Производство серной кислоты и аммиака (11 класс)

1.

Производство
серной кислоты

2.

Ежегодно в мире производят свыше 200 млн т серной кислоты. Основное количество
серной кислоты расходуется на производство минеральных удобрений и на очистку
нефти и нефтепродуктов. Она используется также в металлургии, при получении
красителей и лекарств, других кислот и солей, как окислитель и водоотнимающее
средство в лабораторной практике. На современных заводах процесс осуществляют
непрерывно, и любая остановка производства грозит большими убытками.

3.

Сырье
Сырьём для производства серной кислоты служат самородная сера и
сульфидные руды. Среди них наибольшее значение имеет серный (железный)
колчедан, или пирит FeS2 . В природе он залегает массивными плотными слоями,
его добывают в виде кусков, которые затем дробят и измельчают.
Пирит образует красивые
кубические серебристые
кристаллы, обладающие
металлическим блеском .
При ударе или трении куски
пирита образуют искры,
недаром название
минерала происходит от
греческого пирос — огонь.
Пирит часто встречается как
в метаморфических, так и в осадочных горных породах, например глинах, где он
образуется из растворимых солей железа и серосодержащих органических веществ.
В России крупнейшие месторождения пирита сосредоточены на Урале. В виде
чёрной аморфной массы пирит образуется также на дне болот, где при
недостаточном доступе воздуха происходит гниение органических веществ.

4.

5.

Технологическая схема производства серной кислоты

6.

Первая стадия производства
На первой стадии производства серной кислоты из серосодержащего сырья
получают сернистый газ — оксид серы(IV). Это осуществляют либо путём сжигания
серы, либо обжигом колчедана.
Обжиг колчедана приводит к образованию огарка, состоящего главным образом из
оксида железа(III). Наличие в огарке остаточных соединений серы делает
невозможным использование его для производства чугуна (сера делает чугун
ломким). Около сернокислотных заводов, работающих на пиритном сырье,
скапливаются целые горы из огарка.
Производство серной кислоты из самородной серы является безотходным и
поэтому экономически более выгодным. Помимо самородной серы в качестве
сырья используют также серу, полученную при улавливании серосодержащих газов
на комбинатах цветной металлургии, где осуществляют обжиг сульфидных руд, и
при обессеривании нефти.
При производстве серной кислоты из серы воздух, предварительно очищенный от
пыли, подаётся насосом в сушильную башню, где осушается концентрированной
серной кислотой до содержания влаги 0,01% (по объёму). Затем осушенный воздух
проходит через теплообменник, в котором он нагревается до необходимой
температуры, и поступает в серную печь, где взаимодействует с жидкой серой.
Сера, предварительно расплавленная в другой печи (плавильнике), подаётся в
серную печь форсунками, предназначенными для распыления жидкого топлива. На
выходе из печи газ содержит примерно 10% (по объёму) диоксида серы.

7.

По пиритной схеме производства сернистый газ получают путём обжига серного
колчедана. Процесс проводят при температуре около 800 0С в специальных печах.
Для увеличения скорости реакции используют воздух, обогащённый кислородом, а
также проводят обжиг в «кипящем слое», подавая струю воздуха с такой скоростью,
чтобы частицы колчедана поднимались со дна печи и были равномерно
распределены по всему её объёму.
Обжиг серного
колчедана
в «кипящем
слое»
Реакция обжига колчедана экзотермическая.
Выделяющуюся в ходе её теплоту используют
для обогрева воды. Для этого в реакционном
аппарате помещают трубы парового котла.
Образующийся водяной пар идёт на обогрев
помещений, производство электроэнергии.

8.

Очистка сернистого газа
Газ, полученный в обжиговой печи, имеет
температуру около 900 0С. Он содержит
значительные количества пыли, со стоящей
из мелких частиц оксида железа(III), а также
примесей. Следующая стадия производства
каталитическая, по этому газ должен быть
тщательно очищен от пыли, которая, оседая
на катали заторе, снижает его активность.
Крупные частицы пыли удаляют под
действием центробежной силы в циклотроне, который рабочие называют циклоном .
Он состоит из двух цилиндров, вставленных
один в другой. Газ поступает в наружный
цилиндр, с высокой скоростью движется по
спирали и уходит во внутренний цилиндр.
При этом крупные частицы пыли под
действием центробежной силы
отбрасываются к наружной стенке аппарата и собираются на дне, имеющем форму
конуса. Мелкая пыль уносится потоком газа во внутренний цилиндр. Для её отделения
используют электрофильтр. В основе его действия лежит ионизация молекул под
действием сильного электрического поля. Пылинки, сталкиваясь с ионами, приобретают
заряд, притягиваются к одному из электродов, которые представляют собой сетки из
стальной проволоки, натянутой на рамы. На электродах частички пыли разряжаются и
падают вниз или оседают на проволоке, поэтому электроды периодически встряхивают.

