§ 5.6. Высокотемпературные процессы в химической промышленности

В настоящее время в химической промышленности на смену высокотемпературным энергоемким процессам приходят более современные ресурсосберегающие (каталитические, биохимические и др.) процессы. Поэтому высокотемпературные процессы применяются лишь для получения таких веществ, как соляная кислота, фосфор, карбид кальция и др.

Производство соляной кислоты НС1 состоит из двух стадий. Первая стадия заключается в непосредственном соединении хлора и водорода в контактной печи из жа­роупорной стали. В нижней части печи имеется горелка, состоящая из двух труб, вставленных одна в другую. Су­хой хлор поступает во внутреннюю, а водород — в на­ружную часть трубы. При выходе они соединяются с образованием пламени. Так как процесс экзотермиче­ский, температура реакции достигает 2400 °С: Н₂ 4- С1₂-» -> 2НС1 + Q. На второй стадии газообразный хлористый водород улавливается водой в поглотителях различной конструкции, среди которых наибольшее распростране­ние получили насадочные колонны, змеевиковые абсор­беры и др. В качестве товарного продукта получают 31 —34%-ную соляную кислоту.

Наибольшую роль среди высокотемпературных мето­дов переработки в химической промышленности играют электротермические процессы, проходящие в электропе­чах. В числе наиболее важных продуктов электротерми­ческих производств можно назвать фосфор, карбид каль­ция и корунд.

Белый фосфор Р получают из фосфорсодержащего природного сырья (фосфориты, апатиты) путем плавле­ния его с песком и коксом в электропечах ванного типа с угольными электродами по реакции

Са₃ (РО₄)₂ + nSiO₂ + 5С  ЗСаО • nSiO₂+ 2Р + 5СО + Q

Фосфор возгоняется в процессе производства, проходит из печи по газоходу и конденсируется затем под водой, так как он может самовозгораться. Фосфор применяется для производства фосфорного ангидрида, фосфорной кислоты, зажигательных средств, ядохимикатов, фарма­цевтических препаратов и т. д.

Производство карбида кальция осуществляется в электропечи при 2000 °С с самозажигающимися угольными электродами ванного типа и угольным подом печи. В состав шихты для получения карбида кальция входит антрацит в смеси с коксом и негашеная известь. Карбид, получаемый согласно реакции

СаО + ЗС  СаС₂ + СО - Q

образуется в печи в жидком состоянии, вытекает через специальное отверстие (летку), охлаждается во вращаю­щемся барабане, застывает, а затем дробится на куски. Главное применение карбида кальция — производство ацетилена.

Расход электроэнергии в электротермических процес­сах весьма значителен: до 3000 кВтч и более на 1 т про­дукта; печи имеют мощность до 60000 кВт.

Прогрессивные направления совершенствования элек­тротермических производств — это переход на дешевые виды электроэнергии (гидроэнергию, местное топливо, атомную энергию), создание электропечей непрерывного действия, замкнутых циклов и безотходных технологий.

Глава 6 электрохимические процессы § 6.1. Значение и сущность электрохимических процессов

Технология электрохимических производств рассма­тривает процессы, основанные на непосредственном пере­ходе электрической энергии в химическую без промежу­точного превращения энергии в теплоту.

Первые представления о связи химических и электро­химических явлений возникли еще в середине XVIII в. и были высказаны М. В. Ломоносовым. С тех пор и по настоящее время, несмотря на широчайшее применение электрохимических процессов в промышленности, про­должаются новые научные исследования в области элек­трохимии. Большой вклад в развитие этой науки внесли ученые России и Советского Союза.

Одним из первых электрохимиков был русский акаде­мик В. В. Петров, построивший в 1802 г. одну из самых мощных гальванических батарей. Профессор Московско­го университета Ф. Ф. Рейс в 1807 г. открыл явление электроосмоса и электрофореза. Академик Б. С. Якоби в 1837 г. изобрел гальванопластику. Из советских ученых следует отметить работы чл.-кор. АН СССР Н. А. Изгарышева в области электроосаждения металлов и ги­дроэлектрометаллургии, акад. В. А. Кистяковского — по коррозии металлов, акад. А. Н. Фрумкина — по кинетике электродных процессов. Значительный вклад в развитие электрохимии внесли зарубежные ученые. Особенно сле­дует отметить открытие в 30-е годы XIX столетия круп­ным английским физиком Майклом Фарадеем законов электролиза.

Уже из первых исследований стало ясно, что электро­лиз имеет огромное практическое значение как метод, от­крывающий области новых производств и коренным спо­собом изменяющий старую технику. Однако широкое практическое применение электрохимические процессы начали получать лишь после изобретения в 1870 г. динамомашины. Первые электрохимические заводы начали строить в 70-е годы прошлого столетия для рафинирова­ния меди. Затем появились заводы по производству дру­гих продуктов электролиза: алюминия, хлорноватокислых солей, хлора, щелочей и т. п.

