Рассмотрено на заседании кафедры УТВЕРЖДАЮ
учителей естественнонаучного образования Директор МОУ «Хибинская гимназия»
МОУ «Хибинская гимназия» ____________________
Протокол № 5 от «26» мая 2010г. Приказ № 16, от «30» августа 2010г.
Руководитель кафедры ____________ М. П.
Принято на НМС
Протокол № 6 от «03» июня 2010г.
Руководитель НМС_________________
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
элективного курса по химии
«Основы промышленного синтеза».
для 11-х классов
на 2010/2011 учебный год
Программу разработала:
Учитель химии высшей кв. категории
МОУ «Хибинская гимназия»
Мурманская область, г. Кировск
Пояснительная записка.
Основной целью изучения данного элективного курса является расширение научного кругозора обучающихся профильного естественно-математического класса по химии, оптимизация подготовки обучающихся данного класса в ВУЗы в соответствии с выбранной ими специальностью.
Задачи курса:
Познакомить учащихся с основами идеями химической технологии, вооружить первоначальными инженерно-химическими знаниями и умениями. Ограничиваясь небольшим числом производственных процессов и химических реакций, рассматривая их как модели, выявить закономерности химической технологии. Способствовать дальнейшему развитию ОУУН: анализ, синтез, обобщение, обоснование выводов на основе критического осмысления фактов.Продолжительность изучения курса 34 часа (1 час в неделю) в течение одного учебного года.
Весь курс делится на две части. Первая часть – «Технология неорганических продуктов»,вторая – «Промышленный органический синтез». При рассмотрении основных вопросовкурса предусмотрено чередование теоретических и практических занятий. Большое внимание при работе над изучение вопросов данного элективного курса уделено производству фосфорных удобрений, как теме, связанной с работой горно-промышленного комплекса г. Кировска Мурманской области.
По результатам работы над каждой темой проводится итоговый контроль в форме тестового опроса, самостоятельной работы по расчетной части темы.
По окончанию курса обучающиеся выполняют итоговое тестирование, включающее ЗУН по всему элективному курсу, частично включающее вопросы данного элективного курса,
вошедшие в единый государственный экзамен по химии.
По окончании элективного курса «Основы промышленного синтеза» обучающиеся должны знать: химические реакции, лежащие в основе главных химических производств страны, общие закономерности промышленных химических производств.
По окончании элективного курса «Основы аналитической химии» обучающиеся должны уметь: предсказывать оптимальные условия химического производства, опираясь на характеристики реакции лежащей в его основе, производить расчеты по данным практического выхода любой стадии производства.
Элективный курс:«Основы промышленного синтеза».
(для 11–го класса - 34 часа (1 час в неделю))
Планирование занятий курса:
Название темы | Содержание темы | Количество часов |
Введение | Что такое химическая технология и чем она занимается. | 1 час |
I. Часть: Технология неорганических продуктов | 25 часов | |
1. Тема: Серная кислота (6 часов) | Почему серная кислота является одним из важнейших химических продуктов. Применение серной кислоты. Выбор сырья. Физико-химическая характеристика реакции горения серного колчедана. Оптимальные условия обжига колчедана. Сжигание серы. Сжигание сероводорода. Физико-химическая характеристика реакции окисления сернистого газа кислородом. Оптимальные условия окисления сернистого газа. Реакция оксида серы (IV) с водой. Решение расчетных задач с использованием реакций химического производства серной кислоты. Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 час 1 час 1 час 1 час |
2.Тема: Синтез аммиака (4 часа) | Проблема синтеза азотных удобрений. Синтез окиси азота. Физико-химическая характеристика синтеза аммиака. Оптимальные условия промышленного синтеза аммиака. Оптимальная схема синтеза аммиака, устройство реактора. Решение расчетных задач с использованием реакций химического производства аммиака. Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 час 1 час |
3. Тема: Азотная кислота ( 5 часов) | Почему азотная кислота играет в современной жизни не меньшую роль, чем серная. Из какого сырья, посредством каких реакций производят азотную кислоту. Физико-химическая характеристика реакции окисления аммиака. Оптимальные условия окисления аммиака в оксид азота (II). Физико-химическая характеристика реакции окисления оксида азота (II). Оптимальные условия окисления оксида азота (II). Физико-химическая характеристика реакции оксида азота (IV) cводой. Оптимальные условия образования азотной кислоты. Оптимальная технологическая схема производства разбавленной азотной кислоты. Решение расчетных задач с использованием реакций химического производства азотной кислоты. Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 час 1 час 1 час 1 час |
4. Тема: Азотные удобрения (2 часа) | Какие азотные удобрения целесообразно производить. Свойства нитрата аммония, карбамида. Качественные реакции на ионы входящие в состав азотных удобрений. Практическая работа: «Распознавание азотных удобрений» | 1 час 1 час |
5. Тема: Металлургия (4 часа) | 1.Понятие о металлургии. Реакции лежащие в основе производства чугуна. Работа доменной печи. 2.Выплавка стали мартеновским и конверторным способом. 3. Производство алюминия 4.Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 час 1 час |
6. Тема: Фосфор и его соединения (4 часов) | Почему производство фосфора и его соединений имеет жизненное значение для человечества. Сырье для производства фосфорных удобрений. Схема работы обогатительного комплекса Какие задачи решает промышленность фосфорных удобрений. Свойства фосфорной кислоты. Какими способами можно получить фосфорную кислоту из природных фосфатов. Физико-химическая характеристика реакций природных фосфатов с серной кислотой. Оптимальные условия производства экстрагированной фосфорной кислоты. Практическая работа: «Распознавание фосфорных удобрений» | 1 час 1 час
1 час 1 час 1 час |
II часть: Промышленный органический синтез. | 8 часов | |
1. Тема: Химическая переработка метана (4 часа) | Какие химические продукты получают из метана. С помощью каких реакций можно получить из метана водород и окись углерода. Физико-химическая характеристика неполного окисления метана водяным паром. Оптимальные условия реакции метана с водяным паром. Свойства и применение ацетилена. Способы получения ацетилена. Физико-химическая характеристика реакций получения ацетилена из метана. Оптимальные условия реакции производства ацетилена из метана. Решение расчетных задач с использованием реакций химического производства ацетилена. Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 час 1 час |
2. Синтез метанола и этанола. (4 часа) | 1. Применение и способы производства метанола. Физико-химическая характеристика синтеза метанола из водорода и окиси углерода. Оптимальные условия реакции производства метанола. 2. Применение и способы производства этилового спирта. Физико-химическая характеристика прямой гидратации этилена. Оптимальные условия реакции производства этанола. 3. Решение расчетных задач с использованием реакций химического синтеза органических соединений. 4. Контрольный тест по теме. | 1 час 1 час 1 часа 1 час |
Рекомендуемые темы проектов по элективному курсу:
Способы выплавки стали (Проблема: себестоимость и качество выплавляемой стали зависит от строения промышленной установки для выплавки). Влияние химических предприятий Мурманской области на природу Кольского Севера (Проблема: побочные продукты химического производства оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды). Влияние химических предприятий Мурманской области на здоровье жителей нашего региона (Проблема: побочные продукты химического производства оказывают негативное влияние на состояние окружающей среды). Комплексное использование хвостов промышленного производства в целях народного хозяйства (Проблема: отходы промышленного производства содержат ценные компоненты, которые могут быть использованы для различных нужд человека). Разрушение озонового экрана вредными побочными продуктами промышленных производств Мурманской области.
Список литературы:
. Химия в промышленности - М.:«Просвещение», 1983. М. Фримантл. Химия в действии. - М.:«Мир», 1991. , . 2400 задач по химии для школьников поступающих в вузы – М.: «Дрофа» 1999.Занятие 1.
Что такое химическая технология и чем она занимается.
Успешно развиваться и совершенствоваться химическая промышленность может, только опираясь на науку. Эта наука химическая технология.
Химическая технология – наука о наилучших способах производства промышленных продуктов посредством химических реакций.
Но химические реакции сейчас используют во многих отраслях промышленности (например, в текстильной, нефтеперерабатывающей и др.). Какие производства можно считать химическими? В химической отрасли химические реакции составляют основу производственных процессов: это получение неорганических кислот, щелочей, минеральных удобрений, красителей, фотоматериалов, лекарственных веществ, пластических масс, химических волокон, каучуков.
