH₃ + Q

Процесс производства аммиака включает две стадии:

1. Получение азота и водорода.

2. Синтез азото-водородной смеси.

Необходимый для синтеза аммиака, азот получают из воздуха. Чтобы выделить азот из воздуха, последний под­вергают глубокому охлаждению и ректификации и сжиже­нию. При испарении жидкого воздуха выделяют азот.

Водород производят несколькими способами:

1. Конверсией (взаимодействием) окиси углерода с во­дяным паром (СО + Н₂0 С0₂ + Н₂), используя при этом генераторный и водяной пар.

2. Конверсией метана — природного газа и окиси угле­рода.

3. Глубоким охлаждением комового газа, содержащего около 60% водорода.

4. Электролизом водных растворов и солей.

Наибольшее распространение получили конверсионные способы.

Синтез аммиака можно осуществить с применением ка­тализатора при температуре 450-550 °С и давлении. Ско­рость этой реакции зависит от температуры, давления, кон­центрации азота и водорода, содержания в них примесей и ряда других факторов.

Полученные тем или иным способом азот и водород, пройдя тщательную очистку, смешиваются в пропорции 1:3. Смесь газов поступает в колонну синтеза. Она пред­ставляет собой стальной цилиндр с толстыми стенками. Высота колонны до 13 метров, диаметр 1—2 метра. В ее верхней части расположен контактный аппарат, заполнен­ный катализатором, а в нижней — теплообменник. В ка­честве катализатора чаще всего используют губчатое же­лезо е добавкой активаторов (алюминий и кальций).

Азотно-водородная смесь с температурой 20-30 °С, по­даваемая в колонну, проходит теплообменник, где подо­гревается, а затем попадает в контактный узел. Проходя через слой катализатора, азот соединяется с водородом, при этом в аммиак превращается только 18-20% смеси. При выходе из колонны аммиак и непрореагировавшая часть смеси попадает в холодильник, в котором газообразный аммиак конденсируется. В газоотделителях жидкий амми­ак отделяется, а оставшаяся азотно-водородная смесь вновь подается компрессором в колонну на синтез (с добавкой новой порции газов).

Большая часть получаемого аммиака расходуется на производство азотной кислоты, удобрений, соды и ряда органических соединений.

Свойства и сорта азотной кислоты

Чистая азотная кислота HNO₃, при обыкновенной тем­пературе представляет собой бесцветную жидкость, замер­зающую при — 41 °С с образованием белоснежных кристал­лов. Водные растворы азотной кислоты в зависимости от концентрации кристаллизуются при различных темпера­турах.

Азотную кислоту используют в огромных количествах для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ и других продуктов. Много азотной кислоты расходуется в производстве серной кислоты по нитрозному методу.

Промышленность выпускает разбавленную (слабую) азотную кислоту трех сортов (1-й — 55%, 2-й — 47%, 3-й — 45%) и концентрированную (крепкую) азотную кис­лоту двух сортов (1-й — 98%, 2-й — 97%).

Производство азотной кислоты окислением аммиака

Процесс получения азотной кислоты окислением амми­ака включает три стадии:

1. Контактное окисление аммиака до окиси азота NO.

2. Окисление окиси азота до двуокиси азота NO₂,.

3. Абсорбция (поглощение) двуокиси азота водой с об­разованием азотной кислоты HN0₃.

Получают азотную кислоту в специальных установках.

Окисление аммиака кислородом воздуха происходит в контактном аппарате при температуре 800 °С в присутствии катализатора (сплав платины с родием, окись кобальта или железа и др.). Предварительно аммиак и воздух тщатель­но очищают и подают в смеситель. Затем воздушно-аммиачную смесь, содержащую 10-12% аммиака NH₃, после подогрева подают в контактный аппарат, где происходит реакция:

4NH₃ + 50₂ = 4NO + 6Н₂0 + Q

Окисление полученной окиси азота, идет по реакции:

2NO + 0₂ = 2N0₂ + Q

Образовавшиеся газы при температуре 800 °С поступа­ют в котел-утилизатор, охлаждаясь до 250 °С и далее — в холодильник, где дополнительно охлаждаются до 30 °С.

Абсорбция образовавшейся двуокиси азота водой про­текает по следующей реакции:

3N0₂ + Н₂0 = 2HN0₃ + NO + Q

Прямой синтез концентрированной азотной кислоты.

Прямой синтез концентрированной азотной кислоты заключается во взаимодействии жидкой четырехокиси азо­та с водой в присутствии газообразного кислорода.

Реакция образования азотной кислоты протекает сле­дующим образом:

2N₂0₄ + 2Н₂0 + 0₂ = 4HN0₃ + Q

Прямой синтез позволяет получать крепкую (концент­рированную) азотную кислоту.

24. Технология производства пиломатериалов

Поиск по сайту: