ГЛАВА 9. СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЙ ХИМИЧЕСКОЙ

ПРОМЫШЛЕННОСТИ

9.1. Понятие о химическом производстве

Химия, химическое производство всегда играло важнейшую роль в развитии производительных сил, в обеспечении жизненных потребностей человека. Химическая промышленность объединяет предприятия горно-химической (добывающей) и основной химии и выпускает сотни тысяч химических веществ. Среди них можно назвать основные: сода, метанол, синтетические смолы, пластмассы и изделия из них, волокна и нити химические, лакокрасочные материалы и пигменты, синтетические красители, химические реактивы, стеклопластики и стекловолокно, кинофотопленка, магнитные ленты, товары бытовой химии, минеральные удобрения, резинотехнические изделия, кокс, бензин, топливо и смазочные масла, каучук синтетический, продукция парфюмерного, фармацевтического, микробиологического производства и многое другое.

Уровень развития химии и использование ее материалов в различных отраслях промышленности в наше время служит определенным мерилом научно-технического прогресса общества. Доля химической промышленности в общем объеме промышленного производства в Украине в несколько раз ниже, чем в США, Японии, Румынии. Возможности страны осуществить перевод экономики на интенсивный путь развития во многом зависят от состояния химической промышленности, развитие которой позволяет улучшить структуру общественного производства. Ведь химическое производство тесно связано со всеми отраслями народного хозяйства. Например, производство чугуна, стали и большинства цветных металлов основано на химических и электрохимических процессах; производство кокса является химическим производством. Цемент, стекло, линолеум, битум и другие материалы производятся путем химических методов воздействия на исходные вещества. С использованием химических процессов выпускается огромное количество изделий и продуктов легкой и пищевой промышленности и т.д.

Анализ развития экономики промышленных стран мира показывает, что с повышением технического уровня всех отраслей материального производства быстро растет и степень их химизации. Эта тенденция усиливается вследствие высокой эффективности производств, основанных на химических процессах, и высокой производительности труда в них, непрерывного роста потребностей народного хозяйства в материалах с новыми, уникальными свойствами.

С другой стороны, при больших масштабах химического производства высоки и выбросы в воздушный и водный бассейны, наносящие ущерб здоровью людей и природе. Борьба с вредными выбросами – важнейшая социальная и хозяйственная проблема.

9.2. Технология коксохимического производства

Кокс – твердый матово-черный, пористый продукт. Из 1 т сухой шихты получают 650-750кг кокса. Он используется главным образом в черной и цветной металлургии, литейном производстве, а также для газификации, производства карбида кальция, электродов, как реагент и топливо в ряде отраслей химической промышленности. Кокс должен обладать достаточной механической прочностью, так как он может разрушаться в металлургических печах под давлением столба шихты, что нарушает их нормальную работу, снижает производительность и т.п.; он должен обладать теплотворной способностью 31,4 – 33,5 МДж/кг. Кокс получают на коксохимических заводах путем разложения коксующихся углей без доступа воздуха. Показателями качества кокса является горючесть и реакционная способность. Первый характеризует скорость горения кокса, второй – скорость восстановления им двуокиси углерода. Оба эти процесса гетерогенные, скорость их определяется не только составом кокса, но и его пористостью, так как от нее зависит поверхность контакта взаимодействующих фаз. Качество кокса также характеризуется содержанием в нем серы, золы, влаги и выходом летучих.

Сера, содержащаяся в коксе, при доменной плавке переходит в чугун, ухудшая его качество. Допустимое содержание серы в коксе 1,2 – 1,7%. Зола в коксе - это балласт, и содержание ее равно примерно 17%. Выход летучих веществ из кокса составляет около 1,0%. В коксе допустимо до 5% влаги, так как увеличение влажности понижает его теплотворную способность.

Коксовый газ получается в количестве 310 – 340м3на 1 т сухого угля. Состав и выход коксового газа определяются главным образом температурой коксования. Из камеры, в которой проводится коксование, выходит так называемый прямой коксовый газ, содержащий газообразные продукты, пары каменноугольной смолы, сырого бензола и воды. После удаления из него смолы, сырого бензола, воды и аммиака получается так называемый обратный коксовый газ, который используется как сырье для химических синтезов. Помимо этого коксовый газ применяется для обогрева коксовых, сталеплавильных и других печей.