Когда возникла химическая технология?
Скачком в развитии человечества считается овладение реакцией горения. Всего несколько тысяч лет назад отделяет нас от того времени, когда люди впервые пользуясь огнем, овладели искусством обжигать вылепленные из глины изделия, плавить самородные металлы. В древнем Египте, Китае, Риме, Греции широко применялись красители, дубители, изделия из меди, олова, бронзы, серебра, бронзы (сплав меди и олова), свинца, железа. В средние века были открыты серная, соляная, азотные кислоты, исследованы многие минералы и, что существенно, разработаны методы исследования: растворение, кристаллизация, сушка, фильтрование и т. д. Но возникновение химической технологии связано с промышленной революцией, с появлением машинного производства. В отличии от ремесленного оно представляет не что иное, как техническое применение естественных наук.
«…Машинное прядение выдвинуло необходимость машинного ткачества, а оба они вместе сделали необходимой механико-химическую революцию в белильном, ситцепечатном и красильном производствах» ( 23).
Химическая технология возникла во второй половине18 века. С середины 19 века устанавливаются связи химии с сельским хозяйством - кладется начало производству минеральных удобрений, достигшему в настоящее время огромных размеров (мировое производство азотных удобрений, в пересчете на азот, составляет около 54 млн. тонн ежегодно). Вторая половина 19 века отмечена новыми блестящими достижениями химической технологии – промышленным синтезом красителей и лекарственных препаратов. Последние десятилетия химической промышленности проходят под знаком развития производства синтетических высокомолекулярных материалов.
Из каких материалов производят химические продукты?
Все материалы поступающие на заводы для переработки путем химических реакций, независимо от того, как они получены – это химическое сырье.Например, сырье для производства водорода – природный газ, аммиака – водород и азот, азотной кислоты – аммиак, вода и кислород воздуха, аммиачной селитры – аммиак и азотная кислота.
Основа химического производства – ископаемое минеральное сырье, добываемое горнорудной промышленностью. Минеральное сырье делят не рудное, нерудное и горючее. Рудное – для получения металлов и сплавов. Нерудное – для получения химических продуктов. Эта классификация условна. Например, переработка сульфидных руд цветных металлов сочетает получение металла с производством серы и серной кислоты. Наиболее важные виды нерудного сырья - поваренная соль, сера и серный колчедан, апатиты и фосфориты (хотя часто говорят «апатитовые руды»).
Горючее сырье в большей степени использую как топливо, но на сегодняшний день его рассматривают как важнейший вид химического сырья для производства минеральных удобрений (водород получают из метана, обработкой его водяным паром), красителей, фармацевтических препаратов, средства защиты растений и животных, пластмассы, волокна, каучуки.
Немаловажное значение имеет растительное и животное сырье: древесина, кожа, шерсть, шелк, отходы сельскохозяйственного производства. Древесина – химическое сырье для производства целлюлозы, бумаги, искусственного шелка.
Проблема выбора сырья.
Основной критерий выбора сырья – экономическая эффективность.
В 1932 году в Ярославле был пущен первый завод по производству синтетического каучука. На этом и пущенным вскоре других заводах сырьем служил выделенный при переработке картофеля этиловый спирт. Вскоре удалось заменить спирт синтетическим, а затем и вовсе отказаться от использования спирта. Каучук стали получать из нефтяных газов. Благодаря этому были достигнуты успехи производства каучуков в четырех направлениях:
Обеспечение производства каучука практически выгодными сырьевыми ресурсами; Возможность размещения заводов в соответствии с требованиями потребителей в связи с сооружением многочисленных нефте - и газопроводов; Возможность производства каучуков различного состава с особо ценными свойствами; Резкое удешевление каучуков и изделий, на их основе.Воздух – важнейшее химическое сырье. Небесплатное.Его нужно тщательно очищать и расходовать энергию для транспортировки. Воздух применяют для проведения окислительных реакций в производстве серной кислоты, азотной, фосфорной. Неочищенный воздух может отравить катализаторы. Воздух – сырье для получения кислорода, азота, аргона.
Вода – сырье – самый доступный и дешевый растворитель веществ. Ее роль состоит в регулировании работы промышленного производства (понизить теплоту реакции). Вода – теплоноситель.
