Химическое производство: аммиак, серная и азотная кислоты

В лаборатории химик получает граммы вещества, и главное для него — чтобы реакция прошла. На заводе вещества производят тысячами тонн, и здесь важно другое: дешёвое сырьё, высокий выход продукта, экономия энергии, безопасность людей и природы. Поэтому промышленные способы получения часто отличаются от лабораторных. Посмотрим, как решают эти задачи на трёх главных производствах химической промышленности.

Принципы химического производства

Любое химическое производство строят по нескольким общим правилам. Эти принципы химического производства таковы:

• подбор оптимальных условий: температуры, давления и катализатора, при которых реакция идёт достаточно быстро и с хорошим выходом;
• непрерывность процесса: сырьё поступает, а продукт выводится постоянно, без остановок;
• циркуляция: непрореагировавшие вещества возвращают в аппарат, а не выбрасывают;
• теплообмен: теплоту, выделяющуюся в реакции, используют для нагревания поступающего сырья;
• противоток, увеличивающий соприкосновение веществ;
• комплексное использование сырья и защита окружающей среды: отходы одного производства становятся сырьём для другого.

Противоток

Противоток — это движение реагирующих веществ навстречу друг другу. Например, газ подают в башню снизу, а жидкость, которая должна его поглотить, разбрызгивают сверху. Капли падают сквозь поднимающийся газ, и вещества соприкасаются по всей высоте башни. По тому же принципу в доменную печь сверху загружают руду, а снизу вдувают горячий воздух.

Синтез аммиака в промышленности

Синтез аммиака в промышленности ведут из азота воздуха и водорода, который получают из природного газа. Реакция обратима и идёт с выделением теплоты и уменьшением объёма газов:

\[ \ce{N2 + 3H2 <=>[t^\circ, p, \ce{Fe}] 2NH3} \]

Высокое давление смещает равновесие в сторону аммиака, поэтому синтез ведут при давлении в сотни атмосфер. Низкая температура тоже повысила бы выход, но реакция при ней идёт слишком медленно. Поэтому выбирают компромисс: температуру около 450–500 °C и железный катализатор. За один проход в аммиак превращается лишь часть газовой смеси. Аммиак отделяют охлаждением, он сжижается, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза — это и есть циркуляция.

Производство серной кислоты

Серную кислоту производят в три стадии. Сырьём служит сера или пирит — минерал \(\ce{FeS2}\). Первая стадия — обжиг пирита (или сжигание серы) в печи, где измельчённый пирит поддерживается током воздуха во взвешенном «кипящем слое»:

\[ \ce{4FeS2 + 11O2 ->[t^\circ] 2Fe2O3 + 8SO2}, \qquad \ce{S + O2 -> SO2} \]

Вторая стадия — окисление сернистого газа в оксид серы(VI) на катализаторе — оксиде ванадия(V) — при 400–500 °C. Реакция обратима, и катализатор ускоряет её. Отсюда название всего метода — контактный способ получения серной кислоты: реакция идёт при контакте газов с поверхностью катализатора.

\[ \ce{2SO2 + O2 <=>[\ce{V2O5}, t^\circ] 2SO3} \]

Третья стадия — поглощение оксида серы(VI). Его поглощают не водой, а концентрированной серной кислотой, которая стекает навстречу газу, потому что с водой \(\ce{SO3}\) образует туман мельчайших капелек кислоты, который плохо улавливается. Раствор оксида серы(VI) в серной кислоте называют олеум; разбавляя его, получают серную кислоту нужной концентрации.

Производство азотной кислоты

Производство азотной кислоты тоже идёт в три стадии и начинается с аммиака. Сначала аммиак окисляют кислородом воздуха на платиновой сетке, получая оксид азота(II). Затем его окисляют до оксида азота(IV), а тот поглощают водой в присутствии кислорода:

\[ \ce{4NH3 + 5O2 ->[\ce{Pt}, t^\circ] 4NO + 6H2O}, \qquad \ce{2NO + O2 -> 2NO2}, \qquad \ce{4NO2 + O2 + 2H2O -> 4HNO3} \]