Каменноугольная смола– вязкая черно-бурая, со специфическим запахом жидкость, содержащая около 300 различных веществ. Наиболее ценными компонентами смолы являются бензол, толуол, ксилолы, фенол, крезолы, нафталин, антрацен, фенантрен, пиридин, карбазол, кумарон и др. Плотность смолы 1,7 – 1,20 г/см3. Выход смолы составляет от 3 до 4% от массы коксуемого сухого угля. Состав смолы зависит главным образом от температуры коксования, а выход – от температуры и природы исходных углей. С повышением температуры углубляется пиролиз углеводородов, что снижает выход смолы и увеличивает выход газа. Из каменноугольной смолы выделяют около 60 продуктов, используемых в качестве сырья для производства красителей, фармацевтических препаратов, инсектофунгицидов, пластических масс, химических волокон и т.п.

Сырой бензол –это смесь, состоящая из сероуглерода, бензола, толуола, ксилолов, кумарона и других веществ. Выход сырого бензола составляет в среднем 1,1% от массы угля. Выход зависит от состава и свойств исходного угля и температурных условий процесса. При разгонке из сырого бензола получают индивидуальные ароматические углеводороды и смеси углеводородов, служащие сырьем для химической промышленности.

Смола и сырой бензол служат главными источниками получения ароматических углеводородов для химической промышленности.

Надсмольная вода представляет собой слабый водный раствор аммиака и аммонийных солей с примесью фенола, пиридиновых оснований и некоторых других продуктов. Из надсмольной воды при ее переработке выделяется аммиак, который совместно с аммиаком коксового газа используется для получения сульфата -аммония и концентрированной аммиачной воды.

Коксование является одним из старейших химических производств. До середины XIX в. коксование проводилось для производства кокса для металлургии. Со второй половины XIX в. после получения в России Н.Н. Зининым анилина из нитробензола потребовались бензол, толуол, фонолы, крезолы, нафталин, антрацен и другие продукты, содержащиеся в каменноугольной смоле и сыром бензоле. Каменноугольная смола и сырой бензол превращаются из отходов производства в основные и важнейшие продукты. Почти на всех заводах строятся установки, на которых улавливаются каменноугольная смола и сырой бензол. Таким образом, создаются единые коксохимические производства.

Сырьем для коксования служат спекающиеся угли, которые дают прочный и пористый металлургический’ кокс, например коксующиеся угли марки К. В промышленной практике обычно составляется смесь – шихта, состоящая не только из коксующихся углей, ноиз углей других марок. Это позволяет расширить сырьевую базу коксохимической промышленности, получить качественный кокс и обеспечить высокий выход смолы, сырого бензола и коксового газа. В углях, используемых для коксования, количество влаги должно быть в пределах 5…9%, золы до 7%, серы до 2%.

Технологический процесс химического производства начинается с подготовки сырья и приготовления шихты. Поступающий на предприятие уголь разделяется по составу и свойствам на группы, дробится и перемешивается, затем проходит стадию обогащения путем грохочения, обеспыливания, флотации и других процессов с целью устранения посторонних примесей.

Далее компоненты шихты подвергаются сушке и окончательному дроблению до крупности зерен не более 3 мм. Подготовленные компоненты шихты подаются в смесительные машины и затем в бункеры-накопители угольной башни.

Готовая шихта определенными дозами высыпается в бункеры загрузочного вагона, который доставляет ее в камеры коксовой батареи (рис. 9.1).

Нагревание угля сопровождается физическими и химическими превращениями: до 250 °С испаряется влага, выделяются окись и двуокись углерода; около 300° С начинается выделение паров смолы и образование так называемой пирогенетической воды; выше 350°С уголь переходит в пластическое состояние; при 500-550°Снаблюдается разложение пластической массы с выделением первичных продуктов (газа и смолы) и твердение ее с образованием полукокса. Повышение температуры до 700°С приводит к разложению полукокса, выделению из него газообразных продуктов; выше 700°С преимущественно происходит упрочнение кокса. Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом, нагретыми стенками и сводом камеры, в которой происходит коксование, превращаются в сложную смесь паров (с преобладанием соединений ароматического ряда) и газов, содержащих водород, метан и др. Большая часть серы исходных углей и все минеральные вещества остаются в коксе.