Почему на заводах сырье не превращается полностью в продукт, и какие условия благоприятствуют экономному его использованию.
Почему:
Обратимость химических реакций. В связи с зависимостью скорости реакций от концентраций реагирующих веществ, при приближении к концу, реакции протекают настолько медленно, что приходится отказываться от полного использования реагентов. многие реакции, особенно органические, могут протекать в нескольких направлениях с образование нежелательных продуктов. Разгерметизация транспортной и реакционной аппаратуры.Какие данные необходимы для вычисления практических выходов продуктов.
Состав сырья Проследить за изменения веществ на каждой стадии производства (сделать анализ промежуточных продуктов).На основе этой информации составляют материальный баланс на единицу массы продукта или сырья.
Материальный баланс обжига колчедана за 1 час по данным завода при выходе в 100%
Вещество | Приход в кг | Вещество | Расход в кг |
Колчедан Влага колчедана Сухой воздух Влага воздуха | 18768 1198 49400 358 | Оксид серы IV Оксид серы VI Кислород Азот Водяной пар Огарок | 15337 129 1063 37600 1556 14038 |
всего | 69724 | всего | 69724 |
Для контроля расхода энергии также составляют баланс, но уже тепловой.
Приход | Количество энергии в тыс. КДЖ | Расход | Количество энергии в тыс. КДЖ |
Теплота горения колчедана Теплота колчедана и воздуха | 100657 1307 | Теплота газов Теплота огарка Потери в окружающую среду Получение водяного пара из охлаждающей воды | 46128 8380 1022 46434 |
всего | 101964 | всего | 101964 |
Почему серная кислота является одним из важнейших химических продуктов. Применение серной кислоты. Выбор сырья.
Нет ни одной отрасли химического производства, в которой бы не применялась серная кислота. Ее применяют более чем для 1000 целей.
Безводная серная кислота кристаллизуется при довольно высокой температуре (10,3 С), При температурах свыше 200 С протекает эндотермическая обратимая реакция:
H2SO4=SO3 + H2O – Q
При температуре 500 С равновесие смещается полностью в сторону продуктов разложения.
С водой серная кислота образует растворы любой концентрации, при этом выделяется очень много теплоты.
В серной кислоте хорошо растворяется оксид серы (IV). Такой раствор называю - олеум.
Сильный электролит. Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства. Реагирует со многими органическими соединениями, обладает каталитическими свойствами. Серная кислота обладает свойствами, которые открывают возможность для ее разностороннего использования.
Сырье для производства серной кислоты имеется в природе в больших количествах, добыча его не связана с какими-то трудностями, способы производства сравнительно не сложны и поэтому себестоимость продукта невысока.
Применение серной кислоты.
Для получения других кислот, сульфатов. Дегидратирующее вещество – осушка газовых смесей. Дегидратирующая способность в сочетании с высокой температурой кипения позволяет использовать ее для нитрования органических веществ. Сульфирует органические соединения – получение органических продуктов, являющихся сырьем красителей и лекарственных препаратов.
Очистка нефтепродуктов от примесей, которые при хранении нефтепродуктов осмоляются и загрязняют их.
В больших количествах она используется для производства фосфорной кислоты - сырья для производства концентрированных удобрений.
Большие количества ее расходуются на производства оксида титана, СМС, некоторых химических волокон.
Выбор сырья.
У нас в стране добыча самородной серы за последние годы сильно увеличилась и применение ее в сернокислом производстве растет. Территория России богата месторождениями сульфидных руд: серного колчедана, сульфидов цветных металлов.
Ранее только серный колчедан использовали как сырье для производства серной кислоты, а сульфиды цветных металлов как сырье для производства металлов. В первом случае оксид железа шел в отвал, а во втором случае в атмосферу выделялся ядовитый газ, так как первой стадией производства цветных металлов является обжиг руды.
Хотя огарок (оксид железа) можно использовать для производства чугуна, а сернистый газ для производства серной кислоты. На сегодняшний день на заводах цветной металлургии предусмотрено использование побочного продукта – сернистого газа для производства серной кислоты. Объем производства растет, загрязнение атмосферы уменьшается.
