Общие научные принципы химического производства (на примере промышленного получения аммиака, серной кислоты, метанола)

Хими́ческая промы́шленность — отрасль промышленности, включающая в себя производство продукции из углеводородного, минерального и другого сырья путём его химической переработки.

Химическая промышленность является одной из основных отраслей современной мировой экономики, она преобразует сырьё (нефть, природный газ, воздух, воду, металлы и полезные ископаемые) в более чем 70 000 различных продуктов. Валовый объём производства химической промышленности в мире составляет около $2 трлн долларов.

К важнейшим химико-технологическим и экологическим научным принципам научной организации химических производств относятся:

• увеличение поверхности реагирующих веществ,
• теплообмен (утилизация тепла),
• массообмен (противоток),
• циркуляция реагирующих веществ,
• изменение скорости и направления химических реакций (использование катализатора, оптимальных температур, давления и концентрации),
• исключение ручных операций и автоматизация производства;
• очистка выбросов и сбросов и утилизация отходов производства.

Не все вещества, участвующие в химическом производстве, безопасны для людей и окружающей среды. По этой причине на химических производствах обеспечение экологической безопасности является одной из первых задач. Все используемые аппараты должны быть герметичны и не допускать попадания опасных веществ во окружающую среду. Использованные газы и сточные воды должны пройти многоступенчатую очистку. По возможности должны быть созданы безотходные технологии и замкнутые производственные циклы.

Промышленный способ получения аммиака основан на прямом взаимодействии водорода и азота (процесс Габера)^[1]:

${\displaystyle {\ce {N2\ +\ 3H2\rightleftarrows 2NH3}}}$ + 91,84 кДж.

Реакция происходит с выделением тепла и понижением объёма. Следовательно, исходя из принципа Ле-Шателье, реакцию следует проводить при возможно низких температурах и при высоких давлениях — тогда равновесие будет смещено вправо. Однако скорость реакции при низких температурах ничтожно мала, а при высоких увеличивается скорость обратной реакции. Проведение реакции при очень высоких давлениях требует создания специального, выдерживающего высокое давление оборудования, а значит, и больших капиталовложений. Кроме того, равновесие реакции даже при 700 °C устанавливается слишком медленно для практического её использования.

Выход аммиака (в объёмных процентах) за один проход катализатора при различных температурах и давлении имеет следующие значения:

Применение катализатора (пористое железо с примесями Al₂O₃ и K₂O) позволило ускорить достижение равновесного состояния. Интересно, что при поиске катализатора на эту роль пробовали более 20 тысяч различных веществ.

Учитывая все вышеприведённые факторы, процесс получения аммиака проводят при следующих условиях: температура 500 °C, давление 350 атмосфер, катализатор. Выход аммиака при таких условиях составляет около 30 %. В промышленных условиях использован принцип циркуляции — аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие азот и водород возвращают в колонну синтеза. Это оказывается более экономичным, чем достижение более высокого выхода реакции за счёт повышения давления.

Для получения аммиака в лаборатории используют действие сильных щелочей на соли аммония:

${\displaystyle {{\ce {NH4Cl + NaOH -> NH3 ^ + NaCl + H2O}}}}$.

Обычно лабораторным способом аммиак получают слабым нагреванием смеси хлорида аммония с гашёной известью.

${\displaystyle {{\ce {2NH4Cl + Ca(OH)2 -> CaCl2 + 2NH3 ^ + 2H2O}}}}$

Для осушения аммиака его пропускают через смесь извести с едким натром.

Очень сухой аммиак можно получить, растворяя в нём металлический натрий и впоследствии перегоняя. Это лучше делать в системе, изготовленной из металла под вакуумом. Система должна выдерживать высокое давление (при комнатной температуре давление насыщенных паров аммиака около 10 атмосфер). В промышленности аммиак осушают в абсорбционных колоннах.

В промышленности серную кислоту получают окислением диоксида серы (сернистый газ, образующийся в процессе сжигания элементарной серы, серного колчедана или сероводород-содержащих газов, поступающих с установок гидроочистки и систем отпарки кислых стоков) до триоксида (серного ангидрида) на твёрдом ванадиевом катализаторе в четыре ступени (данная реакция экзотермична, поэтому применяется промежуточное охлаждение после первого слоя с помощью трубных пучков, через которые подаётся воздух, и после следующих двух ступеней — с помощью кольцевой трубы, имеющей большой диаметр, через которую подаётся воздух, над которой расположен дефлектор. Воздух нагнетается воздуходувками, часть горячего воздуха подаётся на горелочные устройства котлов, в которых производится сжигание сероводородсодержащих газов) последующим охлаждением и взаимодействием SO₃ с водой. Получаемую данным способом серную кислоту также называют «контактной» (концентрация 92-94 %)^[2].

${\displaystyle {{\ce {2SO2 + O2 -> 2SO3}}}}$

${\displaystyle {{\ce {H2O + SO3 -> H2SO4}}}}$

Известно несколько способов получения метанола: сухая перегонка древесины и лигнина, термическое разложение солей муравьиной кислоты, синтез из метана через метилхлорид с последующим омылением, неполное окисление метана и получение из синтез-газа^[3].

Первоначально в промышленности был освоен метод получения метанола сухой перегонкой древесины, но впоследствии он потерял своё промышленное значение. Современное производство метанола из монооксида углерода и водорода впервые было осуществлено в Германии компанией BASF в 1923 году. Процесс проводился под давлением 10—35 МПа на цинк-хромовом катализаторе (ZnO/Cr₂O₃) при температуре 320—450 °C .

С тех пор технологические схемы производства метанола совершенствовались, но их основой до настоящего времени остается каталитический синтез метанола из природного газа.

Современный промышленный метод получения — синтез из оксида углерода (II) и водорода на медь-цинковом оксидном катализаторе при следующих условиях:

• температура — 250 °C;
• давление — 7 МПа (= 69,08 атм = 70 Бар = 71,38 кгс/см²).

Схема механизма каталитического получения метанола сложна и суммарно может быть представлена в виде реакции:

${\displaystyle {\mathsf {CO+2H_{2}\rightarrow CH_{3}OH}}}$.

Синтезы на основе оксида углерода и водорода:

Компания BASF разработала способ получения изобутилового спирта, основанный на каталитическом гидрировании монооксида углерода и приводящий к образованию смеси, содержащей 50 % метанола и 11—14 % 2-метилпропанола-1, а также другие продукты. BASF прекратила производить изобутиловый спирт этим методом после разработки оксосинтеза и нефтехимического пути синтеза изобутанола.

Общие научные принципы химического производства необходимы для получения наибольшего количества продукта высокого качества с наименьшими затратами.