Рис. 9.1. Устройство коксовой батареи:

1 – коксовыталкиватель; 2 – газосборник; 3 – стояк; 4 – люк; 5 – загрузочный вагон; 6 – башня для тушения; 7 – герметичная дверь; 8 – рампа; 9 – тушильный вагон; 10 – газопровод; 11 – коксовая камера; 12 – регенератор; 13 – простенок; 14 – угольная башня 3000 т.

Устройство и работа коксовых печей – аппаратов косвенного нагрева, в которых тепло к коксуемому углю от греющих газов передается через стенку. Основным фактором, определяющим протекание процесса коксования, является повышение температуры, которое необходимо для нагрева шихты до температуры сухой перегонки и проведения эндотермических реакций коксования. Предел повышения температуры ограничивается снижением выхода смолы и. сырого бензола, изменением состава продуктов коксования, нарушением прочности огнеупорных материалов, используемых для кладки печей.

Коксовая печь или батарея (рис. 9.1.) состоит из 61-69 параллельно работающих камер 11, представляющих собой длинные, узкие каналы прямоугольного сечения, выложенные из огнеупорного кирпича (динаса). Каждая камера вмещает от 15 до 23т шихты, имеет переднюю и заднюю съемные двери, которые в момент загрузки камеры плотно закрыты и снимаются при выгрузке кокса. В своде камеры находятся загрузочные люки 4, которые открываются при загрузке угля и закрыты в период коксования. По рельсовому пути, расположенному над коксовыми камерами, перемещается загрузочный вагон 5, который через загрузочные люки подает шихту в коксовые камеры. Вдоль одной из сторон батареи по рельсовому пути перемещается коксовыталкиватель 1 – машина, которая после окончания процесса коксования вскрывает двери камеры и выталкивает образовавшийся кокс. С другой стороны по рельсовому пути перемещается тушильный вагон 9, который принимает раскаленный кокс, транспортирует его под башню тушения 6 и затем выгружает на рампу 8. Нагревание угля в камере происходит через стенки камеры дымовыми газами, проходящими по обогревательным простенкам, расположенным между камерами. Горячие дымовые газы получаются в результате сжигания доменного, обратного коксового или реже генераторного газов. Тепло дымовых газов, выходящих из обогревательного простенка, используется в регенераторах 12 для нагрева воздуха и газообразного топлива, поступающих на обогрев коксовых печей, в результате чего увеличивается тепловой кпд печи. При работе коксовой камеры для обеспечения равномерности прогрева угольной загрузки необходимо правильно выбрать габариты камеры и равномерно распределить греющие газы в обогревательном простенке. Ширина камеры обычно составляет 400-450 мм. Длина камеры ограничивается статической прочностью простенков, трудностью удаления кокса из камеры, сложностью распределения газов в обогревательном простенке. Длина камеры равна примерно 14м. Высота камеры определяется в основном условиями равномерного обогрева ее по высоте. С этой точки зрения удовлетворительные результаты получаются при высоте камеры около 5,5 м.

Равномерное распределение греющих газов достигается разделением обогревательных простенков вертикальными перегородками на ряд каналов, называемых вертикалами. По вертикалам движутся греющие газы, которые отдают тепло стенкам камеры и уходят в регенераторы. Разность температуры между греющими газами в обогревательном канале и угольной шихтой изменяется во времени. После загрузки камеры шихтой значение ее велико, в холодную шихту в единицу времени поступает большое количество тепла, и уголь у стенок камер начинает коксоваться. Однако средние слои шихты при этом остаются холодными.

По мере прогрева угля разность температур постепен-но уменьшается, количество передаваемого тепла в единицу времени падает, но все же вследствие непрерывного при-тока тепла от газов происходит постепенное повышение темпе-ратуры по сечению камеры. Поэтому состояние материалов в камере во время коксования (рис. 9.2): у стенок будет слой образовавшегося кокса, далее при снижении температуры от стенок к оси камеры распо-лагается слой полукокса, затем угля, находящегося в пласти-ческом состоянии, и наконец в центре камеры неизменная шихта. Через 12-14 ч темпе-ратура по сечению выравнивается, слои перемещаются к оси камеры и постепенно угольная загрузка прококсовывается. Таким образом, по окончанию процесса коксования нагревающие устройства отключаются, стояки переключаются, к дверям камеры подводится выталкиватель, который выгружает коксовый пирог в тушильный вагон, медленно движущийся вдоль батареи. Затем выталкиватель навешивает двери освободившейся камеры и отправляется к следующей камере, а загрузочный вагон открывает загрузочные люки и производит загрузку новой дозы шихты.