Многие руды цветных металлов до обжига обогащают флотацией, получая концентрат и отход – флотационный серный колчедан, ценнейшее сырье для производства серной кислоты. Флотация («всплывание») – сложный физико-химический процесс, один из наиболее совершенных методов обогащения руд. Метод основан на различии в смачиваемости поверхности твердых материалов жидкостями.
Если ввести измельченную руду в жидкость (в воду), то одни минералы будут смачиваться, а другие - нет. Если через суспензию измельченной руды в жидкости пропустить воздух, то при интенсивном перемешивании образуется эмульсия воздуха в воде. Частицы минералов несмачиваемые водой прилипают к пузырькам воздуха и, покрывая их сплошным слоем, выносится на поверхность жидкости. Минерализованная пена вытекает из сосуда и после самопроизвольного ее разрушения остается концентрат, содержащий извлекаемый минерал в концентрированном виде. Со дна флотационного аппарата удаляются флотационные хвосты.
Многие природные горючие газы содержат сероводород, от которого их нужно очищать. Так как у нас в Стране добыча природных газов растет быстрыми темпами, то сероводород приобретает большое значение в сернокислом производстве (очистка природного газа мощного Оренбургского месторождения может дать более одного миллиона тонн серы в год, Бухарского – 0,5 миллиона тонн в год). Техника производства серной кислоты из сероводорода, не содержащего ядовитых для катализатора примесей, значительно проще, чем из сульфидных руд. Самой дешевой на сегодняшний день является кислота, полученная из сероводорода.
Физико-химическая характеристика реакции горения серного колчедана. Оптимальные условия обжига колчедана. Сжигание серы. Сжигание сероводорода.
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8 SO2 + Q
Характеристика реакции: экзотермическая с большим тепловым эффектом. Необратимая – можно полностью сжечь колчедан. Гетерогенная.
Скорость реакции растет при повышении концентраций реагирующих веществ и температуры. Опыт показывает, что горение серного колчедана начинается только после подогревания до определенной температуры, при которой реакция идет с заметной скоростью (примерно 400 С). В дальнейшем температура поддерживается за счет выделяющейся теплоты. Если сжигать колчедан без избытка воздуха, то температура повысится настолько, твердый материал начнет спекаться. Максимальная температура, до которой можно довести процесс без спекания – 800 С.
Можно ли сжигать очень мелкие частицы колчедана?
Если частицы очень маленькие, то слой становиться очень плотным и газу трудно пройти через него. Это ограничивает размер частиц до 5 мм. Недавно был реализован в промышленности способ проведения реакций между газами и твердыми веществами, позволяющий преодолеть это противоречие. Если газ пропускать через слой мелких частиц с такой скоростью, что слой разрыхляется, частицы начинают витать в токе газа, перемещаются в различных направлениях, перемешиваются друг с другом. Такое состояние слоя получило название кипящего или псевдоожиженного, так как по внешнему виду он напоминает кипящую жидкость. Скорость реакции в кипящем слое во много раз выше скорости при обычном режиме слое из-за увеличения площади соприкосновения реагентов.
Оптимальные условия для обжига колчедана.
Учитывая общие принципы организации современных производств, следует проводить обжиг в установках непрерывного действия, большой единичной мощности, механизированных и автоматизированных.
Предпочтительнее в качестве сырья применять флотационный колчедан, а не природный. Желательно, чтобы в нем содержалось больше дисульфида железа. Поэтому флотационные хвосты подвергают вторичной флотации и получают продукт, содержащий в среднем 45% серы (считая на сухой колчедан). Величина зерен флотационного колчедана менее 1мм. Он сгорает в кипящем слое за несколько секунд. Следовательно, целесообразно выбрать для обжига печь с кипящим слоем.
Реакция сильно ускоряется даже при небольшой добавке к воздуху кислорода, но относительно высокая стоимость кислорода препятствовала до сих пор использование его в сернокислом производстве. Однако произведенные в последние годы расчеты и промышленные опыты показали, что при повышении концентрации кислорода до 60% по объему настолько увеличивает количество водяного пара, получаемого за счет теплоты реакции, что полностью покрывает потребность в энергии всего сернокислого цеха, включая и установку для разделения воздуха. Тем более, если оптимальная температура процесса 800 С, а тепло не отводить, то она повысится до 1400 С.
