Властивості, застосування та виробництво основних неорганічних кислот та аміаку

 Найважливішими неорганічними кислотами є сірчана, азотна, соляна та фосфорна.

Кислоти – це хімічні сполуки, які при дисоціації утворюють іони водню та кислотного залишку.

Сірчана кислота. Сірчану кислоту випускають у найбільшій кількості (у 1980 р – 23 млн. т.), недаром її називають “хліб хімії”.

За властивостями це прозора, важка, масляниста рідина, щільністю 1,84 г/см³, дуже активна – розчинює всі метали, крім благородних, гігроскопічна – жадно поглинає воду.

Сірчана кислота має дуже широке застосування, а саме:

- одержання других кислот,

- виробництво добрив,

- у гідрометалургії – вилучення металів з руд,

- у виробництві полімерних матеріалів,

- у текстильній промисловості,

- для очищення нафтопродуктів.

У промисловості сірчану кислоту одержують з оксиду сірки (IV), шляхом окислення його в присутності каталізаторів до оксиду сірки (VI) з послідуючим приєднанням води

 

 

В залежності від способу окислення оксиду сірки (IV) розрізнюють нітрозний і контактний способи виробництва сірчаної кислоти.

Нітрозний або баштовий спосіб більш старий і в наш час майже не застосовується.

Контактний спосіб вироблення сірчаної кислоти винайдений на початку ХІХ століття, ним кислота виробляється концентрована, чиста.

Основною сировиною для виробництва сірчаної кислоти є залізний колчедан (піріт) – FeS₂. Використовують також інші природні матеріали і промислові відходи, які вміщують сірку – сірка, сульфати – гіпс, гази нафтопереробки.

Виробництво сірчаної кислоти контактним способом складається з чотирьох стадій:

1. Випалювання колчедану і одержання оксиду сірки (IV).

2. Очищення газу від пилу.

3. Окислення оксиду сірки (IV) до оксиду (VI).

4. Абсорбція оксиду сірки (VI).

Кожна стадія характеризується своїми фізико-хімічними особливостями.

Перша стадія – одержання оксиду сірки (IV) шляхом випалювання залізного колчедану в присутності кисню повітря при атмосферному тискові в печах різної конструкції.

Процес протікає за слідуючим рівнянням:

Друга стадія – очищення газу від пилу. В сірчанокислотній промисловості застосовуються механічні та електричні способи очищення газу від пилу, за допомогою циклонів, фільтрування через пористі матеріали та при допомозі електрофільтрів.

Видалення хімічних домішок здійснюється шляхом промивання газу розчином сірчаної кислоти, висушування – промиванням концентрованою сірчаною кислотою.

Третя стадія – окислення оксиду сірки (IV) до оксиду (VI)

Окислення ведеться у контактних апаратах з нерухомим шаром каталізатору, використовується оксид ванадію (U₂O₅) з активатором, найчастіше оксид калію (K₂O), які осаджуються на пористих алюмосилікатах. Температура окислення, з початку процесу, біля 600°С, а потім до 400°С, у відповідності з принципом Ле-Шательє.

Четверта стадія – абсорбція оксиду сірки (VI) сірчаною кислотою (98,3%) у баштах з насадкою. Газ поступає з трубчатого холодильника в нижню частину башти, а зверху ллється сірчана кислота. Одержується олеум – розчин оксиду сірки (VI) у сірчаній кислоті (низькоконцентрований -18,5-20% і висококонцентрований - 65±1,5%), з якого взаємодією з водою одержують сірчану кислоту.

Процес абсорбції проводиться при пониженій температурі.

Олеум не корозірує сталь, тому може транспортуватися у стальних цистернах.

Біля 30% сірчаної кислоти одержують з сірки. Схема цього виробництва більш проста, ніж при випалюванні колчедану. Шляхом спалювання сірки одержують оксид сірки (IV): S+O₂®SO₂+Q який не має домішок і зразу направляється у контактний апарат на окислення, а далі як звичайно.

Аміак. Азот один з найважливіших елементів, забезпечуючих життєдіяльність живих організмів. Для життєдіяльності організмів необхідний зв’язаний в різних речовинах азот, але в такому вигляді його в природі мало.

Невичерпним джерелом азоту є повітря, яке і використовується для одержання аміаку.

Аміак знаходить широке застосування, для одержання азотної кислоти, азотних добрив, фарбників, полімерних матеріалів, застосовується у холодильній техніці та ін.

Виробництво аміаку складається з трьох стадій:

1. Одержання азотоводневої суміші.

2. Очищення цієї суміші.

3. Власне синтез аміаку.

Перша стадія. Азот отримують з повітря шляхом глибокого його охолодження до рідкого стану з послідуючою ректифікацією – відділенням від кисню. Водень одержують електролізом водних розчинів кухонної солі, або з кокосового та природного газу.

