Виды и источники энергий. Рациональное использование энергии.
Е бывает след видов: 1. тепловая- теплота сгорания топлива (газ,уголь). 3. элекртическая- расходуется н-р при электролизе. 3. химич Е-реализуется на гальвоэлементе т.е. химич источников тока.4. световая-для галогенирования. Применяется в виде облучения для проведения фотохимич процессов синтеза н-р радикальные реакции 5. ядерная-исп-ся для проведения радиоционно-химич процессов. Из всех потребляемой в химич произ-ве Е - тепловая. Критерием экономичности использования всех видов Е явл-ся коэффициент использования Е(η) - равная отношению кол-во Е теоретически необходимого на произ-во к кол-ву Е практически затраченное на это. η не превышает 70%, т.е. часть тепла тратится на обогрев аппаратуры, уходит с продуктами реакции. В хим промыш исп-ся в большей степени тепловая Е, поэтому η в технологич процессах наз-ся тепловым коэффициентом полезного действия. Рациональное использ-е Е означает применение методов повышающих η. Относятся: повышение активности кат, разработка энергоэкономичных технологий, уменьшение тепловых потерь за счет теплоизоляции, использ-е вторичных энергоресурсов, использ-е е топливных отходов.
Равновесие в химико-технологич процессе. Применение принципа Ле-Шателье.
Выход целевого продукта определяется приближения реакционной системы к состоянию устойчивого равновесия. Устойчивое равновесие отвечает след условиям: 1. неизменность равновесного состояния системы во времени при постоянстве внешних условий; 2. подвижность, т.е. самопроизвольное восстановление равновесия после снятия внешнего воздействия; 3. установление и сохранение равновесия вследствие равенства скоростей прямого и обратного процессов; 4. возможность воздействия на состояние равновесия как со стороны прямого, так и обратной реакции. Смещение равновесия в сторону целевого продукта м.б. достигнуто изменением температуры, давления, концентрации. 1. прямая и обратная реакции имеют противоположные тепловые эффекты: если прямая экзотермическая, то обратная эндотермическая(и наоборот). При нагревании системы равновесие смещается в сторону эндотермич, при охлаждении в сторону экзотермич реакции. Реакция синтеза аммиака явл-ся экзотемич: N2+3H2=2NH3 + Q, а разложение эндотермич. Поэтому повышение температуры смещает равновесие в сторону обратной реакции разложения аммиака. 2. Если давление повышается, то равновесие смещается в сторону той реакции, при протекании которой число молекул уменьшается. 3. нужно увеличивать концентрацию реагирующих в-в, и выводить продукт из сферы реакции.
Катализ в хим промышленности. Отравление катализаторов.
Катализатором наз-ся в-во, которое изменяет скорость реакции, но не расходуется в результате реакции. Явление изменения скорости реакции в присутствии катализаторов (кат) наз-cя катализом. Он бывает гомогенным -если реагент и кат нах-ся в одном агрегатном состоянии и гетерогенным- реагенты и кат нах-ся в различных агрегатных сост. Использ-е кат позволяет осуществлять превращения,которые не могут быть реализованы на практике без кат, регулировать структуру и cв-ва производимых продуктов.Особое значение имеет применение кат в обратимых экзотермических процессах, в которых повышение температуры с целью ускорения реакции делает реакцию термодинамической неразрешенной. Снижение активности кат явл-ся:1. уменьшение активной поверхности кат при осаждении на нем пыли или продуктов реакции;2. механич разрушение кат;3. отравление кат каталитическими ядами. Отравление кат наз-ся частичная или полная потеря его активности под воздействием контактных ядов. Они образуют с активированными центрами кат поверхностные химич соединения и блокируют их, снижая активность кат. они могут образоваться в кач-ве побочных продуктов, могут содержаться в реагентах. Для этого должна быть тщательная очистка реагентов от примесей.
Виды азот-х удобрений
Боль-во раст.не м/т усваивать азот из воздуха, поэт. почву необх-мо систем-ки пополнять азотом в виде удобр.
Азотн.удобр. дел. на 4гр.
1- аммиачные, сод.N в виде NН4+. К ним относ. (NH4)2SO4 – 21%N, NH4Cl – 26%N.
(NH4)2SO4 явл. побочным продуктом коксохим-го произв-ва. Коксовый газ сод. до 25-30% NH3, кот. выдел. и нейтрализуют им 5%СК, получая удобр.
Хлористый аммоний явл. побочным продуктом содового произв-ва:
CO2 + 2NH3 + H2O + 2NaCl à Na2CO3 + 2NH4Cl
2 – нитратные или селитры, Сод. азот в виде NO3-. Наиболее распр.: NaNO3 - 16%, Ca(NO3)2 – 17%N, KNO3 – 14%N
3 – аммиачно- нитратные, сод. азот в виде NH4+ и NO3-. К ним относ. аммиачная селитра NH4NO3-35%N.
4 – амидные, сод. азот в виде NH2, к ним относ. мочевина или карбамид (NH2)2CO - 45%N. Все Азотн.удобр. хор. растворимы в воде и легко усваиваются раст., особенно нитратные, т.к. анион очень подвижен.
Произв-во карбамида(мочевина). (NH2)2C=O
диамид угольной к-ты(амид карбаминовой к-ты).
Мочевина- тв.крист.в-во, t пл. -132,7 град., хор.раств-ма в воде,этаноле и жидк.NH3.