Продолжительность выгрузки-загрузки камеры составляет около 15 минут. Поэтому для рационального использования механизмов число камер в батарее доводят до 70.

Выгруженный кокс подвергается тушению, так как при соприкосновении с воздухом он загорается.

Тушильный вагон доставляет его в башню, где кокс гасится водой, а после тушения высыпается на рампу, где остывает в течение 20 минут. Остывший кокс транспортируется на сортировку.

Выход кокса составляет 70-80% от массы шихты. Производительность одной кокосовой батареи составляет около 1500т кокса в сутки. В зависимости от назначения кокс делится на доменный, литейный, энергетический (предназначенный для получения ферросплавов, карбида кальция, электродов, для агломерации железных руд).

Выход продуктов из 1 т шихты, %, на
Авдеевском коксохимическом заводе

Кокс сухой валовой – 75,3

Пековый кокс – 0,02

Смола каменноугольная – 3,85

Нафталин – 0,15

Бензол каменноугольный – 0,87

Фталевый ангидрид – 0,001

Сульфат аммония – 0,01

Обратный кокс газ – 12,8

Серная кислота – 0,007

Повышение экономической эффективности коксохимического производства достигается, прежде всего, совершенствованием технологии получения кокса. Так, внедрение непрерывного способа коксования позволяет снизить себестоимость кокса в среднем на 30% и повысить производительность труда в 3 раза по сравнению с обычным способом. Значительный эффект достигается при внедрении метода сухого (инертными газами) тушения кокса, позволяющего улучшить его качество и повысить производительность коксохимического производства.

9.3. Технология переработки нефти

Нефтеперерабатывающая промышленность занимает одно из ведущих мест в народном хозяйстве страны. Сырая нефть, поступающая на нефтеперегонные предприятия, перерабатывается на моторное топливо высокого качества, смазочные и специальные масла широкого ассортимента, битумы и восковые составы, парафины, сажу, кокс для электродов. Плотность нефти находится в пределах 780-1040 кг/м3. Нефть плотностью ниже 900 кг/м3относят к легким сортам, свыше 900 кг/м3– к тяжелым. Плотность нефти зависит от содержания в ней легких фракций и в первом приближении характеризует ее состав, определяет направление переработки нефти, а также ассортимент и качество вырабатываемой продукции. Сырая нефть содержит примеси: воду (10-30%), растворенные соли, частицы породы (3-5%), а также газообразные фракции углеводородов – попутных газов (1-4%), которые при атмосферном давлении интенсивно испаряются, увлекая с собой и часть низкокипящих фракций. Поэтому добытая нефть для предотвращения потерь этих фракций направляется в специальные испарители (трапы), где происходит отделение газов, которые подвергаются дальнейшей переработке.

Свободная вода вместе с механическими примесями отделяется от нефти в отстойниках. Для разрушения мелких капелек воды на нефть воздействуют переменным электрическим полем в специальных аппаратах – электродегидраторах, внутри которых имеются сетки, образующие обкладки конденсатора. Капельки соленой воды, являющиеся электропроводником, интенсивно колеблются в электрическом поле, и, смешиваясь, образуют более крупные капли, стекающие вниз. Обезвоженная нефть поднимается через верхние сетки и подается на переработку.

Процесс перегонки основан на явлениях испарения и конденсации смеси веществ с различными температурами кипения. Технологический процесс перегонки нефти состоит из четырех операций: нагрева смеси, испарения, конденсации и охлаждения полученных фракций.

Нагревание нефти и нефтепродуктов осуществляется в трубчатых печах, имеющих по 3-4 камеры. Сначала холодный продукт поступает в конвекционные камеры, где подогревается отходящими газами, а затем в радиационные. Подогрев в печи производится до температуры 300-500°С.