Итак, оптимальная температура поддерживается:
Использование кипящего слоя (равномерность разогревания) Теплоту отводят для отопления Регулируют количество кислорода в подаваемом воздухеПолучают газ с высоким содержанием оксида серы – 14,5 % по объему.
Мощность печей – 2000 т в сутки.
Сжигание серы.
Выплавку серы осуществляют в зависимости от условий залегания или под землей, или после того, как руда поднята на поверхность. Подземная выплавка производится на одном из месторождений Средней Азии (ромбическая сера плавится при 112,8 С, вязкость жидкой серы понижается при нагревании до 160 С).
Полученный при сжигании серы сернистый газ не содержит оксида мышьяка (III) и других примесей отравляющих катализатор. Проводить обжиг можно при температуре 1400 С и сжигать серу полностью.
Сжигание сероводорода.
Реакция гомогенная, экзотермическая, необратимая. Полученный сернистый газ также не содержит примесей и сразу поступает в контактный аппарат. Это экономически выгодно. Однако сероводород необходимо перерабатывать непосредственной в районе его получения – транспортировка не желательна.
Физико-химическая характеристика реакции окисления оксида серы (сернистого газа) кислородом.
Зависимость равновесного выхода от температуры (давление атмосферное, начальный состав поступающей на окисление газовой смеси по объему – 7% сернистого газа, 11% - кислорода, 82% азота).
Температура в С | Равновесная степень окисления сернистого газа в % |
400 450 500 550 600 650 1000 | 99,2 97,5 93,4 85, 5 73,4 58,5 5 |
Следовательно, что при температурах свыше 1000 С равновесие практически смещено в сторону исходных веществ, а при температуре ниже 400 С сернистый газ может полностью окислиться.
Зависимость равновесного выхода от давления при температуре 600 С
Давление в МПа | Равновесная степень окисления сернистого газа в % |
0,0981 0,981 9,81 | 73,4 89,5 96,4 |
Задание: построить графики зависимости.
Уже более 200 лет открыт способ производства серной кислоты с применением катализатора.
На основании экспериментально измеренных скоростей окисления составлено уравнение скорости реакции:
k1* k2* p O2*p SO2
V =
k1* p O2 + k2* SO2
где V – скорость реакции, k1 – константа скорости взаимодействия катализатора скислородом, k2 – константа скорости регенерации поверхности катализатора. pO2 ,pSO2 –
давление кислорода и сернистого газа в газовой смеси соответственно.
На платиновом катализаторе реакция протекает при температурах выше 350 С; на ванадиевом – при 400 – 450 С; на оксиде железа – 550 С.
Оптимальные условия проведения реакции.
Недорогой и сравнительно долговечный (3-5 лет) катализатор – оксид ванадия. Интервал температуры 450 – 620 С. Степень окисления близкую к 98% можно получить при температуре около 450 С при атмосферном давлении и избытке кислорода, но реакция при этих условиях идет медленно и производительность реактора мала.Оптимальным является такое решение: начинать реакцию следует при максимально высокой температуре и понижать ее постепенно в ходе реакции, с тем, чтобы на выходе из слоя катализатора установилась температура, диктуемая требованием смещения равновесия.
Реакция оксида серы (VI) с водой.
Экзотермическая, при умеренных температурах необратимая, гетерогенная.
Трудности: оксид серы (VI) очень быстро реагирует не только с водой, но и с водяным паром, всегда находящимся над водой. Температура конденсации серной кислоты высока, поэтому образующийся пар серной кислоты немедленно превращается в капельки серной кислоты, взвешенные в газовом потоке – сернокислый туман. Туманообразную серную кислоту не улавливают ни вода, ни водные растворы, на фильтры.
Производство азотной кислоты.
Свойства азотной кислоты: чистая 100% азотная кислота замерзает при (-41,2 С). При повышении температуры протекает реакция
4HNO3 ↔ 2H2O + 4NO2 + O2 –Q
Уже при обычной температуре эта кислота неустойчива. Ее водные растворы более устойчивы, причем стабильность растет с увеличением разбавления.
