5.2. Технологические основы производства серной кислоты

Серная кислота является одним из главных продуктов химической промышленности и используется для производства удобрений, получения красителей, пластмасс, химических волокон, в производстве нефтепродуктов и др. Она используется в металлургии – при выделении металлов из руд; машиностроении – при травлении; пищевой промышленности – при получении патоки, крахмала, спирта; текстильной – при отбеливании тканей. Серная кислота (Н₂SО₄) – это бесцветная маслянистая жидкость с удельным весом 1,84 г/см³.

Сырьем для производства серной кислоты служат:

- сера – лучшее сырье для производства, но чистая сера – слишком дорогое сырье, вследствие чего себестоимость серной кислоты в два раза выше, чем при ее производстве из колчеданов FeS₂;

- серный колчедан FeS₂ – широко распространен в природе, при наличии от 40 до 50 % серы в нем содержится также много примесей (мышьяк, селен, медь, никель, серебро, золото и др.), которые тоже извлекаются;

- сероводород – значительное количество выделяется из газов нефтеперерабатывающей промышленности;

- отходящие газы цветной металлургии, образующиеся при переработке сернистых руд.

В промышленности серную кислоту получают двумя способами – нитрозным и контактным. Нитрозный способ производства серной кислоты является более старым, трудно поддается автоматизации, получаемая кислота имеет концентрацию не более 77 % и загрязнена примесями. Поэтому больше используют контактный способ, производство которого включает четыре стадии: получение диоксида серы; очистку газа от примесей; получение триоксида серы; абсорбцию триоксида серы.

Первая стадия – при обжиге колчедана в печах протекает необратимая реакция, в результате которой получают диоксид:

4 FeS₂ + 11 O₂ = 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂ + Q.

На второй стадии обжиговый газ очищается в системе промывных башен, электрофильтров и сушильных башен. Третья стадия производства является основной. Сухой, очищенный газ поступает на контактное окисление SO₂ до SO₃:

2 SO₂ + O₂ = 2SO₃ + Q.

В качестве катализатора используются ванадиевые контактные массы V₂O₅. Газ проходит через 3–5 решетчатых полок с контактной массой, в результате чего 98 % SO₂ превращается в SO₃.

На четвертой стадии производства серной кислоты охлажденный, окисленный газ направляется в абсорбционное отделение цеха. Поглощение SO₃ до H₂SO₄ осуществляют концентрированной серной кислотой в две стадии. Поглощение триоксида водой не проводят, так как при реакции SO₃ + H₂O = H₂SO₄ за счет выделяющейся теплоты вода превращается в трудноуловимый пар.

5.3. Технологические основы производства минеральных удобрений

Минеральными удобрениями называются соли, которые содержат в своем составе элементы, необходимые для питания растений, ускоряют биохимические процессы формирования растений и улучшают плодородие почвы. Они используются с целью получения высоких урожаев сельскохозяйственных культур и классифицируются по природе питательных элементов на азотные, фосфорные, калийные, магниевые, борные и др. По числу питательных элементов основное место в объемах производства занимают азотные, фосфорные и калийные удобрения, которые классифицируют на простые (один питательный элемент) и комплексные (два и более элементов).

Комплексные удобрения получают на основе химических процессов или смешиванием простых удобрений. Производятся минеральные удобрения с помощью реакций химического синтеза.

Калийные удобрения: хлористый калий (КСl) – 60 % д. в. (действующее вещество) К₂О; сульфат калия (К₂SО₄) – 46 % д. в. К₂О. Сырьем для производства хлористого калия служит природный минерал сильвинит – смесь сильвина (КСl) и галита (NаСl) с содержанием калия 22–25 % в пересчете на К₂О.

Существует 2 способа производства хлористого калия из сильвинита: флотационный и галургический.

Флотационный способ выделения КСl основан на различной способности минералов, входящих в состав руды, смачиваться жидкостями. В присутствии флотореагентов смачиваемость одних минеральных частиц увеличивается, а других – уменьшается. При пропускании через пульпу воздуха частицы, не смачивающиеся жидкостью, вместе с пузырьками воздуха выносятся на поверхность в виде пены, которая направляется на последующую обработку.

Галургический способ выделения КСl из сильвинита (метод избирательного растворения и раздельной кристаллизации) основан на различии температурных коэффициентов растворимости КСl и NаСl. При повышении температуры от 20–25 до 90–100 °С, содержание КСl возрастает примерно в 2 раза, а NаСl несколько уменьшается. При охлаждении КСl кристаллизуется, а NаСl остается в растворе. Калийные удобрения водорастворимы.

Азотные удобрения растворимы в воде и по агрегатному состоянию делятся на твердые и жидкие.

Основные азотные удобрения: аммиачная селитра NН₄NО₃ – 34 % д. в. NО₃; мочевина (карбомид) СО(NН₂)₂ – 46 % д. в. NН₂; сульфат аммония (NН₄)₂SО₄ – 20 % д. в. NН₄; натриевая селитра NаNО₃ – 16 % д. в. NО₃.

Основной способ производства аммиака в промышленности – синтез его из молекулярного азота воздуха и водорода. Смесь газов азота и водорода (1 объем азота на 3 объема водорода) подвергают в компрессоре постепенному сжатию под высоким давлением, а затем вводят в контактную печь. При температуре 400–500 °С и высоком давлении, под действием катализаторов (сплав окислов железа с окислами алюминия и калия), азот и водород вступают в реакцию с образованием газообразного аммиака: N₂ + 3Н₂ = 2NН₃.

Основной способ получения азотной кислоты – окисление аммиака. Сущность процесса заключается в окислении аммиака кислородом воздуха в присутствии платинового катализатора. Азотную кислоту используют для получения нитратных и нитратно-аммиачных удобрений.

Производство аммиачной селитры (NН₄NО₃) основано на реакции нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком с последующим упариванием полученного раствора нитрата аммония:

НNО₃ + NН₃ = NН₄NО₃ + Q.

Фосфорные удобрения. Основным фосфорным удобрением является суперфосфат двойной Са(Н₂РО₄)₂ · Н₂О, содержащий 44 % Р₂О₅. Сырьем являются природные фосфатные руды апатиты и фосфориты. Экстракционный метод производства ортофосфорной кислоты (Н₃РО₄(Р₂О₅ · 3Н₂О) с содержанием в ней 72,4 % Р₂О₅ основан на реакции разложения природных фосфатов серной кислотой.