		Рис. 9.3. Ректификационная колонна: 1 – шлем; 2 – тарелки; 3 – смотровые люки; 4 – переливная труба; 5 – соединительная труба; 6 – каскадные тарелки

Разделение смесей на фракции при перегонке производится в ректификационных колоннах (рис. 9.3), которые представляют собой цилиндрический аппарат высотой 25-55 м, диаметром 5-7 м, с внутренними горизонтальными перегородками (тарелками), расположенными одна над другой. В перегородках имеются щели, прикрытые колпаками, которые преграждают путь поднимающимся парам, и сливы, предназначенные для стекания избытка жидкости на тарелке.

Нагретую в печи смесь подают в нижнюю часть колонны. Давление в колонне ниже, чем в трубках печи, поэтому смесь закипает и разделяется на две фазы: парообразную и жидкую. Жидкие продукты стекают вниз, а пары поднимаются вверх по колонне.

В верхнюю часть колонны подается орошающая жидкость (флегма) – легкая фракция, которая перетекает вниз с тарелки на тарелку по переливным патрубкам. Поднимающиеся снизу пары подходят под колпак и барботируют через слой жидкости на тарелке. Встречаясь с поднимающимися горячими парами, орошающая колонну жидкость нагревается и частично испаряется. Пары, отдавая ей теплоту, конденсируются, а конденсат стекает в нижнюю часть колонны. Этот процесс многократно повторяется по всей высоте колонны на каждой тарелке. По мере подъема с тарелки на тарелку температура паров и флегмы уменьшается. Температура регулируется существующей подачей холодной легкой фракции для орошения.

Фракционный состав флегмы и паров по высоте колонны непрерывно меняется: стекающая вниз флегма все более обогащается тяжелыми фракциями, а поднимающиеся вверх пары – легкими. Внизу колонны собирается жидкость, содержащая тяжелые фракции (мазут). Легкие фракции поднимаются, по колонне вверх, постепенно охлаждаясь. Самая легкая бензиновая фракция при температуре 180-200°С отводится из колонны в виде паров в конденсатор и отделяется от воды в сепараторе.

С промежуточных тарелок колонны отводятся средние фракции: керосиновая, кипящая при 200-300°С, и газойлевая (300-350°С). Иногда отводят также промежуточые фракции, например, лигроины (160-200°С), керосиногазойлевую (270-320°С).

Мазут разделяют на фракции вакуумной установкой: на легкую фракцию (тяжелый газойль), промежуточную (масляные дистилляты: веретенный, машинный, цилиндровый) и тяжелую (гудрон).

Производительность ректификационных колонн составляет 3-9 тыс. т нефти в сутки, вакуумных установок – 1,5-3 тыс. т мазута в сутки.

Таким образом, продукты перегонки нефти можно резделить на три группы: топливные, масляные дистилляты и гудрон.

Наиболее ценная топливная фракция – бензиновая, выход бензинов из нефти составляет 3-15%, для легкой нефти – до 20%.

Лигроины прямой перегонки используются для дальнейшей переработки на бензин и растворители для лакокрасочной промышленности, их выход составляет 7-10%.

Керосины – осветительный, моторный, компоненты реактивных и дизельных видов топлива, выход 8-20%.

Легкие газойли (соляр) являются основой дизельных видов топлива, а тяжелые – как сырье для дальнейшей переработки (крекинга); их выход составляет в среднем 7-15%.

Мазут – фракция, включающая углеводороды, парафин, маслянистые и смолистые вещества. Легкие мазуты применяются как топливо для котельных и газовых турбин; выход мазута – 50-60%.

Масляные дистилляты – тяжелые фракции, из которых получают различные смазочные и специальные масла; их выход – около 20-25%. Гудрон состоит из смолистых веществ, парафинов и тяжелых углеводородов и служит полуфабрикатом, из которого получают битумы и кокс для электродов; его выход – 15-30%.

Сравнительно малый выход бензина при прямой перегонке обусловил необходимость разработки метода получения легких фракций из тяжелых внедрением крекинг-процесса.

Крекинг, пиролиз и риформинг нефтепродуктов.Переработка нефти обычной перегонкой, т.е. физическим методом, не изменяет химического состава нефти и ее продуктов, не разрушает и не создает углеводородов, а лишь разделяет нефть на ее составные части. Перегонкой нельзя получить из нефти больше того, что естественно в ней содержится. Например, в нефти содержится 10-15% бензина, и получить большее количество бензина перегонкой невозможно.