Друга стадія. Очищення газової суміші, в основному від сірки шляхом гідрірування на кобальтомолібденовому каталізаторі при 350-450°С.

Третя стадія. Синтез аміаку проводиться по реакції:

N₂+3H₂®2NH₃+Q

і протікає достатньо швидко тільки в присутності каталізаторів – пористе залізо з вмістом активаторів (калію, кальцію і силіцію). Синтез відбувається у колонах синтезу аміаку. Ці колони великої одиничної потужності мають чотири полиці з каталізаторами.

На першій (в напрямку руху газу) знаходиться низькотемпературний каталізатор (350-500°С), на другій – середньотемпературний (450-550°С), на третій і четвертій – високотемпературний (550-700°С).

Сильний вплив на синтез аміаку має також тиск.

Промислові системи синтезу аміаку під тиском ділять на три групи:

1. Під низьким тиском – до 10 мПа;

2. Під середнім тиском – до 20-30 мПа;

3. Під високим – до 75-100 мПа.

У світовій практиці частіш усього застосовують системи середнього тиску до 20-30 мПа.

Азотно-воднева суміш, під тиском турбокомпресору, здавлюється і направляється через аміачний холодильник і сепаратор та два теплообмінники, де нагрівається до 425°С, в колону синтезу (діаметр 2,1м, висота до 25м). суміш в умовах тиску біля 30 мПа реагує з одержаним 15-20% аміаку. Одержаний аміак охолоджується в теплообмінниках до 25-40°С і зріджується. Частина газової суміші, що не прореагувала, повертається у виробничий цикл.

Азотна кислота (HNO₃). Безбарвна рідина, дуже активна, сильний окислювач. Виробляється з двох концентрацій: 50-60% та 96-98%.

Застосовується для одержання азотних добрив, вибухових речовин, фарбників, пластмас, кіноплівок, як окислювач ракетного палива.

Одержують з аміаку шляхом його окислення.

Виробництво складається з слідуючих стадій:

1 стадія – контактне окислення аміаку до оксиду азоту (ІІ) проводиться при температурі 750⁰С на платинову каталізаторі, окислення досягає 100%.

4NH₃+5O₂®4NO+6H₂O+Q

2 стадія – окислення оксиду азоту (ІІ) до оксиду (IV)

2NO+O₂®2NO₂+Q

3 стадія – абсорбція оксиду азоту (IV) водою з отриманням азотної кислоти:

3NO₂+H₂O®2HNO₃+NO+Q

Для окислення аміаку застосовують декілька типів контактних апаратів.

Окислення оксиду (ІІ) до оксиду (ІV) проходить при охолодженні до температури нижче 100°С, краще при підвищеному тискові. Окислення проходить в абсорбційній колоні, в якій воно іде паралельно з абсорбцією водою. Повітря для окислення поступає разом з нітрозними газами знизу, де проходить поглинання їх водою.

При атмосферному тиску одержують кислоту концентрації 48-50%, а в установках з підвищеним тиском – більш високої концентрації.

Для виробництва концентрованої кислоти її концентрують шляхом перегонки з концентрованою сірчаною кислотою.

Соляна кислота. Представляє собою водний розчин хлористого водню.

Це рідина з різким запахом, дуже сильна, концентрацією біля 37%, щільність 1,19 г/см³.

Застосовується у гідрометалургії платини, золота, срібла, у нафтохімічній промисловості, при гідролізі деревини, при дубленні шкір та їх фарбуванні, при фарбуванні тканини, у виробництві барвників та інших виробництвах.

Хлористий водень одержують двома способами:

1 спосіб – дією сірчаної кислоти концентрації 92-93% при 500-550°С на кухонну сіль з послідуючим розчиненням хлористого водню у воді:

2NaCl+H₂SO₄®2HCl+Na₂SO₄

2 спосіб – синтезом хлористого водню і хлору:

H₂+Cl₂®2HCl

Процес проводять у апаратах, що називаються печами синтезу, бувають з повітряним та водяним охолодженням.

Найбільш широко застосовують печі з вуглецевих та легованих жаростійких сталей. Матеріалом для печей синтезу може служити кварц, вуглецеві сталі футеровані керамікою, шамотом або графітом. Форма корпусу близька до форми факелу полум’я реагуючих хлору та водню, які подаються знизу, температура факелу 2000-2400°С.

Фосфорна кислота. (H₃PO₄) – прозора, слабо жовта рідина при концентрації 88%, щільністю 1,87 г/см³, кислота середньої активності.

Застосовується для виробництва фосфорних та комплексних добрив, кіноплівки, сірників, для вогнезахисного насичення тканин, у органічному синтезові, харчовій промисловості, для одержання газованої води та кондитерських виробів.

Промисловість виробляє екстракційну (50%) кислоту, одержувану розкладом апатитового концентрату сірчаною кислотою і термічну (73%), одержану при поглинанні водою п’ятиоксиду фосфору (P₂O₅), що утворюється при спалюванні фосфору.