Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Химическая технология Металлургия, коррозия металлов и способы защиты от нее, сырьевое и энергетическое обеспечение химических производств, химическое
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова.
Химическая технология
ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ:
МЕТАЛЛУРГИЯ, КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ
И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ОТ НЕЕ, СЫРЬЕВОЕ
И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ,
ХИМИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Ростов-на-Дону – Таганрог
Издательство Южного федерального университета
2019
УДК 669+620.1(075.8)
ББК 34.1я73
Л 52
Печатается по решению кафедры общей и неорганической химии химического
факультета Южного федерального университета
(протокол № 2 от 12 марта 2019 г.)
Рецензенты:
доцент кафедры «Химия» Донского государственного
технического университета кандидат химических наук А. А. Новикова;
заведующий кафедрой физической и коллоидной химии химического
факультета ЮФУ доктор химических наук, профессор И. Н. Щербаков
Летовальцев, А. О.
Л 52 Химическая технология: Металлургия, коррозия металлов и способы за-
щиты от нее, сырьевое и энергетическое обеспечение химических производств, химическое материаловедение : учебное пособие / А. О. Летовальцев,
Е. А. Решетникова ; Южный федеральный университет. — Ростов-на-Дону;
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2019. — 102 с.
ISBN 978-5-9275-3174-5
Учебное пособие включает в себе теоретический материал, дополняющий курс
лекций «Химическая технология» по темам: металлургия, коррозия металлов и
способы защиты от неё, сырьевое и энергетическое обеспечение химических производств, химическое материаловедение. Теоретический материал сопровождается рекомендациями для выполнения практических работ по данному курсу. В конце каждой темы студентам предлагаются контрольные вопросы, необходимые для
самостоятельной подготовки к соответствующим коллоквиумам. Данное пособие
предназначено для студентов, в учебной программе которых предусмотрены курсы
«Химическая технология» или «Материаловедение».
ISBN 978-5-9275-3174-5 УДК 669+620.1(075.8)
ББК 34.1я73
© Южный федеральный университет, 2019
© Летовальцев А.О., Решетникова Е. А., 2019
© Оформление. Макет. Издательство
Южного федерального университета, 2019
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ...................................................................................................4
Общие правила техники безопасности при работе в лаборатории
химической технологии ...........................................................................5
Способы получения металлов .................................................................7
Анализ черных сплавов .......................................................................... 15
Коррозия металлов и сплавов, способы защиты от нее .......................30
Защита металлов от коррозии ..........................................................33
Электрохимическое покрытие металлов ............................................... 38
Классификация методов и способов нанесения покрытий ............ 38
Подготовка изделий к покрытию ..................................................... 44
Контроль качества покрытия ...........................................................47
Никелирование .................................................................................49
Оксидирование металлов .................................................................52
Водоподготовка, анализ воды ................................................................ 58
Осветление воды ...............................................................................60
Обеззараживание воды .....................................................................62
Фторирование и обесфторивание воды ...........................................63
Жесткость воды и методы ее устранения ......................................... 64
Обезжелезивание воды .....................................................................69
Дегазация воды .................................................................................70
Дезодорация воды ............................................................................. 71
Анализ твердого топлива .......................................................................78
Стекло и его изготовление ..................................................................... 88
Стеклообразное состояние ............................................................... 88
Физические свойства стекла ............................................................93
Список использованной литературы ..................................................100
ВВЕДЕНИЕ
Целью курса «Химическая технология» является формирование
и развитие у студентов навыков технологического мышления. В процессе обучения необходимо дать ясное и логичное представление об
эволюции основной сферы применения химической науки — химической технологии; подчеркнуть существенную роль инженерной химии, и особенно науки о процессах, в развитии производительных сил
общества и ее ключевое место в решении текущих и будущих экологических проблем; ознакомить студентов с теоретическими основами
химико-технологических процессов, дать представление о принципах
действия наиболее распространенных промышленных аппаратов; обеспечить студентов знаниями в области производства важнейших неорганических и органических веществ и материалов; развить навыки в
выборе альтернативных технологических решений с учетом экологической безопасности и экономической целесообразности.
Особое место в рамках курса «Химическая технология» занимает лабораторный практикум, в котором студенты приобретают навыки работы в реальной заводской лаборатории, решают технологические задачи,
знакомятся с принципами работы промышленных аппаратов, производят инженерно-технологические расчеты. Курс химической технологии является очень обширным, в связи с чем не все теоретические
аспекты могут быть включены в лекционный материал. Теоретическая
база, необходимая для осмысленного выполнения лабораторных работ, изложена в большом количестве разнообразных источников, что
существенно затрудняет подготовку студентов. В данном учебном пособии теоретический материал представлен в сжатом виде, и при этом
в объеме, вполне достаточном для грамотного выполнения лабораторных работ и подготовки к коллоквиумам по соответствующим темам.
ОБЩИЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ ХИМИЧЕСКОЙ
ТЕХНОЛОГИИ
Каждый студент должен быть предварительно ознакомлен с ин-
струкцией по технике безопасности, что фиксируется в лабораторном
журнале регистрации инструктажа.
При выполнении работы необходимо строго следовать инструкци-
ям относительно количества используемых веществ, концентрации
применяемых растворов, температуры и т. д. Необходимо обращать
внимание на надписи на посуде, содержащей используемые вещества.
Собранный прибор или установку студент должен показать преподавателю или лаборанту, и лишь после получения разрешения он может
приступить к выполнению работы. Нельзя оставлять без присмотра работающую установку.
После окончания работы необходимо на своем рабочем месте вы-
ключить электроприборы, перекрыть водопроводные краны и привести в порядок рабочее место.
При работе в лаборатории необходимо надевать халат. Все работы,
связанные с выделением паров или газов, нужно проводить под тягой.
Для отбора пипеткой растворов необходимо применять резиновую грушу. Для защиты лица и рук от действия агрессивных веществ применяют очки и резиновые перчатки.
Запрещается слив кислот и щелочей в канализацию. При обраще-
нии со стеклом и стеклянной аппаратурой следует соблюдать осторожность, чтобы избежать порезов. При обращении с сильно нагретыми
предметами необходимо пользоваться щипцами, пинцетами и теплозащитными перчатками. Нагреваемые сосуды не следует плотно закры-
6 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология
вать пробкой. Присоединение и отсоединение проводов производить
только при отключенной от электросети установке.
При ожогах кислотами и щелочами пораженное место промывается проточной водой в течение 2–3 мин, затем обрабатывается соответственно 2–3-процентным раствором соды и 1–2-процентным
раствором борной или уксусной кислоты. После этого в обоих случаях
на место ожога накладывается марлевая повязка, смоченная 1–2-процентным раствором перманганата калия. При попадании кислоты или
щелочи в глаза необходимо их промыть большим количеством воды и
обратиться к врачу. При термических ожогах необходимо многократно
смачивать обожженное место раствором перманганата калия и спиртом, а затем смазать мазью от ожогов.
Перед уходом необходимо сдать свое рабочее место лаборанту.
СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
Еще из курса химии в школе известно, что металлы (от лат. metal-
lum — шахта, рудник) — это группа элементов в виде простых веществ
с металлическим типом связи, обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность,
металлический блеск, высокая пластичность, положительный температурный коэффициент сопротивления. Сплавы — это однородные металлические материалы, состоящие как минимум из двух компонентов,
обладающих металлическими свойствами (сталь, латунь, бронза, дюралюминий и др.). Область применения металлов и их сплавов необычайно широка: промышленность, техника, электротехника, медицина
(стоматология, хирургия), строительство, транспорт, торговля, кулинария и другие области.
Некоторые металлы, обычно химически наименее активные, встре-
чаются в земной коре в самородном состоянии (чаще — золото Au,
платина Pt, серебро Ag). Более активные металлы встречаются только
в виде соединений: оксидов, сульфидов, галогенидов, других солей.
В этих соединениях металлы находятся в положительной степени окисления, поэтому необходимо их восстановление. Руды металлов перед
восстановлением очищают от пустой породы (обогащение руд) и переводят в удобную для производства форму. Сульфидные руды обычно
переводят в оксиды или растворимые соли (прокаливанием на воздухе
или обработкой дешевыми кислотами, обычно серной).
Вот наиболее широко применяемые способы:
1. Пирометаллургия — восстановление металлов из их руд при высо-
кой температуре. Можно производить с помощью угля:
Cr
+ 3C → 2Cr + 3CO.
2O3
8 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология
Если руда содержит сульфид, ее обжигают, а потом восстанавливают:
2ZnS +3O
→ 2ZnO + 2SO2;
2
ZnO + C → Zn + CO.
Кроме того, восстановление можно производить оксидом углерода:
Fe
+ 3CO → 2Fe + 3CO2.
2O3
2. Водородотермия — восстановление металлов из их руд при высокой температуре с помощью водорода. В промышленности так получают Mo, W и Re. В лаборатории этим способом можно получить также
Cu, Pb, Bi, Co, Ni и другие металлы:
(NH
MoO4 + 3H2 → Mo + 4H2O ↑ +2NH3 ↑ (при 900 °C);
4)2
CuO + H
→ Cu + H2O ↑ (при 400 °C).
