Технология производства неорганических кислот

Наиболее широко применяемыми неорганическими кислотами являются серная, азотная и соляная. Из них серной принадлежит особое место. По объему производства и области применения она занимает одно из первых мест среди продукции химической промышленности.

Серная кислота ис­пользуется в самых разнообразных отраслях производства. Она служит одним из главных продуктов, определяющих раз­витие химической промышленности, вот почему ее часто на­зывают "хлебом химии".

В химической промышленности серную кислоту использу­ют для производства удобрений, получения красителей, пластмасс, химических волокон, при производстве нефтепро­дуктов — жидких топлив, смазочных масел и др. В металлур­гии серная кислота используется при выделении металлов из руд, в машиностроении — при травлении, в пищевой про­мышленности — при получении патоки, крахмала, спирта, в текстильной — при отбеливании тканей и т.д.

По химическому составу серная кислота представляет собой соединение серного ангидрид SO₃ с водой. При «том если на один моль серного ангидрида приходится моль воды, то образуется безводная серная кислота Н₂SО₄.Если соотно­шение SO₃ : Н₂О < 1, то образуется разбавленная серная кислота, если соотношение SO₃ : Н₂О > 1, то — раствор сер­ного ангидрида в серной кислоте, называемый олеумом: В промышленности серная кислота выпускается в виде разбав­ленной, концентрированный и олеума.

По внешнему виду серная кислота — это бесцветная маcлоподобная жидкость с удельным весом 1,84 кг/см. Исход­ным веществом при ее получении служит сернистый ангидрид SO₂, образующийся при обжиге различных серосодержащих продуктов.

Большое значение имеет использование отходящих газов цветной металлургии, образующихся при переработке сернис­тых руд, в качестве исходного сырья для получения серной кислоты, что позволяет снизить се себестоимость, а утилиза­ция их дает возможность улучшить условия труда на металлур­гических заводах.

Сернистый газ можно также получить из сероводорода. Последний в значительных количествах выделя­ется из газов нефтеперерабатывающей промышленности. Самым лучшим сырьем для производства SO₂ является элемен­тарная сера. При ее сжигании образуется чистый концентри­рованный сернистый газ, не загрязненный примесями, что упрощает его очистку при производстве серной кислоты. Одна­ко чистая сера — это слишком дорогое сырье, вследствие чего себестоимость серной кислоты» получаемой и» серы, в два раза выше себестоимости Н₂SО₄, получаемой из колчедана FeSО₂.

В настоящее время в промышленности серную кислоту по­лучают двумя способами — нитрозным и контактным. В обоих случаях сущность процесса сводится к окислению сернистого газа SO₂ до серного SO₃и соединению трехокиси с водой.

В обычных условиях сернистый газ кислородом воздуха не окисляется, поэтому процесс окисления осуществляется либо при помощи азота, либо в присутствии твердого катали­затора. Способ окисления и определяет технологию процесса. При нитрозном способе двуокись окисляют до SO₃ при помо­щи нитрозной смеси, состоящей на окиси и двуокиси азота, взятых в соотношении 1:1. Контактный способ состоит в окислении двуокиси в присутствии твердого катализатора.

Более старым является нитрозный способ производства серной кислоты. Нитрозный способ трудно поддается автома­тизация. Кроме того, получаемая кислота имеет концентра­цию не более 75 —77% и загрязнена примесями. Эти недостатки привели к тому, что нитрозный способ производ­ства серной кислоты все больше утрачивает свое значение, а преимущественное развитие получает контактный метод.

Технология контактного процесса предусматривает окис­ление сернистого газа в присутствии твердых катализаторов. До.20—30-х годов в качестве катализатора использовали платину. Затем она была заменена значительно более деше­выми устойчивым катализатором, изготавливаемым из пятиокиси ванадия Y₂O₅.

При контактном способе производства может быть полуученая серная кислота практически любой концентрации и вы­сокой степени чистоты. Такая серная кислота может быть использована в любом производстве.

Нитрозная кислота, выпускаемая по устаревшей техноло­гии, используется при производстве сельскохозяйственных удобрений, где не требуется высокой концентрации и чисто­ты исходных продуктов.

Азотная кислота по значению и объему произ­водства занимает второе место после серной. Она широко применяется при производстве удобрений, взрывчатых ве­ществ, ракетного топлива, синтетических красителей, пласт­масс, нитроцеллюлозы, синтетических волокон и т.д. По внешнему виду азотная кислота представляет собой тяжелую бесцветную жидкость с удельным весом 1,52 г/см⁸, химичес­кий состав ее выражается формулой HNO₃.

Промышленное получение азотной кислоты осуществляет­ся окислением синтетического аммиака. Процесс осуществля­ется в три стадии: 1) окисление аммиака кислородом воздуха до окиси азота в присутствии катализатора (платины и ее сплавов); 2) окисление окиси азота до двуокиси; 3) погло­щение NО₂ водой с образованием азотной кислоты.