Промышленность выпускает несколько сортов кислоты:
а) концентрированная – (97-98%)
б) разбавленная - (ее называют «слабой», что неправильно) – (45-60%).
Основные стадии производства азотной кислоты из аммиака:
1. каталитическое окисление аммиака
2. окисление окиси азота до двуокиси
3. взаимодействие двуокиси азота с водой
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + Q
Выделяющийся оксид азота окисляется кислородом, и в конечном итоге двуокись может быть полностью превращена в азотную кислоту.
Физико-химическая характеристика каталитического окисления аммиака.
Данная реакция сложная(разветвленная) – параллельно может образовываться несколько продуктов (азот, N2O); экзотермическая, необратимая, гетерогенно-каталитическая.
Решающее значение имеет состав катализатора. Он должен быть селективным, стабильным, дешёвым. Селективность – это избирательность воздействия. При окислении аммиака на разных катализаторах, реакция протекает с образованием различных продуктов. На сплавах платины с родием и другими металлами до 98% аммиака превращается в NO, а остальные 2% - в азот. Реакция протекает быстро в десятитысячные доли секунды. Данные катализаторы сохраняют свою активность в течение года и более. Известны и другие катализаторы, окисление аммиака на которых происходит с таким же результатом. Это оксид железа оксиды кобальта и других металлов. Но наиболее важным свойством катализатора в этом случае является его селективность. Некоторые из оксидных катализаторов не уступают платиновым, но их избирательность уменьшается уже через 2-3 недели.
Платиновый катализатор удовлетворяет почти всем выше предложенным требованиям, но очень дорог. Окисножелезный катализатор обладает необходимой селективностью, он дешёв, но не стабилен.
Было принято решение проводить реакцию частично на платинородиевом катализаторе и окончательно на неплатиновом.
Целесообразно применять платинородиевый катализатор в виде сеток, сплетенных из тонких нитей (ДИАМЕТР - 0,1 мм). Если процесс проводят при атмосферном давлении, в аппарат укладывают три сетки, под более высоким давлением – 16-20 сеток.
Двухступенчатый катализатор в аппаратах, работающих при атмосферном давлении, состоит из одной сетки и слоя неплатинового катализатора.
Оптимальная температура процесса 800-850 С, именно при этой температуре образование NO наибольшее.
Все рассмотренные реакции идут с выделение тепла. Смесь аммиака с воздухом и тем более с кислородом взрывчаты. Выбирается такая скорость, чтобы время контактирования была около 0,0001 с, тогда выход NO максимальный.
Давление выбирается атмосферное, но в ряде случаев используют повышенное (объяснение позже).
Технологию производства крепкой азотной кислоты в России разработал инженер – технолог Иван Иванович Андреев. 19году под его руководством была изготовлена первая промышленная установка для производства азотной кислоты.
Физико-химическая характеристика каталитического окисления окиси азота.
Реакция обратимая, экзотермическая, гомогенная, с понижением давления, неразветвленная.
При температуре ниже 200 С реакция практически необратима, при температурах выше 700 – невозможна. Температура 75 С
Данная реакция является редким исключением из известного правила – «Скорость реакции с повышением температуры возрастает». При понижении температуры от 300 до 0 С скорость реакции возрастает в 2, 5 раза, а с до – 130 С - в 30 раз. Объяснить это можно следующим образом: реакция протекает в результате столкновения 3-х молекул. Две молекулы NO образуют нестойкий димер – N2O2, равновесная концентрация уменьшается с повышением температуры (этот акт экзотермический). Именно димер в свою очередь реагирует с кислородом.
Оксид азота, полученный на 1-й стадии, охлаждают при помощи водного котла до температуры окружающей среды, смешивают с воздухом. Это приводит к образованию диоксида азота. Давление – 0,5 – 1 МПа. При повышенном давлении скорость реакции выше, чем при атмосферном, при этом не только увеличивается выход продукта, но уменьшается выхлоп ядовитых газов в атмосферу. Найдено несколько способов борьбы с «лисьими хвостами». В присутствии водорода, в присутствии катализатора NO полностью превращают в атмосферный азот.
Образование азотной кислоты.
