Производство аммиака
Связывание атмосферного азота в виде аммиака происходит по уравнению:
N2 + 3H2 = 2NH3+ Q где Q — тепловой эффект реакции
Подбор оптимальных условий проведения синтеза осуществляется исходя из характеристик химической реакции.
1) Реакция обратимая, гомогенная (исходные вещества и продукты – это газы) и идет с уменьшением объема, следовательно, смещению равновесия в сторону продуктов способствует повышенное давление.
2) Реакция экзотермическая, повышение температуры смещает химическое равновесие в сторону исходных веществ, а понижение температуры – в сторону продуктов реакции, но при этом скорость синтеза будет очень мала. Поэтому реакцию проводят при оптимальной для данного процесса температуре: 450–500 °С. Исходную смесь газов сначала нагревают в теплообменнике за счет движущихся противотоком выходящих газов, а затем в зоне экзотермической реакции. (Противоток – это движение различных веществ навстречу друг другу с целью создания наилучших условий для обмена энергией.)
3) Для ускорения синтеза, быстрейшего установления равновесия используют катализатор – губчатое железо, активированное оксидами калия, алюминия и др.
Реагенты и продукты реакции находятся в газовой фазе и образуют гомогенную систему. Реакция протекает на поверхности твердых катализаторов.
4) При всех указанных условиях проведения реакции равновесный выход продукта составляет не более 20%. Поэтому синтез продукта осуществляется по способу многократной циркуляции, т. е. не прореагировавшую смесь газов многократно возвращают в производство после отделения от нее полученного продукта.
Синтез метанола.
Простой технологически способ проходит по реакции конверсии метана с водяным паром:
При наличии этих двух компонентов уже можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н2↔СН3ОН + Q
Все технологические приемы, используемые при получении метанола, можно взять из производства аммиака (циркуляция, теплообмен, противоток).
Производство серной кислоты.
Получают серную кислоту в три стадии:
1стадия. В печи для обжига.
В качестве сырья применяют серу, железный колчедан (пирит) или сероводород.
4 FeS2+ 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2
Зависимость скорости реакции от условий обжига пирита.
При пропускании вместо воздуха чистого кислорода увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ, следовательно, увеличивается скорость реакции.
Дробление пирита увеличивает поверхность соприкосновения реагирующих веществ, что вызывает увеличение скорости реакции. Но при образовании слишком мелких частиц происходит слеживание, образуется плотный слой, через который кислород не проходит. Поэтому в производстве применяют принцип противотока, чтобы частиц пирита разрыхлялись.
При повышении температуры обжига до 8000С возрастает доля молекул с достаточной кинетической энергией и скорость реакции увеличивается. При более высокой температуре происходит спекание частиц и скорость реакции падает. Т.к. реакция обжига пирита является экзотермической, то температура поднимается выше 8000С. Следовательно, избыточную теплоту нужно отводить.
2стадия. В контактном аппарате. Окисление SO2 до SO3 кислородом при помощи катализатора V2O5
V2O5
2SO2 +O2 =2SO3 +Q
Необходима тщательная очистка оксида серы, т.к. примеси отравляют катализатор и он теряет свои свойства. Для этого используют аппарат «Циклон» и электрофильтры.
Газовую смесь пропускают через теплообменник. В результате теплообмена исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются. Т.е. реакция сдвигается вправо. Благодаря катализатору окисление происходит при более низкой температуре.
3 стадия. В поглотительной башне. Для превращения SO3 в серную кислот применяют не воду т.к. происходит сильное разогревание, а концентрированный раствор серной кислоты.
SO3 +H2O = H2SO4
В результате получают олеум – раствор SO3 в серной кислоте.