Производства основной химии
Развитие народного хозяйства передовых стран характеризуется глубоким проникновением во все отрасли промышленности и сельского хозяйства химических веществ, на основе которых выпускают тысячи изделий и продуктов, различных по назначению и свойствам. Значительную часть этих веществ производят отрасли основной химии (неорганические кислоты, щелочи, соли, удобрения и т.д.). Известны 22 вида неорганических кислот, но в наибольших качествах выпускают серную, азотную, соляную и фосфорную кислоты.
Кислоты
Серная кислота (H2SO4) используется в основном в производстве минеральных удобрений, а также других кислот (фосфорной, соляной), солей, взрывчатых веществ, различных органических продуктов, при травлении металлопроката, сушке газов, в качестве катализатора в гидролизной промышленности и во многих других отраслях.
Базовым сырьем для получения серной кислоты является сернистый ангидрид (SO2), который образуется при сжигании серного колчедана (пирита) FeS2 или серы. В ряде случаев утилизируют отходящие сернистые газы и сероводород – продукты комплексной переработки руд цветных металлов, угля, нефти или природного газа.
Обжиг колчедана – автогенный процесс, описываемый реакцией
4FeS2 + 11O2 = 8SO2 + 2Fe2O3 + 3416 кДж.
Наряду с сернистым ангидридом при обжиге образуется порошок (пиритный огарок), который содержит 45–47% Fe, 0,5–4,6% S и комплексно перерабатывается с получением чугуна и цветных металлов.
Получение серной кислоты из сернистого ангидрида реализуется в соответствии с суммарной реакцией
SO2 + 0,5O2 + nH2O = H2SO4 + (n–1)H2O + Q.
Азотную кислоту HNO3 используют при изготовлении удобрений и различных солей, взрывчатых веществ, в фармацевтической промышленности.
Азотная кислота – сильнейший окислитель. Она переводит серу в серную кислоту, разрушает многие органические вещества, что сопровождается их воспламенением (бумага, дерево). Металлы, кроме золота и платиноидов, образуют с азотной кислотой соли, называемые нитратами или селитрами.
Сырьем для производства азотной кислоты служит аммиак, воздух и вода. Основу технологии составляют три стадии: контактное окисление аммиака до монооксида азота
4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O + 9073 кДж.
Окисление монооксида азота в диоксид осуществляется по реакции
2NO + O2 = 2NO2 + 1123 кДж.
Абсорбция диоксида азота водой сопровождается реакцией
3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO + 136 кДж.
Соляную кислоту используют в производстве различных солей, красителей, каучука, травления металлов, в гидрометаллургии, при получении сахара, дублении и окраске кож, в гальванопластике и т.д.
Производство кислоты включает две основные стадии: получение хлористого водорода и его абсорбцию водой. Основную долю хлористого водорода получают прямым синтезом при взаимодействии хлора и водорода
Cl2 + H2 = 2HCl + 1844 кДж.
Хлористый водород получают сжиганием водорода в атмосфере хлора.
Фосфорной называют ортофосфорную кислоту H3PO4, получение которой основано на разложении природных фосфатов сильными кислотами, чаще – серной. Она используется для получения минеральных удобрений и технических солей, кормовых фосфатов, а также в керамической и стекольной промышленности.
Минеральные удобрения
Удобрениями называют вещества, вносимые в почву для повышения урожайности, качества, устойчивости к болезням сельскохозяйственных культур.
Минеральные удобрения по типам содержащихся питательных веществ для растений классифицируются на фосфорные, азотные и калийные.
Фосфорные удобрения представлены двойным суперфосфатом, получаемым химическим путем, а также производством фосфоритовой муки и термофосфатов.
Сырьем для производства фосфорных удобрений служат природные аппатитовые и фосфоритовые руды. В аппатитах фосфор находится в виде минералов с общей формулой 3Ca3(PO4)2 × CaX2, где Х – может быть представлен фтором, гидроксильной группой или хлором. В фосфоритовых рудах фосфор представлен фтороаппатитом. Примесными минералами в фосфорном сырье являются нефелин, каолин, кварц, доломит и др. Мировая добыча фосфатных руд достигает 140 млн. т/г, из которых 90% расходуется на производство минеральных удобрений.
Современные методы переработки природных фосфатов в удобрении разделяют на несколько групп:
механическое измельчение фосфоритов с получением фосфоритовой муки, используемой в качестве удобрений;
термическое производство путем сжигания или плавления при 1200–18000С природных фосфатов с различными добавками: фосфорной кислотой, кремнеземом, известняком, силикатами магния. К термофосфатам условно относят основные сталеплавильные шлаки с высоким содержанием фосфора, которые содержат до 20% усвояемого Р2О5 и 40–50% СаО, что делает их особо эффективными на кислых почвах.
