книги из ГПНТБ / Фурмер, И. Э. Общая химическая технология учеб. пособие

пятиокись ванадия V20 5. Иногда катализаторы называют « к о н т а к ­ т а м и » . Отсюда и метод называют к о н т а к т н ы м м е т о д о м производства серной кислоты.

Катализатор работает длительное время без замены его свежим при условии очистки обжигового газа не только от пыли, но и от вред­

ления пыли в электрофильтре. Затем газ поступает в так называемые

Рис. 35. Очистка обжигового газа:

1, 2 — промывные башни, 3 — смокрый» электрофильтр, 4 — су­ шильная башня,. 5 — насосы, 6 — сборники, 7 — холодильники

промывные башни 1, 2, которые орошаются разбавленной серной кис­ лотой. Кислота охлаждает газ и растворяет соединения мышьяка и селена, частично освобождая от них газ. При промывке газа разбавлен­ ной серной кислотой образуется туманообразная серная кислота, содержащая As20 3. Если частицы тумана попадут на катализатор, то они «отравят» его и катализатор выйдет из строя. Поэтому частицы тумана удаляют в так называемом «мокром» электрофильтре 3, прин­ цип действия которого такой же, как и у электрофильтра для осажде­ ния пыли — частицы тумана в поле высокого напряжения ионизиру­ ются и разряжаются на электроде. Пройдя мокрый электрофильтр, газ освобождается от водяных паров в насадочной башне 4, орошаемой концентрированной серной кислотой. Эта башня называется сушиль­ ной. После нее газ передается в контактный аппарат для окисления

SOa в S03.

О к и с л е н и е S02 в S03 представляет собой обратимую реакцию,

Как известно, в этом случае для того чтобы сдвинуть равновесие реак­ ции слева направо, целесообразно проводить процесс при низких температурах. Однако при низких температурах реакция будет про­ текать с очень малой скоростью и поэтому степень превращения S02 в S 0 3 окажется очень небольшой. Исходя из этого находят такую тем­

80

пературу, при которой скорость реакции будет высокой и достаточно высокой окажется степень превращения сернистого ангидрида в сер­

рые насыпан катализатор 1. Между полками с катализатором находят­

чий газ, выходящий из контактного аппарата с температурой около 450° С, охлаждается в трубчатом холодильнике водой и поступает в

81.

Т а б л и ц а 4

Нитрозный способ получения серной кислоты

82

башню с насадкой, орошаемую водой или серной кислотой. Из башни

Схематически контактный метод получения серной кислоты изоб­ ражен в табл. 4.

Можно сравнить способы получения серной кислоты, рассмотрен показатели нитрозного и контактного способов получения серной

Из табл. 5 следует, что при контактном процессе получается кисло­ та более концентрированная и чистая, но более дорогая, чем при нитрозном способе. Такая контактная кислота используется при полу­ чении химических волокон, пластических масс, красителей, этилового' спирта и др. Башенная кислота, получаемая при нитрозном способе производства, применяется главным образом там, где не требуется кислота высокой концентрации, например при производстве удобре­ ний.

§ 17. Концентрирование серной кислоты

Для большинства производств, потребляющих серную кислоту,, требуется концентрированная кислота. Перевозка на дальние расстоя­ ния слабой кислоты, например башенной, невыгодна, так как такая кислота содержит только 75% полезного вещества, остальные 25% составляет вода. Такую кислоту, как правило, стремятся использо­ вать на том предприятии, где ее производят, или подвергнуть концент­ рированию.

Концентрирование проводится для удаления воды, содержащейся в кислоте. Концентрирование осуществляется путем нагревания слабой серной кислоты, при этом происходит испарение воды и кисло­ та концентрируется. Источником тепла обычно служат горячие то­ почные газы, получаемые при сжигании угля, мазута, природного

83-

газа. Аппарат для концентрирования кислоты называется к о н ц е н т ­ р а т о р о м .