Для значительного увеличения выхода из нефти легких продуктов и прежде всего бензина наряду с физическими методами сейчас применяют и химические методы переработки нефтепродуктов, основанные на изменении их химического состава. Этими новыми методами являются крекинг и пиролиз. Сущность их заключается в том, что переработку нефтепродуктов производят в условиях, при которых отдельные углеводороды расщепляются (распадаются на части) и образуют новые, более легкие углеводороды (с меньшим числом атомов углерода) (рис. 9.4). Таким путем достигается увеличение выхода бензина и других легких продуктов сверх того количества, которое содержится в исходном сырье.

Крекинг(что означает расщепление) ведут при температуре 475-500°С и давлением 2…7 МПа. Для активизации и соответствующего направления процесса крекинга применяют различные катализаторы, чаще всего алюмосиликатные (как правило, синтетические, иногда природные – бентонитовые глины).

Пиролиз(означающий разложение при высокой температуре) осуществляется при атмосферном давлении, но при более высоких температурах (680-750°С).

Рис. 9.4. Расщепление углеводорода при крекинге

Тяжелый углеводород – цетан С16Н34распадается на два легких углеводорода: С8Н18и октилен С8Н16

Крекингом из тяжелых нефтяных фракций (соляра, мазута) получают преимущественно бензин и другое легкое моторное топливо. Пиролизом обычно перерабатывают нефтяные газы, бензины и керосины для получения сырья (этилена, пропилена, бутадиена и др.) для промышленности органического синтеза и полимеров.

На передовых нефтеперерабатывающих предприятиях, применяющих новейшую технологию производства, выход легкого моторного топлива очень высок; из соляра, например, получают 60-80% высококачественного бензина и керосина и небольшое количество газов и крекингового остатка. Крекинг-бензин отличается более высокими антидетонационными свойствами и в этом отношении превосходит бензин, получаемый при перегонке нефти.

Получаемые при крекинге и пиролизе газы содержат этилен, пропилен, бутилен и другие легкие углеводороды. Из них получают спирты, синтетический каучук, пластмассы и множество других продуктов.

Крекинговый остаток подвергают коксованию - процессу глубокого разложения при температуре 480-650°С. В результате получаются нефтяной кокс, газ и жидкие нефтепродукты, в том числе некоторое количество бензина. Нефтяной кокс может служить заменителем каменноугольного кокса.

Таким образом, новейшие методы переработки нефти открывают широчайшие возможности для использования нефтепродуктов во всех отраслях народного хозяйства и полного обеспечения страны всеми видами жидкого топлива и смазочных материалов, а также разнообразным химическим сырьем без чрезмерного увеличения нефтедобычи.

Риформинг – процесс, применяемый для улучшения качества бензина, повышения его антидетонационных свойств (повышения октанового числа бензина). Использование высокооктанового бензина значительно повышает мощность двигателей и экономическую эффективность эксплуатации автомобилей. Процессы риформинга осуществляют при температуре 450-530°С и давлении 1,4-5,6 МПа с участием водорода и в присутствии различных катализаторов (молибден, платина, окиси хрома и молибдена и др.). В процессе риформинга преобразуется структура молекул углеводородов бензина, уменьшается содержание в нем низкооктановых и увеличивается содержание высокооктановых углеводородов. В результате бензин получается высокооктановым.

9.4. Производство аммиака, азотной кислоты и минеральных удобрений

Производство аммиака. Азот относится к группе химических элементов, играющих исключительно важную роль в живой природе и в жизни человека. Наряду с углеродом, кислородом и водородом азот является основным элементом, составляющим растительные и животные организмы. Он участвует в основных биохимических процессах, входит в состав питательных веществ и пищевых продуктов.

Растения усваивают азот только из аммиачных и азотнокислых солей, находящихся в почве и накапливающихся там при гашении органических соединений. Однако связанного в почве азота недостаточно для интенсивного ведения сельского хозяйства, и поэтому необходимо применение азотных удобрений, на производство которых расходуется большая часть соединений азота, выпускаемых промышленностью. Наиболее экономичным способом оказался синтез аммиака из азотоводородной смеси, в настоящее время более 95% связанного азота получают по этому способу.

