Конспект урока: Получение неметаллов. Получение важнейших химических соединений неметаллов

В процессе любого химического производства можно выделить несколько основных стадий:

• подготовка сырья и подвод реагирующих веществ в зону реакции;
• проведение химических реакций;
• отвод продуктов и непрореагировавших веществ из зоны реакции.

Мы познакомимся с технологиями производства двух важнейших соединений — серной кислоты и аммиака.

Производство серной кислоты

Серная кислота — очень ценное вещество с точки зрения использования человеком. Она находит применение в металлургии, сельском хозяйстве, при производстве пластмасс, переработке нефти и пр.

Способ получения серной кислоты называется контактным. Он осуществляется в три стадии:

1. Получение оксида серы (IV). Сырьё — сера, серный колчедан или сероводород;
2. Получение оксида серы (VI). Оксид серы (IV) окисляют кислородом в присутствии катализатора;
3. Получение серной кислоты при связывании оксида серы (VI) водой.

Мы рассмотрим производство серной кислоты из серного колчедана ${\mathrm{FeS}}_2$.

Первая стадия — обжиг колчедана. Она протекает в печи для обжига. Уравнение реакции:
 

$4{\mathrm{FeS}}_2 + 11{\mathrm{O}}_2 = 2{\mathrm{Fe}}_2{\mathrm{O}}_3 + 8{\mathrm{SO}}_2 + \mathrm{Q}$.

Перед обжигом колчедан размалывают и подают в печь. Процесс обжига колчедана небыстрый, поэтому для увеличения его скорости используют принцип противотока: сверху в печь подают измельчённый колчедан, а снизу — воздух, который обогащён кислородом. Воздух вдувается через большое количество трубок, частицы колчедана оказываются в взвешенном состоянии и создают иллюзию кипящей жидкости, поэтому у этого метода возникло название — метод кипящего слоя.

На данный момент в связи с истощением запасов колчедана в качестве сырья используется сера. Предварительно её расплавляют и разбрызгивают в камеру сгорания, в которой и образуется оксид серы (IV):
 

$\mathrm{S} + {\mathrm{O}}_2 = {\mathrm{SO}}_2 + \mathrm{Q}$.

Полученный газ нужно очистить от примесей. Для этого его отправляют в циклон (очищает от крупной пыли), затем в электрофильтр (для очищения от мелкой пыли) и далее осушают в сушильной башне, промывая его серной кислотой. Дальше газ нужно подогреть в теплообменнике.

Вторая стадия — получение оксида серы (VI). Эта стадия протекает в контактном аппарате. В нём находятся полочки-решётки, на которых находится катализатор на основе оксида ванадия (V) V₂O₅. Уравнение реакции:
 

$2{\mathrm{SO}}_2 + {\mathrm{O}}_2 \leftrightarrow 2{\mathrm{SO}}_3 + \mathrm{Q}$.

По трубкам теплообменника, находящимися между слоями катализатора, подается оксид серы (IV). При этом происходит теплообмен — оксид серы (IV) нагревается, а оксид серы (VI) наоборот охлаждается до необходимой температуры. Температура, поддерживаемая в контактном аппарате, равна 400 °С. Далее газы, выходящие из контактного аппарата, поступают в трубки теплообменника. Там они охлаждаются, передавая теплоту очищенному и осушенному сернистому газу.

Третья стадия протекает согласно уравнению:
 

${\mathrm{SO}}_3 + {\mathrm{H}}_2\mathrm{O} = {\mathrm{H}}_2{\mathrm{SO}}_4 + \mathrm{Q}$.

Чтобы поглотить образующуюся серную кислоту, нельзя использоваться воду, так как из-за выделяющейся теплоты вода превращается в пар и серная кислота образуется в виде мельчайших капелек тумана. В связи с этим оксид серы (VI) растворяют в концентрированной (98%-й) серной кислоте. При этом с оксидом серы (VI) взаимодействует вода, которая присутствует в растворе серной кислоты. Такой раствор оксида серы (VI) в концентрированной серной кислоте называют олеум.

Поглотительная башня заполнена кольцами из огнеупорной керамики. Серная кислота стекает по кольцам, омывает их, далее полученный олеум отправляют на склад готовой продукции. 

Общая схема процесса производства серной кислоты представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема технологического процесса производства серной кислоты

Производство аммиака

Аммиак — важнейшее сырьё для производства азотной кислоты, азотных удобрений, красителей и пр. А вот сырьём для получения самого аммиака служат азот и водород, которые синтезируются на железном катализаторе:
 

${\mathrm{N}}_2 + 3{\mathrm{H}}_2 \leftrightarrow 2{\mathrm{NH}}_3 + \mathrm{Q}$.

В теоретическом плане химическая реакция является достаточно простой. Но на практике химики-технологи столкнулись с рядом трудностей.

Самая главная проблема заключается в том, что даже при температуре 400 °С скорость реакции очень маленькая, а если повышать температуру, то выход продукта реакции — аммиака — начинает уменьшаться. Решение было найдено в применении катализатора. На данный момент в качестве катализатора используется порошкообразное железо с примесью оксидов алюминия и калия. Весь процесс осуществляется в специальных стальных колоннах при температуре 450−500 °С и высоком давлении.

При синтезе аммиака выделяется большое количество теплоты. Эта теплота используется для подогрева смеси азота и водорода. В данном процессе используется принцип теплообмена.

Ещё одной проблемой является то, что при прохождении через колонну синтеза только 0,1 % азотоводородной смеси превращается в аммиак. Поэтому эту смесь охлаждают, аммиак сжижают, а азот и водород, которые не прореагировали друг с другом, направляют в колонну синтеза. Здесь используется принцип циркуляции.

Общая схема процесса производства аммиака представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема производства аммиака

Итак, мы рассмотрели два важнейших технологических процесса — производство серной кислоты и аммиака. Производство серной кислоты проходит в три стадии. Продуктом является олеум — раствор оксида серы (VI) в концентрированной серной кислоты. Синтез аммиака осуществляется под действием железного катализатора и при высокой температуре и давлении.