книги / Химическая технология неорганических веществ.-1

По составу промышленные химические продукты делят на технические, химические реактивы и чистые и особо чистые химические вещества. Эта классификация определяет особенности технологии и области применения неорганических продуктов.

Важной классификацией промышленных неорганических продуктов является классификация, в основе которой лежат области применения продуктов. Неорганические продукты применяются

вкачестве сырья в химической промышленности, в качестве вспомогательных материалов в разнообразных отраслях промышленности (химической, металлургической, текстильной, пищевой и др.), в качестве удобрений и вспомогательных веществ в сельском хозяйстве,

вкачестве продуктов потребления. Область применения продукта диктует особенности технологии, которые определяют состав и качество продукта, экономические показатели производства продукта, объемы производства.

По объему производства различают крупнотоннажные, среднетоннажные и малотоннажные продукты.

Однако обобщающей и наиболее важной, на наш взгляд, является классификация технологий неорганических веществ по технологическому признаку. С этой точки зрения технология неорганических веществ может быть разделена на следующие виды:

−технологию основного неорганического синтеза;

−технологию минеральных удобрений, солей и щелочей;

−технологию катализаторов и адсорбентов;

−технологию электротермических производств;

−технологию тонкого неорганического синтеза, химических реактивов и особо чистых веществ.

1.2. Особенности сырьевой базы технологии неорганических веществ

Основой сырьевой базы технологии неорганических веществ является первичное и вторичное минеральное сырье (необогащенное и обогащенное природное минеральное сырье, побочные продукты

11

промышленного производства, вода, компоненты воздуха). В качестве водород- и углеродсодержащего сырья в неорганической технологии используются природный и попутный газы, продукты переработки нефти, угля, древесины и т.д. Запасы минерального и других видов сырья определяются в результате постоянно ведущихся геологоразведочных работ. Запасы сырья становятся промышленными тогда, когда достоверно известны объемы запасов, условия их залегания, определены промышленные характеристики этого сырья, разработана или реализована технология его добычи, обогащения, доставки потребителю и переработки в конечные продукты.

Сырьевая база технологии неорганических веществ СССР

и России в основном была сформирована за годы Советской власти. Большую роль в этом сыграла Комиссия по изучению естественных производительных сил России (КЕПС), которая была создана в 20-х гг. ХХ столетия при Академии наук Российской Федерации. В работе этой комиссии самое активное участие принимали академики Н.С. Курнаков, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман. Уже в 1925–26 гг. были открыты залежи калийных солей в Верхнекамском регионе, уникальное месторождение апатито-нефелиновых руд на Кольском полуострове.

Виды минерального сырья, используемого в технологии неорганических веществ (НТВ), в первую очередь определяются содержанием основного полезного элемента. Различают сырье водородсодержащее, азотсодержащее, калийное, натриевое, магниевое, фосфорное, фторсодержащее, хромовое, борсодержащее и т.п.

1.3. Основные принципы и методы технологии неорганических веществ

Основные принципы ТНВ: непрерывность, стадийность, энерготехнологичность, экологическая безопасность, экономическая эффективность.

Основные методы ТНВ – совокупность химико-технологических процессов, способов и средств их практической реализации. Основ-

12

ные методы ТНВ реализуются в виде конкретной технологии, одной из форм представления которой является технологическая схема.

Процессы, используемые в ТНВ:

−каталитические;

−термохимические;

−абсорбционно-десорбционные;

−ректификационные;

−процессы с участием концентрированных растворов;

−процессы формирования пористой структуры твердого вещества;

−электротермические;

−процессы в разбавленных средах.

Характеристики процессов:

−технологические параметры;

−оптимальные технологические параметры;

−управляющие параметры;

−эффективность процесса;

−скорость процесса;

−время пребывания реагентов в активной зоне;

−размеры аппарата.

Средства практической реализации процессов:

2.1. Структура и состояние отрасли

Основной неорганический синтез включает в себя две группы производств: производства соединений связанного азота и производства серы и ее соединений.

13

Производства соединений связанного азота. Основным струк-

турообразующим продуктом производств соединений связанного азота является синтетический аммиак. Ниже приведена схема (рис. 1), показывающая структуру этой подотрасли основного неорганического синтеза.

Полимерные материалы

Минеральные удобрения

Рис. 1. Структура потребления синтетического аммиака

Схема показывает, что на основе полученного из азот- и водородсодержащего сырья аммиака производят азотную кислоту, аммонийные соли (фосфаты аммония – аммофос, нитрат аммония – аммселитру и др.) и карбамид. На основе азотной кислоты, в свою очередь, получают нитраты, комплексные удобрения, органические нитросоединения и другие продукты.

14

Синтетический аммиак является основным продуктом азотной промышленности. Это крупнотоннажный продукт. Объем его производства во всем мире составляет более 50 млн т в год.

Производство аммиака в мире особенно интенсивно развивалось в 60–80-е гг. прошлого столетия. Первое производство аммиака возникло в годы Первой мировой войны в Германии. В СССР первое достаточно крупное (30 тыс. т/год) производство аммиака было пущено в 1932 г. в г. Березники.

Темпы роста производства аммиака в промышленно развитых странах показаны в табл. 1.

Первые крупнотоннажные агрегаты по производству аммиака (450 тыс. т продукта в год) в нашей стране были пущены в Невинномысске (1973 г.) и в Новомосковске (1974 г.). В дальнейшем было построено более 25 таких агрегатов в городах Березники, Горловке, Кемерово, Днепродзержинске, Чирчике, Черкассах, Щекино, Гродно, Салавате, Навои, Вахше, Ровно, Новгороде, Череповце, Тольятти, Перми, Кирове.