Б а р а б а н н ы й к о н ц е н т р а т о р , получивший наиболь­ шее распространение в промышленности (рис. 37), представляет собой

изготовления

аппаратуры в сернокислотном

производстве

I

При выборе матери­ алов для изготовления аппаратуры в сернокис­ лотном производстве следует учитывать их стойкость к разрушению (коррозии) серной кис­

лотой и образующимися газообразными продуктами, а также устой­ чивость при высокой температуре. Почти все аппараты в производ­ стве серной кислоты изготавливают из стали и чугуна и в боль­ шинстве случаев футеруют кислотоупорными материалами — керами­ кой, природными кислотоупорами, например, андезитом, каменным

84

литьем, кислотоупорным бетоном, органическими кислотоупорны­ ми покрытиями — пластическими массами (фаолитом, винипластом, полиизобутиленом и др.).

§ 19. Хранение и транспортирование серной кислоты

На складе серную кислоту хранят в стальных баках, размещенных в здании или под навесом, предохраняющим верхнюю часть баков от атмосферных осадков. На дальние расстояния серную кислоту пере­ возят в железнодорожных цистернах грузоподъемностью до 60 т. При отправке небольших партий серной кислоты пользуются авто­ цистернами, контейнерами, стальными бочками емкостью до 0,2—1 т или стеклянными бутылями емкостью 30—45 л, которые помещают в корзины или обрешетки. Промежуток между бутылью и обрешеткой заполняют соломой или древесной стружкой.

§ 20. Перспективы развития производства серной кислоты

В нашей стране развернулось огромное строительство новых сернокислотных заводов. Намечаемые по плану масштабы производ­ ства серной кислоты таковы, что прежние мощности аппаратов не в состоянии обеспечить их. Поэтому встал вопрос о разработке новых, более упрощенных технологических схем производства и конструк­ ций аппаратов большой мощности и интенсивности (например, контакт­ ных аппаратов производительностью 1200 т кислоты в сутки и более).

Серьезной задачей является максимальная механизация и автома­ тизация производства. Сернокислотные заводы должны быть полностью автоматизированы. Следует усовершенствовать контактную массу для сернокислотной промышленности. Необходимо снизить темпера­ туру ее работы, повысить ее прочность. Представляет интерес исполь­ зование газа, содержащего высокий процент S02, что позволит интен­ сифицировать процесс.

Немаловажным является создание герметичной сернокислотной аппаратуры и устранение выбросов вредных для здоровья газов в атмосферу помещения и на территорию завода. Отходящие (выхлоп­ ные) газы должны быть максимально освобождены от S02, окислов азота и тумана серной кислоты.

Большим народнохозяйственным вопросом является очистка от S02 дымовых газов ТЭЦ, работающих на угле с повышенным содер­ жанием серы, и использование S02 для получения серной кислоты. Это необходимо не только для улучшения санитарно-гигиенических условий труда и жизни в промышленных районах, но и для устранения повышенной коррозии металлов на предприятиях, расположенных в прилегающих к ТЭЦ районах. Важно также использовать огарок сер­ нокислотных заводов в качестве сырья для получения некоторых ме­ таллов, в том числе драгоценных.

85

К о н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Назовите области применения серной кислоты.

2.Из какого сырья получают серную кислоту?

3.Напишите реакцию окисления FeS2 .

4.Начертите схемы печей для обжига колчедана. Сравните их.

5.Как производится очистка обжигового газа от пыли?

6.Какие реакции протекают при башенном способе производства серной кислоты?

7.По схеме, помещенной в учебнике, опишите нитрозный способ получения серной кислоты.

8.В чем заключается процесс очистки обжигового газа при контактном спо­ собе производства серной кислоты?

9.Перечислите факторы, влияющие на степень превращения SOa в S03.

10.Начертите схему контактного аппарата.