Аммиак NH₃ представляет собой при нормальном давлении и температуре бесцветный газ с резким характерным запахом. Жидкий аммиак – бесцветная прозрачная жидкость плотностью 0,68 г/см3, кипящая при – 33,4°С. Аммиак обладает восстановительными свойствами, он хорошо растворим в воде, 25%-й раствор его в воде называют нашатырным спиртом. Аммиак используется в качестве удобрения, которое вносится в почву в жидком виде, он применяется в холодильной, металлургической промышленности, при производстве пластмасс, фотореактивов и т.п. Часть аммиака перерабатывается в азотную кислоту и минеральные удобрения.

Для синтеза аммиака необходимо иметь азот, водород в соотношении 1:3. Источником азота служит атмосферный воздух, водорода – метан, другие углеводороды.

В состав воздуха входит 78% азота, 21% кислорода, около 1% аргона и от 0,1 до 2% водяных паров. Разделение воздуха на составные части основано на различии их температур кипения, так, кислород кипит при –182,9°С, аргон при –185,7°С, азот при –195,8°С. Для разделения воздуха вначале его сжижают охлаждением ниже температуры кипения азота, а затем испаряют в ректификационных колоннах, в которых и осуществляется разделение воздуха на азот и кислород. Существуют аппараты одно- и двухкратной ректификации. При однократной ректификации в колоннах получают азот с содержанием в нем 7% О2. Аппарат двухкратной ректификации работает следующим образом: сжатый воздух, охлажденный в предварительном теплообменнике, поступает в змеевик, расположенный в нижней части колонны. Воздух охлаждается воздушно-кислородной смесью, дросселируется, и пары, обогащенные азотом, поднимаются по колонне вверх и конденсируются в испарителе. Конденсат, обогащенный кислородом, стекает вниз, а пары азота поднимаются вверх и по пути очищаются от кислорода жидким азотом, стекающим сверху. Чистый азот отбирается из верхней колонны. Мощности современных установок разделения воздуха составляют от 3 до 17 тыс. м3/ч азота.

Водород, необходимый для синтеза аммиака, добывают в промышленности различными способами: конверсией метана; конверсией окиси углерода; разделением коксового газа; электролизом воды.

Природный газ содержит до 98% метана. Процесс получения водорода из природного газа состоит из ряда последовательных стадий. Вначале проводят конверсию метана водяным паром и кислородом по уравнениям реакций:

CH₄ + H₂O CO + 3H₂ – 206,4 кДж

СН₄ + ½О₂ СО + 2Н₂ + 35,6 кДж

Далее осуществляют конверсию окиси углерода:

СО + Н₂О СО₂ + Н₂ + 41,0 кДж

Затем следует очистка газовой смеси от СО2и остаточной СО.

Процесс конверсии метана проводят под давлением, близком к атмосферному, реакция идет с поглощением тепла и увеличением объема. Конверсия метана проходит при температуре 800-1100°С с применением катализатора (никеля, нанесенного на окись алюминия или на окись магния) и при 1350-1400°С без катализатора.

Каталитическую конверсию метана осуществляют в шахтных конвертерах – реакторах, футерованных изнутри огнеупорным кирпичом и снабженных водяной рубашкой.

Полученные для синтеза аммиака азот и водород или их смеси подвергаются очистке от кислородо- и серосодержащих соединений, являющихся каталитическими ядами.

Очистку газов производят при помощи жидких или твердых поглотителей или вымораживанием, т.е. переводом примесей в жидкое или твердое состояние.

Синтез аммиака происходит по реакции:

N₂ + 3H₂ 2NH₃ + Q

и является обратимым процессом, протекающим с уменьшением объема и выделением тепла. Следовательно, с повышением давления и понижением температуры равновесие реакции синтеза смещается в правую сторону.

Синтез аммиака проводят в реакторе – колонне синтеза, изготовленной из хромованадиевой стали, высотой 12-20 м и внутренним диаметром 1,0-1,4 м. Снизу и сверху колонна закрывается крышками. В верхней части колонны расположен катализатор, а в нижней – теплообменник. Азотоводородная смесь поступает в верхнюю часть колонны, проходит сверху вниз и поступает в теплообменник, после чего газ поднимается вверх по кольцевому пространству. Азотоводородная смесь, нагретая до 400-420°С, поступает на слой катализатора, где поддерживается температура 450-520°С. Прореагировавший газ (продукт) поступает в трубки теплообменника, где охлаждается и выводится из колонны при 90-100°С.