2
3. Металлотермия — восстановление металлов из их руд при высокой температуре другими более активными металлами. В качестве
восстановителей используют Al, Mg, Ca, Na. Алюмотермически в промышленности получают V, Mn, Cr, W, лантаноиды и другие металлы и
их сплавы. Этот способ применяют и в лаборатории:
Cr
+ 2Al → 2Cr + Al2O3.
2O3
Используются также магниетермия (в промышленности — для по-
лучения Ti из TiCl
, для получения U, Nb, Zr); кальциетермия (для по-
4
лучения Zr, Hf, Ti).
Выбор восстановителя для соответствующего металла удобно осуществлять с помощью диаграмм Эллингема, которые являются частным графическим представлением второго закона термодинамики и
представляют собой зависимость свободной энергии Гиббса от температуры. Линии в диаграммах Эллингема для оксидов металлов представляют собой прямые линии с положительным углом наклона (см.
рис. 1).
Чем ниже положение линии металла на диаграмме, тем более
стабильным является его оксид. Например, как видно из рисунка,
Al2O3 стабильнее, чем CO2, FeO и ZnO. Металл, представленный на
диаграмме Эллингема, может восстанавливать оксид металла, линия
которого расположена на диаграмме выше. Таким образом, Al может
вытеснять Cr из его оксида, поскольку линия Cr2O3 выше, чем Al2O3.
Чем больше расстояние между двумя линиями, тем более эффективным восстановителем является металл, расположенный ниже.
Стабильность оксидов металлов уменьшается с увеличением темпе-
Способы получения металлов 9
ратуры. Наиболее нестабильные оксиды, такие как Ag2O или HgO,
легко поддаются термическому разложению, в таком случае восстановитель не требуется.
2Ag2O
2ZnO
0
–1
моль
·
, кДж
обр
ΔG°
–200
–400
–600
–800
2CO + O
2FeO
2
/3 Cr2O
CO + O2 → CO
2C + O2 → 2CO
2
/3 Al2O
→ 2CO
2
3
3
2
2
2
2MgO
–1000
–1200
200015001000500
Температура, K
Рис.1. Пример диаграммы Эллингема для некоторых оксидов
Для успешного проведения металлотермии оксиды соответствую-
щих металлов должны удовлетворять дополнительным условиям. Они
должны быть термически устойчивы при температуре металлотермии
(не разлагаться самопроизвольно), не должны быть гигроскопичными
или существовать в форме гидратов. В противном случае испаряюща-
10 А. О. Летовальцев, Е. А. Решетникова. Химическая технология
яся влага приводит к разбрасыванию мелких частиц металла, что препятствует его сплавлению в единый слиток («королек»).
В смеси для металлотермии вводят вещества (флюсы), образующие
легкоплавкие системы, дающие возможность каплям восстановленного металла слиться в королек и защитить его от окисления кислородом воздуха. Наиболее распространенным флюсом является фторид
кальция. Смесь тщательно уплотняется, так как рыхлая смесь также
может привести к разбрызгиванию металла или к прекращению реакции. Металлотермия сопровождается очень высоким экзотермическим
эффектом, что позволяет получать таким способом наиболее тугоплавкие металлы — хром, молибден, вольфрам, однако для активации реакции необходимо развить достаточно высокую начальную температуру.
С этой целью добавляют так называемые зажигательные смеси с использованием высокоэффективных окислителей, как правило — пероксидов. Если выделяющаяся при реакции теплота достаточна для
хорошего разделения металла и шлака, то процесс ведут без подвода
дополнительного тепла (внепечная металлотермия), в противном случае процесс проводят в электродуговых печах.
Металлотермии подвергаются не только оксиды металлов, но и галогениды и оксигалогениды. Например, заключительным этапом промышленного получения урана является восстановление его фторида
магнием. Металлотермия, как правило, дороже, чем восстановление
углеродом (карботермия), и применяется в тех случаях, когда восстановление углеродом невозможно или приводит к загрязнению сплава
карбидами. Выбор металла-восстановителя определяется не только
термодинамическими показателями, но и экономической целесообразностью, а также желательным отсутствием его сплавления с получаемым металлом или легкой отделяемостью химическими методами.
4. Гидрометаллургия — выделение металлов из руд при помощи во-
дных растворов определенных веществ.
Виды гидрометаллургии:
А. Выщелачивание металлов из растворов. Например, руда содержит
оксид меди, руду обогащают, получившийся оксид меди растворяют в
серной кислоте, а затем проводят реакцию замещения:
CuO + H
CuSO
2AgNO
+ Cu ↓ → Cu(NO3)2 + 2Ag ↓ .
3
→ CuSO4 + H2O;
2SO4
+ Fe → FeSO4 + Cu;
4
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]