Диоксид азота направляют в стальную поглотительную башню, где его пропускают навстречу струям воды. Монооксид возвращают в цикл на вторую стадию. Получаемая таким образом азотная кислота имеет концентрацию 50%. Перегонкой добиваются повышения концентрации до 68%. Приблизительно 80% этой кислоты сразу нейтрализуют водным раствором аммиака с целью получения нитрата аммония, а остальные 20 % осушают серной кислотой, доводя азотную до 98%.
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + Q
NO опять окисляется кислородом присутствующем в смеси до NO2, т. е. суммарное уравнение процесса
2H2O + 4NO2 + O2↔ 4HNO3 + Q
Давление 5 МПа.
Задача:
Аммиачно-воздушная смесь, которая подается в реактор, содержит 11% аммиака (по объему) и 1,8 объема кислорода на 1 объем аммиака. Вычислить состав газовой смеси на выходе из контактного аппарата.
Решение:
Пусть объем смеси 100 литров, тогда в ней 11 литров азота, 11*1,8 = 19,8 литров кислорода, и ,8 литров азота.
Согласно реакции окисления аммиака 4NH3 + 5O2=4NO + 6H2O; из 9 моль исходных веществ образуется 10 моль продуктов реакции. Если пренебречь побочной реакцией, то из 30,8 моль ( 11+ 19,8) образуется 34 моль, т. е. объем газовой смеси увеличивается на
3,2 моль. Т. е. со 100 л до 103,2 литров. Процентное содержание NO в смеси равно 11/103,2*100. Аналогично вычисляется содержание водяного пара и азота. С 11 л аммиака провзаимодействует 11*5/4 л кислорода. Это равно 13, 75 л, осталось в реакторе 19,8-13,75 л = 6,05л. Его процентное содержание 6,05/103,2*100.
Схема промышленной установки для производства азотной кислоты.
Мешалка Контактный Окислительная
Аппарат башня
 | |
аммиак NONO2
воздух катализатор
 |
аммиак
воздух
H2O
Поглотительная
башня
H2O
HNO3
NO
NO2
Металлургия.
Железо после алюминия – самый распространенный в природе металл. В земной коре – 5,1%. Важнейшие железные руды:
1. магнитный железняк – Fe3O4 (Урал – горы Высокая, Благодать, Магнитная);
2. красный железняк – Fe2O3 (Криворожское месторождение);
3. бурый железняк – (Керченское)
4. пирит – серный колчедан
Получение железа из руд основано на его восстановлении из руд СО или углем. При этом получается не чистое железо, а его сплав с углем и другими примесями (SiSPMn) – чугун (около 4% углерода).
Доменная печь – объем 5000 м3, высота 80м, внутренняя обкладка – огнеупорный кирпич, внешняя стальная для прочности.
Исходные материалы: шихта – руда, кокс, флюсы (плавни). Флюсы превращают пустую породу в легкоплавкие соединения.
Доменная печь: шахта, колошник, распар, горн. В горн вдувается горячий (600-800) воздух на 1/3 обогащенный кислородом. В верхней части горна температура – 1850 0С.
По мере продвижения при температуре 450-500 из Fe2O3образуется Fe3O4; при температуре 600 – из Fe3O4 образуется FeO; при температуре 700 – Fe. Восстановление железа из руды заканчивается примерно при температуре1100. При этой температуре частично восстанавливаются кремний, марганец и фосфор из их соединений.
SiO2 + 2C = Si + CO
MnO + C = Mn + CO
Ca3(PO4)2 + 5C = 2P + 3CaO + 5CO
Сера частично превращается в сульфид железа, который хорошо растворяется в чугуне.
Восстановленное железо частично опускается вниз и, соприкасаясь с раскаленным коксом и угарным газом, образует карбид железа – цементит. При этом температура плавления понижается до 1200.
3Fe + C = Fe3C
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
Расславленное железо растворяет в себе цементит, кремний, марганец, фосфор, серу – образуется жидкий чугун.
Для удаления пустой породы в исходные материалы включают флюсы – чаще известняк, который при высокой температуре разлагается с образованием оксида кальция. Оксид кальция взаимодействует с оксидом кремния.
Выходящий из домны газ (угарный, азот, углекислый газ) направляют в кауперы - воздухонагреватели, в которых подогревается (до 600-800) подаваемый в домну газ.