Окисление аммиака до окиси азота протекает с достаточ­ной скоростью лишь при высоких температурах. При этом возможны побочные реакции, приводящие к выделению не окиси азота, а свободного азота или его закиси. Чтобы пред -отвратить эти реакции, необходимо вести окисление при тем­пературах не, выше 700—800 °С в присутствии катализатора. Последний изготавливается в виде сеток из очень тонкой проволоки диаметром 0,06— 0,09 мм.

Данный способ производства азотной кислоты позволяет получить кислоту концентрацией -48 -т- 5,0%. Для получения более концентрированного продукта процесс ведут, при повы­шенном давлении. Применение давления до 10 ат позволяет повысить концентрацию азотной кислоты до 60—62%.

В настоящее время в производстве различают три техноло­гические схемы получения азотной кислоты: I) под атмосферным давлением; 2) под давлением до 10 ат; 3) комбинированная.

Схема под давлением в принципе не отличается от схемы под атмосферным давлением, но объем окислительных и аб­сорбционных аппаратов значительно меньше. Процесс окисле­ния окиси азота до двуокиси протекает намного быстрее и возрастает степень абсорбции окислов» водой, Вместе с тем при увеличении давления в процессе окисления аммиака возраста­ют потери дорогостоящего катализатора, что является недо­статком этой схемы.

Комбинированный способ позволяет использовать досто­инства обеих схем. При нем окисление аммиака осуществля­ется при атмосферном давлении, что резко снижает потери платины, а окисление нитрозных газов до двуокиси и абсорбация их проводятся под давлением. Это позволяет получать кислоту концентрацией 60 — 62%. На установках комбиниро­ванного способа применяют давление до 4 — 9 ат.

Концентрированную азотную кислоту, содержащую 97 — 98% HNO₃, получают путем упаривания разбавленной азот­ной кислоты в присутствии серной кислоты, поглощающей воду. Применяется также прямой синтез концентрированной HNO₃. В этом случае двуокись азота охлаждают до — 8 °С. Она при этом сжижается с образованием димера N₂O₄. Пос­ледний подается в аппараты, где под давлением 50 ат и тем­пературе 75 °С в присутствии воды и кислорода образуется концентрированная азотная кислота:

2 N₂O₄ + 2 H₂O + O₂ = 4 HNO₃

Масштабы производства соляной кислоты меньше по сравнению с серной и азотной. Ёе употребляют при производ­стве различных хлористых солей, в процессе гидролиза клет­чатки, при травлении металлов, при пайке, лужении и т.д.

Соляная кислота представляет собой раствор хлористого водорода в воде. Хлористый водород НС1 — это бесцветный газ с резким запахом, хорошо растворимый в воде. В промышлен­ности он может быть получен двумя способами: прямым синте­зом из H₂ и CI₂ и при хлорировании органических соединений.

Наибольшее распространение в промышленности получил метод прямого синтеза хлористого водорода из газообразных хлора и водорода, получаемых при электролизе растворов по­варенной соли.

Реакция между хлором и водородом CI₂ + H₂ = 2HCI протекает только на свету и при нагревании. Она относится к типу цепных и может привести к взрыву, если смешивать боль­шие объемы исходных компонентов. Спокойное течение реак­ций обеспечивается непрерывным поступлением струи газов в зону высокой температуры (до 2400 °С). Процесс ведется в специальных печах с охлаждением воздухом иди водой.

Большое количество хлористого водорода образуется в процессе синтеза органических соединений, например, при хлорировании бензола для получения хлорбензола: C₆H₆ + С1₂ = C₆H₅CI + HCI.

Для характеристики эффективности процессов в химичес­кой промышленности используют ряд показателей:

• степень превращения X -— показатель, характеризующий полноту использования исходного сырья и степень его превра­щения в готовый продукт, которая рассчитывается по формуле:

,

где Р — количество взятого в процессе исходного продукта; Р₀ — количество этого продукта, прореагировавшего в ходе химическо­го процесса;

• выход продукта Ф — это отношение количества полу­ченного вещества Р к максимально возможному Р _mах рассчи­танному по уравнению химической реакции:

· производительность П, т.е. количество продукта, выра­ботанного в единицу времени:

, где Л — количество выработанного продукта; Т — время работы;

• интенсивность U — это производительность, отнесенная к объему или площади поперечного сечения аппарата:

или

где П — производительность; S — площадь сечения аппарата; V—объем аппарата.

• себестоимость продукции: а) цеховая; б) производст­венная; в) полная.

Цеховая себестоимость представляет собой за­траты цеха, связанные с производством продукции. Производственная себестоимость помимо затрат цехов включает общезаводские расходы. Полная себестоимость складывается из производственной себестоимости и непроизводственных расходов, включающих в основном расхо­ды, связанные с реализацией продукции.

При расчете производственной себестоимости учитываются затраты на: 1) сырье, основные материалы, покупные изделия и полуфабрикаты; 2) вспомогательные материалы; 3) топливо; 4) энергию; 5 ) амортизацию основных фондов; 6) основную и дополнительную заработную плату; 7) отчисления на социаль­ное страхование; 8) общезаводские расходы. Наибольшие рас­ходы при этом, как правило, приходятся на сырье. В среднем по химической промышленности затраты на сырье составляют 60—70% себестоимости, а на топливо и энергию — около