9.

Очищенный и
осушенный
обжиговый газ
Обжиговый газ содержит водяной пар,
от которого его очищают в сушильной
башне. Она представляет собой
цилиндр, заполненный керамическими кольцами.
Снизу в него подают газ, а сверху —
70%-ю серную кислоту. Кислота
смачивает все кольца, распределяясь
по ним тонким слоем, что во много раз
увеличивает площадь её поверхности,
поэтому скорость и эффективность осушения возрастают.

10.

Вторая стадия производства
Вторая стадия сернокислого производства — окисление сернистого газа в серный
ангидрид. Реакция окисления экзотермическая, каталитическая:
Повышение температуры смещает равновесие влево, т. е. вызывает разложение
серного ангидрида. Численно это подтверждает значение константы равновесия
реакции, которая при 400 0С равна 442, при 500 0С — 50, при 1000 0С — 0,17.
Поэтому процесс желательно проводить при низкой температуре. В то же время,
если не прибегать к нагреванию, скорость реакции, а значит, и скорость
достижения состояния равновесия оказываются необычайно низкими. Окисление
происходит с заметной скоростью только при температуре
выше 400 0С.
Увеличению выхода продукта также способствует повышение концентрации
реагирующих веществ и удаление серного ангидрида из сферы реакции. Скорость
процесса окисления сернистого газа возрастает при введении катализаторов,
например платины и оксидов некоторых металлов. В настоящее время повсеместное
распространение получил гетерогенный катализатор на основе оксида ванадия(V),
содержащий промоторы — добавки, повышающие эффективность катализатора — его
активность, механическую прочность, термическую устойчивость.

11.

Очищенный газ нагревается в
теплообменнике до 450 0С и
поступает в контактный аппарат, где
происходит его окисление до
серного ангидрида (SO3 ). Внутри
контактного аппарата на
специальных решётках находится
катализатор — оксид ванадия(V)
V2O5 , содержащий промоторы.
Контактный аппарат представляет
собой стальной цилиндр, в котором
на горизонтальных решётках
расположен катализатор.
При движении по контактному аппарату по мере протекания реакции окисления
температура смеси повышается, выход продукта составляет 95%. На современных
заводах серный ангидрид отделяют от непрореагировавшей газовой смеси, которую
вновь направляют в контактный аппарат. Это позволяет повысить выход серного
ангидрида до 99,7%.

12.

Третья стадия производства
На третьей стадии процесса образовавшийся серный ангидрид переводят в серную
кислоту:
Взаимодействие серного ангидрида с водой
протекает настолько интенсивно, что
осуществить его в промышленных
условиях не удаётся: под действием
выделяющейся в ходе реакции теплоты вода
испаряется, образуя устойчивый туман,
состоящий из мельчайших капелек серной
кислоты. Именно поэтому на сернокислотных
заводах серный ангидрид поглощают
концентрированной серной кислотой,
содержащей лишь около 2% воды. Процесс
осуществляют в специальных поглотительных
башнях, по устройству напоминающих сушильные. При этом используют принцип
противотока — пары серного ангидрида подают
снизу, а навстречу им сверху течёт серная
кислота.

13.

Продуктом взаимодействия концентрированной серной кислоты с серным
ангидридом является олеум — раствор серного ангидрида в серной кислоте,
состоящий из пиросерной кислоты H2S2O7 и полисерных кислот, например H2S3O10.
В отличие от концентрированной серной кислоты, олеум сильно дымит — из него
выделяется серный ангидрид. При растворении олеума в воде (вспомните, как
правильно растворять серную кислоту в воде) образуется серная кислота.
Олеум хранят и перевозят в стальных цистернах — при обычных условиях сталь
устойчива к действию концентрированной серной кислоты и серного ангидрида.
Для того чтобы не допустить загрязнения окружающей среды, на сернокислотных
заводах отходящие газы подвергают тщательной очистке от следов сернистого газа,
серного ангидрида и других вредных примесей. С каждым годом проблемам охраны
природы уделяется всё больше внимания.

14.

