5.2 Основная химия

Производство серной кислоты

Серная кислота один из важнейших и наиболее применяемых продуктов химической промышленности. Без H₂SO₄ невозможно производство азотных и фосфатных удобрений, очистка нефтепродуктов, заправка аккумуляторов и др.

Сырьем для производства серной кислоты служит сера и вещества, содержащие серу (серный колчедан, гипс). Ценным сырьем являются отходы цветной металлургии – так называемые флотационные хвосты, получаемые при обогащении сульфидных руд цветных металлов.

На 1 тонну серной кислоты расходуется 0.85 т сернистого колчадана (содержит > 50% серы и 45% железа).

При обжиге сернистого колчедана выделяется тепло и образуется сернистый газ и окись железа:

FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Серная кислота является трудно транспортируемым продуктом и требует высоких мер безопасности при перевозке. Поэтому ее производство осуществляется в местах массового потребления. При этом есть два варианта:

1. Серную кислоту вырабатывают из сернистых газов – отходов цветной металлургии или нефтепереработки.

2. Производство осуществляется на основе переработки транспортируемого сырья (серного колчедана, серы).

Производство минеральных удобрений

По данным Росстата, производство минеральных удобрений в январе – июне 2011 года выросло более чем на 6% по сравнению с аналогичным периодом 2010 года, составив 9.5 млн тонн. В целом производство аммиака, азотных удобрений, карбамида (мочевины) и метанола развивается, поскольку значительная часть этой продукции идет на экспорт.

Азотные удобрения

Азотные удобрения (аммония сульфат, аммиачная селитра) усиливают рост растений и влияют на развитие их зеленой массы. Растения усваивают только связанный азот, т.е азот, находящийся в соединении с другими элементами.

Крупнейшие запасы связанного азота находятся в некоторых углях и в чилийской селитре (азотнокислый натрий – NaNO₃).

Первоначально импортировалась селитра из Чили. Потом, с появлением способа производства синтетического аммиака (NH₃), перешли на эту технологию.

Наибольшее промышленное значение имеет использование неисчерпаемых запасов азота, содержащихся в атмосфере. В этих целях азот атмосферы связывают с водородом для получения аммиака. Синтез аммиака осуществляется в специальных установках под давлением 300 атмосфер и температуре 450-525 ⁰ С. Удельный расход исходных материалов (азот и водород) достигает больших значений. Для одного литра жидкого азота требуется 500 м ³ азота и 1500 м ³ водорода.

Жидкий азот кипит при температуре минус 196 градусов, кислород – минус 183. При нагревании азот испаряется первым, и его собирают.

Содержание водорода в атмосфере < 0.01%. Получение Н возможно разложением воды, угля или природного горючего газа. Технологически проще получение водорода путем электролиза воды, но для этого нужна большая энергия и это возможно только при ее избытке (в энергоизбыточных районах).

Разложение воды возможно также путем взаимодействия ее с раскаленным топливом (лучше всего коксом). При этом образуются: генераторный газ (N и СО) и водяной газ (Н и СО). Смешивая эти два газа можно получить NH ₃.

Из полученного аммиака вырабатывают азотную кислоту и азотные удобрения (аммиачная селитра). Азотные соединения используют также для производства взрывчатых веществ.

В России аммиак производят на крупнейших предприятиях в Тольятти, Новомосковске (Тульская обл.), Невинномысске (Ставропольский край), Великом Новгороде и других городах. Эти заводы были построены еще в 1970-1980 годах и срок их жизни истекает. Так на химпредприятии – ОАО «Тольяттиазот» из 12 работает только 7 агрегатов: 5 по производству аммиака, и по одному – карбамида (мочевины) и метанола. Уникальное и дорогостоящее теплообменное оборудование, работающее при температуре 450 ⁰ С и давлении выше 100 атмосфер требует постоянного ремонта и замены.

Основное сырье для работы комбината – природный газ. Ежегодное расчетное потребление – 4.5 млрд куб. Фактическое, из-за проблем с поставщиками и высокими ценами, ниже. Продукция завода – аммиак по крупнейшему в мире аммиакопроводу «Тольятти – Одесса», поступает на экспорт.

Из-за растущих цен на природный газ во всем мире стараются снизить энергоемкость производства аммиака. В итоге среднее удельное потребление природного газа в других государствах – производителях аммиака ниже, чем в России. В 2010-2011 годах среднеотраслевой расход природного газа на одну тонну аммиака составил 1190 кубометров. В перспективе снизить этот показатель до 850 м ³. При цене голубого топлива в 2012 году 500 долларов за тысячу кубометров⁵⁾, экономия природного газа в химической промышленности может дать более 2 млрд долларов в год.

Фосфорные удобрения

Минеральные вещества, содержащие фосфор, используются как источник фосфорного питания растений. Они ускоряют созревание урожая. К ним относятся суперфосфат, фосфоритная мука и др.

Естественный природный источник фосфорных удобрений – птичий помет (гуамо). Для химической переработки используют фосфориты и апатиты.

Фосфоритная руда – это не что иное, как окаменевшие остатки обитателей древнейшего океана, со временем превратившиеся в осадочные породы. В

составе этих пород: кварц разной крупности, ракушкосодержащие фосфориты и доломиты.

Добытая руда измельчается и отправляется на обогащение. Обогащение руды не подразумевает каких-либо химических реакций – это процесс

5) По заявлению руководителей «Газпрома» на Петербургском международном экономическом форуме в 2011 г

извлечения полезного компонента из рудной массы. Реагенты, применяемые для этой цели, взаимодействуют лишь с поверхностями фосфатных материалов, не задерживаются на поверхности кварца и не накапливаются в его массе. Остаточные концентрации их уходят с фосфатной мукой и в процессе сушки выжигаются. Песок транспортируется для складирования на хвостохранилище без каких-либо изменений в своем составе. В дальнейшем

его используют в индустрии строительных материалов (пенобетонные блоки), в качестве абразивного материала для чистящих порошков («Чистоль», «Пемоксоль»), в стекольном производстве. Согласно протоколу Государственной комиссии по запасам в 1975 пески были поставлены на баланс под названием «Пески – отходы обогащения фосфоритной руды».

Лучше всего фосфор усваивается растениями, находясь в легкорастворимых в воде соединениях, например суперфосфатах.

Фосфоритная мука при смешивании с калийными солями уменьшает кислотность почвы, а сам фосфор переходит в легко усваиваемую растениями форму.

Производство соды

Содовые заводы выгодно располагать в местах, где имеются мощные выходы на поверхность естественных рассолов поваренной соли.

Раствор поваренной соли насыщают аммиаком или углекислым газом. В процессе реакции сначала образуется кислый углекислый аммоний. В ходе цепочки химических реакций получается бикорбанат натрия (NaHCO₃). Этот реактив прокаливают и получают кальцинированную соду.

На 1 тонну кальцинированной соды расходуется до 1.5 тонны поваренной соли и 1.5 тонны известняка.