Основы технологии химической и нефтехимической промышленности.

Химическая и нефтехимическая промышленность обеспечивает энергетическую безопасность и экономическую стабильность страны. Белорусский государственный концерн по нефти и химии включает 41 организацию, с численностью работающих 119 тыс. человек. «Белнефтехим» выпускает 30 % общего объема промышленной продукции и дает каждый четвертый рубль в бюджет страны. Доля в общереспубликанском экспорте превышает 35 %, а на таких предприятиях как «Беларуськалий» и «Полоцк-Стекловолокно» доля поставок за рубеж достигает 90 %. Отрасль имеет хорошую научную базу.

Большую роль в отрасли играет выпуск продукции основной химии: минеральные удобрения, кислоты, лаки, краски. Производство лаков и красок налажено в Лиде, Гомеле, Могилеве и Минске.

Второй важной составляющей части отрасли является химия органического синтеза. Она представлена производством химических волокон, нитей, резинотехнических изделий.

В Беларуси производство синтетических волокон налажено в Новополоцке, Гродно, Могилеве, искусственных волокон – в Светлогорске и Могилеве, полиэтилена – на ПО «Полимир» в Новополоцке.

Резинотехническая промышленность представлена предприятиями в Бобруйске, Кричеве, Копыле, Гомеле, Мозыре. В Бобруйске производится выпуск шин и резинотехнических изделий для автомобильного, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

Стиральные моющие средства выпускает Брестский завод бытовой химии.

Химическая промышленность объединяет производства, в которых преобладают химические методы получения и переработки сырья и материалов. В химической промышленности основу производственных процессов составляют химические реакции, при которых происходят глубокие качественные изменения внутреннего строения и состава вещества.

Основными продуктами химической промышленности являются:

1. Аммиак и кислоты – серная, соляная, азотная.

2. Удобрения – азотные, фосфорные, калийные, комплексные.

3. Продукты коксохимических производств для черной и цветной металлургии.

4. Нефтепродукты в виде топлив, масел и полупродуктов для получения красок, лаков, фармацевтики, взрывчатых веществ и полимеров.

5. Полимеры в виде эластомеров, резин, пластмасс и композиционных материалов.

Чаще всего основой классификации ХТП является способ организации, кратность обработки сырья, вид используемого сырья, тип основной химической реакции.

Так, по способу организации ХТП делят на непрерывные периодические и комбинированные. В периодических процессах сырье вводится в реактор определенными порциями, и также дискретно из реактора извлекается целевой продукт после завершения процесса. В непрерывных процессах сырье подается в реактор непрерывным потоком. За время пребывания в реакторе оно превращается в целевой продукт, который непрерывно выводится из реактора. Комбинированные процессы могут характеризоваться непрерывным поступлением сырья и периодическим отводом продукта, периодическим поступлением одного из исходных видов сырья и непрерывным другого. По кратности обработки сырья различают процессы с разомкнутой (открытой), замкнутой (закрытой) и комбинированными схемами. В процессах с открытой схемой сырье за один цикл пребывания в реакторе превращается в целевой продукт. В процессах с закрытой схемой требуется многократное пребывание сырья в реакторе до того как оно полностью превратится в конечный продукт. В комбинированных процессах основное сырье может превращаться в целевой продукт за один цикл, а вспомогательные материалы использоваться многократно. По виду используемого сырья ХТП могут быть разделены на процессы по переработке растительного, животного и минерального сырья. Основу ХТП составляют различные химические реакции: простые и сложные, обратимые и необратимые, гомогенные и гетерогенные, экзотермические и эндотермические. Простые могут быть описаны одним уравнением, а сложные двумя и более. К обратимым относят реакции, протекающие в противоположных направлениях со сравнимыми скоростями. Если же скорость реакции в одном направлении больше, чем в другом, то реакция необратимая. Гомогенные реакции-реагирующие вещества находятся в одной фазе (газ, жидкость, твердое тело), гетерогенные – реагенты в разных фазах. По условиям протекания реакции делят на высокотемпературные (500С и более), электрохимические, фотохимические, радиационно-химические, каталитические.

Современное химическое производство включает в себя разнообразные физические, химические и физико-химические операции, причем химические превращения являются основными, а любые другие

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.

Производство аммиака и азотной кислоты в основном связано со значением соединений азота, которые необходимы для производства синтетических смол, красителей, фармацевтики, взрывчатых веществ, питательных веществ пищи человека, животных и растений. Проблема получения соединений азота решается несколькими способами самым значимым из которых является аммиачный.

Суть способа состоит в соединении азота воздуха с водородом и получения аммиака. Это наиболее экономичный способ, позволяющий получить тонну аммиака затратив при этом 5000кВт\часов электроэнергии. Процесс идет по реакции: N2 + 3H2 = 2NH3+ Q

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.