Химическая технология

Химическая технология – наука о наиболее выгодных приемах переработки химического сырья. Проблемы, интересующие химическую технологию: сырье процесс энергетика аппаратура материалы аппаратов управление процессом охрана труда экология экономика развитие высоких технологий.

Принципы химической технологии: 1) экологичность безотходность охрана труда охрана окружающей среды 2) экономичность непрерывность использование теплоты химической реакции увеличение скорости ( «кипящий слой», катализатор, измельчение сырья, перемешивание) полное использование сырья (циркуляционный процесс).

Производство чугуна Производство стали Производство серной кислоты Производство аммиака Производство азотной кислоты Производство метанола

Производство чугуна

Сырье: Железная руда Кокс, воздух, обогащенный кислородом, флюсы (известняк, доломит) Кокс Железная руда Известняк

Основной процесс: Кокс сгорает, про этом выделяется теплота, необходимая для реакции и расплавления шлаков и железа: С + О2 = СО к Дж Оксид углерода (IV) восстанавливается коксом: СО2 + С = 2 СО – 174 к Дж Оксид железа в руде восстанавливается оксидом углерода (II): Fe 2 O CO = 2 Fe + 3 CO к Дж

Побочные процессы: Одновременно восстанавливаются оксиды других элементов, содержащихся в руде: MnO CO = Mn + 2 CO 2 SiO CO = Si + 2 CO 2 P 2 O CO = 2 P + 5 CO 2 Известняк разлагается: CaCO 3 = CaO + CO 2 Тугоплавкая примесь SiO 2 в руде удаляется оксидом кальция: CaO + SiO 2 = CaSiO 3

Доменная печь. В верхнюю часть – колошник – подается шихта. В нижнюю – горн – продувают нагретый воздух. Производство непрерывное. Засыпание шихты и выпуск чугуна производятся периодически.

Доменная печь

Производство стали

Сырье: Чугун, металлолом, оксиды железа; воздух, обогащенный кислородом, раскислители (ферромарганец), добавки. Основной процесс: Элементы, содержащиеся в чугуне, окисляются: 2 С + О 2 = 2 СО 4 P + 5 O 2 = 2 P 2 O 5 Si + O 2 = SiO 2 S + O 2 = SO 2 2 Mn + O2 = 2 MnO 2 Fe + O 2 = 2 FeO Образовавшийся оксид железа (II) также принимает участие в окислении: C + FeO = Fe + CO Mn + FeO = Fe + MnO Si + 2 FeO = 2 Fe + SiO 2 2 P + 5 FeO = 5 Fe + P 2 O 5 Тугоплавкие примеси образуют шлак: СаО + SiO 2 = CaSiO 3 3 CaO + P 2 O 5 = Ca 3 (PO 4 ) 2

Вспомогательные процессы: Для удаления образующегося оксида железа (II) добавляют ферромарганец (раскислитель): Mn + FeO = Fe + MnO Оксил марганца (II) переходит в шлак: MnO + SiO 2 = MnSiO 3

А – загрузка металлолома Б – заливка чугуна В – продувка кислорода Г – слив шлака Д – слив стали Кислородный конвертор

Электродуговая печь

Мартеновская печь Примеси окисляют, пропуская предварительно нагретый в регенераторах воздух над расплавленным чугуном. Производство периодическое.

Производство серной кислоты H 2 SO 4 Контактный способ

Всего - 60 млн. тонн

Сырье: Пирит (серный колчедан) FeS 2 Самородная сера воздух Пирит крупнокристаллический Пирит мелкокристаллический Самородная сера Вспомогательный материал: катализатор (оксид ванадия (V))

Обжиг пирита Окисление сернистого газа кислородом воздуха Поглощение оксида серы (VI)

Аппараты Печь обжига 2. Аппараты для очистки от пыли: циклон и электро- фильтр 3. Сушильная башня 4.Тепло- обменник и контактный аппарат 5.Поглоти- тельная башня

Печь обжига Подача воздуха снизу «кипящий слой» 4 FeS O 2 = 2 Fe 2 O SO к Дж Непрерывно поступает измельченный колчедан. Оптимальная температура ˚С. При большей температуре руда спекается, при меньшей – замедляется скорость реакции. Утилизация теплоты. Использование отходов. Печной газ вернуться

Аппараты для очистки от пыли Циклон – очистка от крупной пыли Электрофильтр – очистка от мелкой пыли вернуться

Сушильная башня Поглощение паров воды осуществляется с помощью концентрированной серной кислоты. Избавиться от Н 2 О надо, т.к. катализатор V 2 O 5, используемый на последующем этапе, боится воды. Очищенный газ H 2 SO 4 Концентрированная H 2 SO 4

вернуться контактный аппарат Воздух, SO 2 Теплообменник SO 3 В теплообменнике газ нагревается за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. В контактном аппарате SO 2 окисляется на катализаторе до SO 3 при температуре 450˚С. 2 SO 2 + O 2 2 SO к Дж V2O5V2O5

вернуться Поглотительная башня SO 3 H 2 SO 4 олеум В поглотительной башне SO3 поглощается серной кислотой методом противотока. Продукт – олеум – раствор SO3 в серной кислоте. SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 + Q

Синтез аммиака NH 3

Сырье: азотоводородная смесь Вспомогательный материал: катализатор (пористое железо) Азотоводородную смесь получают парокислородной конверсией метана: СН 4 + Н 2 О (пар) СО + 3 Н 2 – 207 к Дж 2 СН 4 + О 2 2 СО + 4 Н к Дж СО + Н 2 О (пар) СО 2 + Н к Дж Образовавшийся СО 2 поглощают. Таким образом, для процесса используются водяной пар, метан и воздух.

Основной процесс: N H 2 2 NH к Дж Кат, t, p Газы реагируют при ˚С в присутствии катализатора под давлением Па с образованием % аммиака.

Направление движения азотоводородной смеси в колонне синтеза выбирают так, чтобы максимально использовать теплоту реакции. Образующийся аммиак отделяют сжижением, возвращая непрореагировавшую смесь в колонну синтеза. Процесс непрерывный, циркуляционный.

Производство азотной кислоты HNO 3

Сырье: аммиак, воздух Вспомогательные материалы: катализаторы (платинородиевые сетки), вода, концентрированная серная кислота. Основной процесс: Аммиак окисляется при 800˚С в присутствии катализатора: 4 NH O 2 = 4 NO + 6 H 2 O + Q Дальнейшие процессы происходят при обычной температуре: 2 NO + O 2 = 2 NO 2 +Q 4 NO H 2 O + O 2 = 4 HNO 3 + Q

Воздушноаммиачная смесь поступает в контактный аппарат, где происходит окисление аммиака. Температура поддерживается за счет теплоты реакции. Смесь охлаждают, до окисляют. 60 % азотная кислота образуется в поглотительной башне. Концентрируется серной кислотой, отнимающей воду. Технологический процесс

Производство метанола СH3OНСH3OН

Сырье: синтез газ – смесь СО + 2 Н 2 Вспомогательные материалы: катализаторы (оксид хрома (III) и цинка). Синтез-газ при температуре 400˚С и давлении Па превращается в метанол Основной процесс: СО + 2 H 2 СH 3 ОН + Q Кат, t, p Производства метанола и аммиака объединяют из-за сходства технологических процессов. При прохождении газовой смеси через слой катализатора образуется % метанола, который конденсируют, а непрореагировавшую смесь смешивают с новой порцией сырья и отправляют в колонну синтеза.