После распада СССР в России осталось мощностей по производству аммиака в объеме 14 млн т в год (1996 г.). По годам объемы производства аммиака составляли (млн т в год):

В общем, мощностей по производству аммиака в России достаточно, однако проблема заключается в моральном и физическом старении существующих производств. Нужно осуществлять реконструкцию этих производств.

Таким образом, современное производство аммиака базируется пока на технологии 70-х гг., в основе которой лежит использование в качестве водородсодержащего сырья природного газа, в качестве основных процессов – каталитических и абсорбционно-де- сорбционных процессов. Аппараты, в которых протекают эти процессы, объединены в крупнотоннажный энерготехнологический агрегат.

К промышленности связанного азота относятся также производства азотной кислоты, аммиачной селитры, карбамида, нитритов, нитратов и др.

Производства серы и ее соединений. Основным структурообра-

зующим продуктом этой подотрасли является серная кислота. К этой же подотрасли относится и производство элементарной серы, которую получают из природного серного сырья или из газового сырья. Поэтому промышленную серу подразделяют на природную и газовую. Поскольку около 90 % всей производимой серы используют для производства серной кислоты, последнее имеет решающее значение для рассматриваемой подотрасли.

Серная кислота – это самый крупнотоннажный продукт химической промышленности. Мировое производство серной кислоты составляет более 150 млн т в год.

Значительный рост производства серной кислоты во всем мире произошел в 70–80-х гг. ХХ в.

Объемы производства серной кислоты составляли (млн т в год):

вСША в 1960 г. – 16,2; в 1982 г. – 30,0; в СССР в 1960 г. – 5,4;

в1982 г. – 23,8.

Основу современных производств серной кислоты составляют агрегаты единичной мощностью 450 тыс. т в год на флотационном колчедане и мощностью 500 тыс. т в год на сере. В нашей стране такие агрегаты были построены в городах Красноуральске, Кировгра-

16

PNRPU

де, Челябинске, Воскресенске, Череповце, Ровно, Дорогобуже, Самарканде, Джамбуле.

Общие мощности по производству серной кислоты в России на 1996 г. составляли 12,1 млн т в год, а ее производство по годам было:

Рис. 2. Применение серной кислоты

Структура потребления серной кислоты промышленностью показана на рис. 2.

2.2. Сырьевая база технологии основного неорганического синтеза

Рассмотрим сырьевую базу технологии основного неорганического синтеза на примере производств аммиака и серной кислоты.

17

Очевидно, что за двадцать лет наиболее интенсивного развития производства аммиака сырьевая база существенным образом изменилась. Доминирующее положение в сырьевой базе отрасли заняло углеводородное сырье – природные и попутные газы нефтедобычи. Доля других источников водорода в производстве аммиака уменьшилась.

Структура потребления сырья производством серной кислоты показана в табл. 3.

Таблица 3 Структура потребления сырья производством серной кислоты (%)

Наиболее перспективным сырьем в производстве серной кислоты является сера, объемы производства которой растут, в частности, за счет нефтегазодобывающей отрасли.

18

2.3. Методы технологии основного неорганического синтеза

В основе базовых производств технологии основного неорганического синтеза лежат каталитические процессы. Широко используются также абсорбционные процессы и высокотемпературные процессы, например процессы обжига.

Рассмотрим теоретические закономерности процессов технологии основного неорганического синтеза на примере основных процессов технологии серной кислоты.

2.3.1. Теоретические закономерности процесса окисления SO2 в SO3

Процесс окисления SO2 в SO3 осуществляется по следующей экзотермической химической реакции:

SO2 + O2 = SO3 + 96,05 Дж.

В результате проведения термодинамического анализа можно определить, что энтальпия реакции зависит от температуры ∆НТ0 =

Зависимость константы равновесия от температуры может быть определена по следующему эмпирическому уравнению: lgKр = = 4905,5/Т – 7,1484.

Расчет равновесной степени превращения SO2 ведется по уравнению

где а и b – молярные доли SO2 и O2 в исходном газе; Р – общее давление.

19

Особенностью процесса окисления SO2 в SO3 является то, что в реальных условиях исходный газ, получаемый либо путем обжига флотационного колчедана, либо окислением серы кислородом воздуха, всегда содержит значительное количество инертного азота. Например, при получении исходного газа путем обжига флотационного колчедана а = 0,07, в = 0,11.

Поскольку в исходном газе содержится много азота, влияние давления на равновесие реакции окисления невелико. Поэтому процесс ведут при давлениях, близких к атмосферному (1,5–1,8 ата).

Наибольшее влияние на равновесие реакции оказывают температура и избыток кислорода по сравнению со стехиометрическим количеством.

Влияние температуры на равновесную степень превращения SO2 показано в табл. 4.

Таблица 4

Зависимость константы равновесия реакции окисления SO2 в SO3 и равновесной степени превращения SO2 от температуры

(а = 0,07, b = 0,11, Р = 1 ата)

Таким образом, с точки зрения равновесия процесс окисления SO2 в SO3 необходимо проводить при более низкой температуре и при избытке кислорода. Применение давления может быть эффективным при использовании более концентрированного исходного газа, например в случае использования в технологии серной кислоты обогащенного кислородом воздуха.

Далее рассмотрим основные результаты кинетического анализа каталитического процесса окисления SO2 в SO3.

Механизм каталитического процесса зависит от типа катализатора, применяемого в реальных условиях. В процессе окисления SO2

20