Химические способы производства с обработкой фосфоритов минеральными кислотами, когда получают двойной суперфосфат – основное фосфорное удобрение. Его технология состоит в следующем. первичное фосфатное сырье дробят, грохотят, промывают водой для частичного удаления пустой породы и подвергают флотации. При обогащении апатито-нефелиновых руд Кольского полуострова выделяют апатитовый концентрат и нефелиновые хвосты, которые используют как сырье для производства глинозема.
При воздействии на фосфаты фосфорной кислотой образуется моногидрат монокальцийфосфата (двойной суперфосфат):
(Ca5F)(PO4)3+7H3PO4+5H2O=5Ca(H2PO4)2 H2O+HF+132,3кДж.
Двойной суперфосфат – концентрированное фосфорное удобрение, содержащее 42–50% усвояемого Р2О5, в том числе 37–42% – водорастворяемого. В гранулированном виде он хорошо растворяется и дает повышенный агрохимический эффект.
Помимо фосфорных удобрений, выпускаются кормовые фосфаты (преципитаты), применяемые как добавки в корм животных при недостатке в их рационе фосфора и кальция. Такие добавки отличаются от удобрений отсутствием вредных примесей железа, мышьяка и тяжелых цветных металлов. Преципитаты получают из фосфорной кислоты, воздействуя на нее суспензией известняка (мела) или известковым молоком с осаждением основного компонента – двухводного дикальций фосфата CaH2PO4 2H2O. Технический продукт имеет 46% усвояемого Р2О5 (пентаоксида фосфора). Технологические операции и режимы производства преципитата подобны используемым при получении двойного суперфосфата. Объемы выпуска преципитата сопоставляемы с тоннажем двойного суперфосфата.
В азотных удобрениях азот находится в NН4 – аммиачной или NO3 – нитратной формах, иногда – в обеих (нитрат аммония NН4 NO3). Наиболее распространен нитрат аммония (аммиачная селитра), содержащий до 35% азота и карбамид (мочевина) – наиболее концентрированное по азоту (до 46,6%) удобрение. Используют также сульфат аммония (NH4)2SO4. Эти удобрения выпускают в твердом гранулированном виде, но в связи со значительным ростом производства аммиака увеличивается объем выпуска жидких азотных удобрений.
Изготовляют аммиачную селитру на заводах, получающих аммиак и азотную кислоту. Производство селитры включает несколько стадий.
Нейтрализация разбавленной (46–60%) азотной кислоты газообразным аммиаком:
HNO3 + NH3 = NH4NO3 + 144,9 кДж.
Затем делают упарку раствора нитрата аммония до расплава, содержащего до 99,8% этого вещества. После этого его подвергают гранулированию, которое производят в грануляционных башнях длиной 11 м, шириной 8 м, высотой до 70–100 м, где вещество в каплевидном состоянии подают вниз. Перевод вещества в каплевидное состояние достигается при помощи вращающегося разбрызгивателя. При падении капли охлаждаются потоком поступающего снизу воздуха и превращаются в гранулы диаметром 2,5 мм.
Карбамид получают из аммиака и углекислого газа.
2NH3 + CO2 = CO(NH2)2 + H2O + 119,1 кДж.
Реакцию проводят в колоннах синтеза или давлении 18–20 МПа и температуре 180–200°С в течение 30–40 мин. Расплав, содержащий 29–31% карбамида, упаривают в двухстадийных аппаратах под давлением 30–40 кПа а температуре 130°С. После упаривания 99,7–99,8% жидкий карбамид поступает в грануляционную башню, где, подобно аммиачной селитре, распыляется, гранулируется и охлаждается. Полученный продукт рассеивают в виде гранул диаметром 1–4 мм, упаковывают и отправляют на склад.
Сульфат аммония – низкоконцентрированное азотное удобрение, в промышленных условиях образуется при нейтрализации серной кислоты газообразным аммиаком
2NH3 + H2SO4 = (NH4)2SO4 + 274 кДж.
Сульфат аммония выпускают как побочный продукт при очистке коксового газа от аммиака серной кислотой.
Калийные удобрения готовят из природных минералов, содержащих соли калия. Мировая добыча калийных солей достигает 320 млн. т/г. Наибольшее значение имеет сильвинит КСl NaCl. Самое крупное месторождение сильвинита в мире (Верхнекамское) расположено на Среднем Урале.
Основным калийным удобрением является хлорид калия, который применяют в качестве удобрения для всех почв и культур.
Ведущим способом получения хлористого калия из сильвинита служит флотация, на долю которой приходится более 80% выпуска.
Для сельского хозяйства хлорид калия выпускают в виде гранул, полученных прессованием мелкодисперсного осадка с последующим его дроблением и классификацией по крупности.