Колонны синтеза обеспечивают производительность аммиака от 150 до 1500 т/сутки. Срок службы катализатора – около двух лет.

После охлаждения аммиак конденсируется и отделяется от газа, а непрореагировавшая азотоводородная смесь при помощи циркуляционного компрессора возвращается в аппарат.

На Украине аммиак производится на Новомосковском и Горловском азотнотуковых заводах.

Производство азотной кислоты. Азотная кислота – одна из важнейших минеральных кислот. Безводная азотная кислота HNО3представляет собой тяжелую бесцветную жидкость (плотность 1,52 г/см3), дымящуюся на воздухе. Она кипит при 86°С и замерзает при – 47°С.

Азотная кислота – сильный окислитель. Концентрированная азотная кислота превращает большинство металлов в соответствующие окислы и нитраты. Она широко применяется в промышленности. Большая часть азотной кислоты расходуется на производство удобрений, взрывчатых веществ, ракетного топлива, синтетических красителей и волокон, различных пластмасс и т.п.

Промышленностью выпускаются 3 сорта разбавленной (45-55%) и 2 сорта концентрированной (97-98%) азотной кислоты.

Процесс получения разбавленной азотной кислоты из аммиака основан на следующих реакциях:

1) контактное окисление аммиака до окиси азота:

Процесс контактного окисления аммиака проходит только при высоких температурах (выше 800-900°С) в присутствии катализаторов, ускоряющих реакцию (в качестве которых служат платина и ее сплавы, окиси железа, марганца, кобальта и др.) Окисление аммиака ведут в реакторах конвертерного типа, диаметром 1,5-2,5 м. Катализаторные сетки помещаются в центральной части аппарата. Аммиачно-воздушная смесь подается в верхнюю часть реактора, нижняя часть охлаждается воздухом. Здесь размещен выход нитрозных газов.

Последующие две реакции (окисление NO и абсорбция NO2водой) осуществляются в одной и той же аппаратуре. Окисление – самая медленная из всех реакций, она идет с уменьшением объема и до 150°С протекает в сторону образования NO2, а при более высокой температуре сдвигается влево. Повышение давления в значительной мере ускоряет реакцию. Поэтому на установках при повышенных давлениях (до 106 Н/м2) окись азота практически полностью окисляется до NO2).

Абсорбция двуокиси азота водой представляет конечную стадию производства азотной кислоты. При переработке нитрозных газов в системах, работающих под давлением с использованием смеси аммиака (10-12%), получают разбавленную 45-50%-ю азотную кислоту (при повышенных до 106Н/м2давлениях – до 60-62% НNO3).

Для отдельных производств требуется не разбавленная азотная кислота, а концентрированная с содержанием НNO3выше 96%. Такую кислоту получают путем концентрирования разбавленной кислоты. Сущность этого процесса заключается в перегонке разбавленной азотной кислоты в присутствии водоотнимающего средства – концентрированной серной кислоты. Последняя связывает воду, содержащуюся в разбавленной азотной кислоте. Перегонку азотной кислоты ведут в тарельчатых барботажных колоннах, изготовленных из кислотоупорного чугуна, устойчивого по отношению к серной и азотной кислотам.

Серную кислоту подают на одну из верхних тарелок, а несколько ниже – разбавленную азотную кислоту. Нагревание смеси осуществляется острым паром (180-200°С), вводимым в нижнюю часть колонны. Пары концентрированной азотной кислоты направляются в конденсатор, где кислота конденсируется, а нитрозные газы направляются на дальнейшее улавливание.

Отработанная 70%-я серная кислота вытекает снизу колонны, поступает без охлаждения непосредственно на упаривание. Расход крепкой серной кислоты составляет 3-4 т на 1 т крепкой азотной кислоты. Для возврата отработанной серной кислоты в процесс ее необходимо концентрировать, что связано с потерями топлива, кислоты и сильной коррозией аппаратуры.

2) Поэтому в последнее время процесс получения концентрированной азотной кислоты ведут путем прямого синтеза этой кислоты из жидкой двуокиси азота по уравнению:

Процесс ведут в специальных автоклавах под давлением
5•106 Н/м2и температуре 75°С.

Слабая азотная кислота (45-60%) хранится