ОЧИСТКА ПЕЧНОГО ГАЗА ОТ ПЫЛИ

15.

16.

Производство аммиака
Работа со щелочами требует
соблюдения мер безопасности

17.

Аммиак входит в первую десятку важнейших неорганических веществ,
выпускаемых химической промышленностью, — его мировое производство
превышает 140 млн т в год.
Аммиак используют для получения азотной кислоты и азотных удобрений,
пластмасс, синтетических волокон, взрывчатых веществ, лекарств.
Сырьём для производства аммиака служат азот, выделяемый из воздуха, и водород,
получаемый взаимодействием метана с водяным паром:
Газовую смесь, содержащую водород, угарный газ и непрореагировавшие метан и
водяной пар, смешивают с воздухом. Часть водорода при этом сгорает, а за счёт
выделяющейся теплоты образуется дополнительное количество продуктов. Угарный
газ окисляют в углекислый, который впоследствии поглощают раствором
карбоната калия:
Объём вводимого воздуха регулируют таким образом, чтобы соотношение азота и
водорода в газовой смеси было равно 1 : 3, что соответствует коэффициентам в
уравнении реакции синтеза аммиака.

18.

19.

Реакция синтеза аммиака экзотермическая, обратимая, каталитическая:
Так как образование аммиака сопровождается выделением теплоты, повышение
температуры смещает равновесие в сторону исходных веществ. Реакция синтеза
аммиака протекает с наибольшим выходом, если её проводить при возможно более
низкой температуре. В то же время при комнатной температуре, а тем более при
охлаждении, несмотря на благоприятное положение химического равновесия,
скорость процесса крайне низка. Известно, что скорость химической реакции
возрастает при нагревании. Поэтому приходится подбирать такую температуру, при
которой реакция протекает уже с заметной скоростью, но выход аммиака ещё не
слишком низкий. Этим условиям отвечает область температур от 400 до 500 0С.
В ходе реакции из 4 моль исходных веществ образуется 2 моль продукта. На
положение равновесия существенное влияние оказывает давление — чем оно выше,
тем больше выход аммиака. Именно поэтому во всех промышленных установках
процесс проводят при давлении до 300 атм. Дополнительными условиями смещения
равновесия вправо служат увеличение концентраций исходных веществ.
Необходимые концентрации азота и водорода обеспечивают на стадии подготовки
исходной газовой смеси. Образовавшийся аммиак сжижают и удаляют из сферы
реакции, что также сдвигает равновесие вправо.

20.

Катализатором синтеза аммиака служит железо, содержащее промоторы —
оксиды калия, кальция и алюминия:
Катализатор готовят из магнетита Fe3O4 , который смешивают с промоторами и
плавят в электрической печи. При этом добавки вступают в реакцию с оксидом
железа, модифицируя поверхность образующихся кристаллов. Затем
полученную массу дробят, просеивают и восстанавливают азотоводородной
смесью в течение нескольких суток. Введение промоторов позволяет получить
высокопористый катализатор, 1 г которого имеет поверхность около 13 м2.

21.

22.

23.

Азотоводородную смесь под высоким
давлением, создаваемым компрессором,
подают в колонну синтеза.
Она представляет собой толстостенный
цилиндр высотой от 10 до 18 м,
выполненный из стали и закрытый с
торцов стальными крышками. Смесь
поступает в колонну сверху, проходит
между катализаторной коробкой и
внешней стенкой реактора, затем между
трубами теплообменника и далее
по центральной трубе катализаторной
коробки. При этом газ нагревается до
450 0С и далее вступает в контакт с
катализатором. В ходе реакции
температура газа возрастает примерно на
100 0С, избыток теплоты используется для
обогрева азотоводородной смеси,
поступающей в колонну синтеза.
Циркулярный газ

24.

Даже при соблюдении оптимальных
условий синтеза в аммиак
превращается не более 20%
азотоводородной смеси. На выходе
из колонны синтеза газовую смесь
охлаждают, образовавшийся аммиак
отделяют в сепараторе, а непрореагировавшие исходные вещества
сжимают до исходного давления
циркуляционным компрессором и
вновь подают в реактор.
Такая схема организации процесса
называется циркуляционной.
Использование принципа
циркуляции позволяет увеличить
выход аммиака до 95%.
Циркулярный газ
Получение аммиака — пример
непрерывного производства.
Колонны синтеза работают без
остановки в течение нескольких лет,
после чего их ремонтируют и
заменяют катализатор.