Дореволюционная Россия с ее отсталой технической базой по масштабам производства электрической энер­гии занимала одно из последних мест в мире. Вся мощ­ность электростанций России в 1913 г. составляла 1098 тыс. кВт, поэтому неудивительно, что несмотря на то, что Россия является родиной многих изобретений и от­крытий в области электрохимии, ее электрохимическая промышленность находилась в зачаточном состоянии. Только после Великой Октябрьской социалистической ре­волюции, когда СССР в течение третьей пятилетки вы­шел на второе место в Европе по производству электро­энергии, были созданы предпосылки для развития мощной электрохимической промышленности.

В задачи электрохимических производств, которые являются весьма обширными и многообразными, тради­ционно входило: получение и рафинирование цветных и благородных металлов из руд; получение щелочных, щелочноземельных и других легких металлов; получение металлических сплавов (например, свинец-натрий-калий); получение хлора и щелочей, кислорода и водорода; полу­чение неорганических солей и окислителей; защита ме­таллов от коррозии, декоративные и специальные покры­тия металлов; гальванопластическое изготовление копий и других изделий; получение химических источников тока.

Бурное развитие производства электроэнергии в по­следние десятилетия и достижения НТР позволили зна­чительно расширить области применения электрохимиче­ских процессов: значительно расширился ассортимент металлов, получаемых электролизом; интенсивное разви­тие получили электрохимические методы синтеза органи­ческих веществ; широкое применение получили электро­химические методы в машиностроении и особенно в области радиоэлектронного производства. Распростра­нение в промышленности электрохимических методов производства тесно связано со стоимостью электроэнер­гии. Планами развития народного хозяйства в нашей стране предусматривается строительство крупнейших те­пловых, атомных и гидроэлектростанций, при этом стои­мость электроэнергии будет непрерывно снижаться, что создает дальнейший стимул для возникновения новых и расширения традиционных электрохимических процес­сов. В связи с этим в Основных направлениях развития народного хозяйства СССР на 1981 - 1985 гг. и на период до 1990 года отмечается необходимость более широкого внедрения электрохимических процессов и методов обра­ботки.

Остановимся более подробно на особенностях элек­трохимической технологии. Следует отметить, что техно­логические процессы, которые могут быть проведены электрохимическими методами, в большинстве случаев могут быть осуществлены и другими химическими, а в ряде случаев и физическими методами. Выбор техноло­гии должен решаться на основе сравнительного техно-экономического анализа, который учитывает экономику производства, ресурсы и стоимость сырья, выход и чи­стоту получаемого продукта, сложность аппаратурного оформления и другие вопросы.

Сравнение химических и электрохимических методов показывает, что последние обладают во многих случаях существенными преимуществами.

Технико-экономическая эффективность электрохими­ческих методов определяется тем, что с их помощью можно в относительно простых технологических схемах получить достаточно чистые продукты. Во многих слу­чаях использование электрической энергии для осущест­вления химических реакций чрезвычайно упростило тех­нологию получения того или иного продукта, а вместе с тем во много раз удешевило его и расширило возмож­ность его применения. Примерами могут служить прежде всего легкие металлы — алюминий, магний, натрии, ко­торые получать химическим путем очень дорого. Элек­трохимические методы дали возможность наряду с ос­новным продуктом получать ценные побочные продукты, исходить из более дешевого сырья и лучшего его исполь­зования.

Так, химическим путем хлор получали из НС1, ис­пользуя это сырье только на 30 — 65%. Электрохимиче­ский метод дает возможность применять в качестве сырья природную поваренную соль и использовать ее практически полностью. При этом наряду с хлором по­лучаются и ценные побочные продукты — едкий натр и водород. При электрорафинировании металлов в каче­стве отходов получается шлам, содержащий благородные металлы: золото и серебро — при рафинировании меди, платину и палладий — при рафинировании никеля. Стои­мость получаемых благородных металлов полностью по­крывает расходы по рафинированию меди и никеля.

Существенным преимуществом электрохимических методов является высокая чистота получаемого продук­та, часто совершенно недостижимая при химических способах.

В металлургии цветных металлов электрохимические методы расширили сырьевую базу: возникла возмож­ность экономично перерабатывать бедные руды. Так, гидроэлектрометаллургическим методом успешно перера­батывают руды, содержащие 0,7 и даже 0,4% меди, что совершенно неэкономично при других способах.

Следует также отметить, что в ряде случаев (в маши­ностроении, приборостроении, производстве патефонных пластинок и др.) только электрохимические (гальванотех­нические) процессы могут обеспечить получение спе­циальных покрытий и сплавов, а также изделий в виде копий с соответствующих матриц.

К недостаткам электрохимических методов следует отнести необходимость расходования относительно до­рогой вид энергии (энергию постоянного тока) и про­изводить затраты на создание источников ее получения.