ГЛАВА VII

ПРОИЗВОДСТВО АММИАКА

§ 21. Соединения азота и их значение для народного хозяйства

Понятие о свободном и связанном азоте. Азот в переводе с гре­ ческого языка означает «не поддерживающий жизнь». Называют его еще и «безжизненным газом». Он получил такие названия потому, что при обычных условиях не вступает в химические реакции ни с металлами, ни с металлоидами. Вместе с тем это название весьма ус­ ловно, потому что азот входит в состав белков, образует важнейшие питательные вещества и, таким образом, играет очень важную роль в живой природе нашей планеты и жизни людей. С этой точки зрения правильнее было бы называть этот элемент «источником жизни». Одна­ ко азот входит в состав взрывчатых веществ и в этом случае он, дей­ ствительно, «не поддерживающий жизнь».

Газообразный (атмосферный), или с в о б о д н ы й , азот, нахо­ дящийся в воздухе, сам по себе имеет ограниченное практическое значение. Его используют в смеси с аргоном для наполнения электри­ ческих ламп; в лабораториях и на заводах свободный азот применяют для создания инертной среды при проведении химических реакций.

Огромное значение имеют органические и неорганические соеди­ нения, в состав которых входит так называемый с в я з а н н ы й

а з о т .

Азот в природе находится в постоянном круговороте. Первым

воздуха при разрядах атмосферного электричества, т. е. при грозовых разрядах, соединяется с кислородом воздуха. Образовавшиеся при этом окислы азота дают с атмосферными осадками азотную и азотистую кислоты, которые попадают в почву, где превращаются в азотнокислые и азотистокислые соли. Второй путь — фиксация атмосферного азота происходит благодаря деятельности в почве осо-

86

бых фиксирующих бактерий. Обычно растения не усваивают, не по­ глощают азот из воздуха. Некоторые же бобовые — клевер красный, клевер шведский, люцерна, люпин и др. — имеют на своих корнях клубеньки, наполненные бактериями. Эти бактерии, или микроор­ ганизмы, попадают в растения из почвы; они-то и фиксируют, собира­ ют атмосферный азот. Помимо клубеньковых бактерий, азот воздуха связывается бактериями, свободно живущими в почве — азотобакте­ риями.

Соединения азота, находящиеся в почве в виде растворов, погло­ щаются корнями растений, а затем благодаря целому ряду сложных био­ химических процессов образуют азотсодержащие органические соедине­ ния — белки. Поскольку растения служат продуктом питания живот­ ных и человека, их белковые вещества служат источником образова­ ния животных белков. При гниении умерших животных и растений белковые вещества распадаются, причем конечным продуктом распада является аммиак и свободный азот. Большая часть аммиачного азота в почве под действием н и т р о ф и ц и р у ю щ и х б а к т е р и й при воздействии кислорода воздуха переходит в соли азотной кислоты. Последние растворяются в воде, поглощаются корнями растений, превращаются в белок и т. д.

Помимо этого, распад белковых веществ в почве происходит под действием так называемых д е н и т р о ф и ц и р у ю щ и х б а к ­ т е р и й с образованием свободного азота. Затем свободный азот вновь фиксируется и т. д.

Применение связанного азота. В почвах содержание соединений азота, которые могут усваиваться растениями, очень мало и поэтому основным источником азотного питания растений является азот воз­ духа. Как уже указывалось, в природе имеются два пути связывания атмосферного азота и пополнения ресурсов азота почвы — электри­ ческий разряд и способность некоторых бактерий связывать азот. Однако этого недостаточно. Поэтому возникла практическая задача обеспечения растений азотным питанием для увеличения урожайно­ сти сельскохозяйственных культур путем внесения в почву соедине­ ний, содержащих азот, — азотных удобрений.

Мощное развитие у нас в стране производства синтетических ма­ териалов (полимеров) неразрывно связано с потреблением азотсо­ держащих продуктов. Промышленности пластических масс требу­ ются соединения азота для изготовления аминопластов, прозрачного органического стекла, целлулоида и других материалов. Связанный азот используется для получения синтетических волокон — капрона, нейлона, некоторых синтетических каучуков, лакокрасочных покры­ тий. Значительное количество азотных соединений необходимо для производства анилиновых красителей и других химических про­ дуктов.

Связанный азот, помимо биологического и промышленного, имеет большое оборонное значение, так как входит в состав многочисленных взрывчатых веществ и порохов.

Основная масса технического связанного азота в СССР идет на производство удобрений, пластических масс, синтетических волокон

87

и других продуктов и материалов, необходимых для повышения ма­ териального благосостояния советского народа.

Простейшими и важнейшими исходными продуктами для произ­ водства азотных соединений являются аммиак и азотная кислота. Высокая реакционная способность аммиака и азотной кислоты обус­ ловили возможность их использования для производства азотсодер­ жащих продуктов — азотных удобрений, пластических масс, хими­ ческих волокон, анилиновых красителей и т. д. (см. схему на стр. 88).

Области использования азота

§ 22. Способы получения (фиксации) атмосферного азота

Природные источники связанного азота. Наиболее старыми ис­ точниками технического связанного азота были навоз, гуано (мине­ рализованный птичий помет), натриевая селитра (Na N 03). Месторожде­ ния натриевой селитры имеются в ряде стран, в том числе и в СССР. Но промышленное значение могут иметь только залежи ее в Чили (Южная Америка), запас которых составляет около 8 млрд. т. Отсю­ да название селитры — «чилийская». Месторождения калиевой се­ литры KN03 находятся в Индии.

Природным источником связанного азота является также т в е р ­ д о е т о п л и в о — ископаемые угли, при переработке которых по­ лучается аммиак.

Несмотря на развитие процессов переработки углей, количество получаемого при этом аммиака вместе с чилийской и калиевой селит­ рами совершенно недостаточно для удовлетворения спроса сельского хозяйства и промышленности на азотные соединения. Научная мысль обратилась к окружающему нас воздуху как к источнику азота. Воз­ дух — действительно неисчерпаемый источник азота — в воздухе азо­

88

та в миллионы раз больше, чем требуется для успешного ведения сельского хозяйства и развития промышленности.

Великий наш соотечественник Д. И. Менделеев первым выдвинул перед наукой задачу фиксации атмосферного азота. В 1869 г. он писал: «Одну из задач прикладной химии составляет отыскание технически

которые бы заставили азот воздуха соединяться с другими элемента­ ми.

Д у г о в о й м е т о д фиксации атмосферного азота был первым процессом (1902—1903 гг.), при котором азот и кислород окружающей нас атмосферы взаимодействовали при температуре 2000—2500° С. В этом случае в промышленном масштабе воспроизводился процесс, протекающий при грозовом разряде. В электрической печи (рис. 38) находятся электроды 1, по которым протекает ток высокого напряже­ ния. Так как электроды помещены на некотором расстоянии, то между ними образуется электрическая дуга 2, в которой температура дости­ гает 2000—2500° С. Сквозь дугу продувается воздух, и при высокой температуре в пламени дуги азот и кислород воздуха реагируют между собой:

N2 + 0 2 = 2NO (VII, 1)

с образованием бесцветного газа — окиси азота. Таким образом, сво­ бодный азот воздуха становится связанным с кислородом в окись азота, которая далее перерабатывается в азотную кислоту.

Существенным недостатком этого процесса является чрезвычайно высокий расход электрической энергии — 69—70 тыс. кет. • ч на тонну связанного азота. Этим объясняется то, что после разработки других, более экономичных методов фиксации атмосферного азота дуговой способ быстро утратил свое значение.

Ц и а н а м и д н ы й м е т о д фиксации азота вошел в практику в 1995—1919 гг. Он заключается в том, что азот воздуха в электри­ ческой печи при 1099—1109° С реагирует с карбидом кальция по реак­ ции

8 9