Св-во широко исп-ся для получ. аммиакатов.
Мочевина- высококонц. удобрение, бесбаластное, легко усваивается растениями, сод. N 46,6%. По сравнению с NH4NO3 карбамид более богат N, менее слеживается, не взрывоопасен в смеси с орг.в-вами, медленнее вымывается из почвы. Моч. исп-ют как кормовую добавку жвачным животным,т.к. замен-т до 30% белков в рационе.
В пищев-ом тракте жвачных из N Моч.и углеводов микроорг-змы синт-ют белки.
Карбамид исп-ся в произ-ве ВМС,т.к. с формальдегидом синт-ют пластмассы, лаки и клеи.Карбамид исп-ют в с-зе фармокол.аппаратов(урацилов)
Сп-б с-за Моч. был отк. в 1868г русск.учен. А.И.Базаровым,кот. защитил диссертацию на тему: «Прямое получ. Моч.из углек-ты и NH3».
1ый завод по произв-ву Моч. был построен в 1922г.
Сырье: синтет. NH3 и СО2, получ. при переработке прир.газа => себестоимость Моч. значительно меньше аммиачн.селитры,т.к. СО2- дешев.,чем HNO3.
Х-зм
С-з карбамида из NH3 и СО2 протекает в 2стадии:
1. Образ-е карбомата аммония 2NH3 + СО2 à\<-- NH2- COONH4 + Q
2. Дегидратация карбомата аммония до карбамида:
NH2- COONH4 à\<-- (NH2)2C=O + Н2О – Q.
Карбомат NH4+ плавится при t= 152,=> при нагревании разлагается с образ-ем карбамида и воды.Т.О. обр-ся водн.р-р мочевины.
Причем «+»тепл.эффект 1ой р/ии значительно > отриц.тепл-го эффекта 2ой р/ии.
2ая стадия протекает в жидкой фазе. Она состоит из распл-го карбамата, Моч. и воды с раств-ым в ней NH3.
Поэт. достаточная скорость р/ии достигается при темп. 180-200град.но при этой t-ре карбомат диссоциирует на NH3 и СО2=> пр-сс необходимо проводить при повыш.давл. и p=200атм.(по принципу Ле-Шателье). Чтобы увел.выход продукта н/о взять в избытке NH3 и до min уменьш. V газ.смеси.При этих усл-х выход Моч. сост-ет ~70%.
Технолог.линия произ-ва
рис.
1. колонна с-за
2. дистилляционная колонна
3. выпарной аппарат
4. сборник
5. грануляционная башня
Р/ию проводят в конце с-за(1), кот. состоит из стального корпуса, внутри имеется цилиндр А. Жидк. NH3 под давл.20атм. подается в пространство м/у корпусом и цилинром(А), охлаждая стенки колонны,т.к. р/я экзотермическая. Заполняя все пространство м/у цилиндрами NH3 поступает ч/з днище внутрь цилиндра, смешивается с СО2,поступ-м снизу и быстро обр-ет карбомад. Жидк.р/оная масса запол. Vцилиндра и пропускается в дистилляционную колонну(2), где давл. снижается до 25атм.и отгоняется большая часть изб-го NH3,а не прореагир-ший карбомад разлогается на NH3 и СО2. Все эти в-ва улавливаются и снова направляются в колонну с-за(принцип циркуляции). Выход-ий из колонны водн.р-р Моч. выпаривают в вакууме в выпарном аппарате(3), а получ. 99-99,5% плав. гранулируют, разбрызгивая его с пом. вращающей воронки в гранул-й башне(5), куда постоянно подается холл.возд.,охл-ая капли плава. Продукт – гранулят удал-ся из колонны с пом. ленточного транспортера, упак-ся в водонепроницаемую упаковку, и на склад. Произ-ть установки 250т/сут.
27. Калийные удобрения,роль калия для раст.
Сырьем для произв-ва кал.удобр. явл. природные соли, их главный компонент – KCl. Нов в солях калия всегда присутствуют соли Na и Mg. К минералам относ. сильвинит(KCl*NaCl), карнолит(KCl*MgCl2*6H2O).
Произ-во KCl из сильвинита проводят м-дом выщелачивания. Раздел-е KCl и NaCl основано на избирательном растворение при разл.температуре. (см. справочник)
Концентрация KCl и NaCl в р-ре одинаковые. Этот насыщ.р-р сильвинита назв. щелоком. С повыш. темпр-ры с 25 до 100 град.раств-ть KCl резко возраст., а NaCl почти не меняется. Поэтому при охлаждении горячего насыщ. р-ра KCI выпадает осадок. Оставшийся фильтрат(щелок) снова нагревают и доб. нов.порцию сильвинита, в этом гор.щелоке б/т раств-ся т/о KCI, а NaCI раств-ся не б/т т.к. р-р был насыщен NaCI. Т.О. изменяя темп-ру р-ра для выдел. KCI из сильвинита м/о применять один и тот же щелок, осуществляя его циркуляцию.
Производство хлористого калия из сильвинита.
Сырьем для производства служит сильвинит (KCI, NaCI).
рис.
1-шнековые раств-ли(принцип мясорубки)
2-фильтр
3-вакуумные насосы(убирают избыток воды)
4-центрифуга
5-трубчатый теплообменник
6-сушильный барабан.
Сильвинит, измельченный на солемельнице до размеров част.3-4мм,раств-ют в корытообразных шнековых раств-х, при темп.105-110град.. Гор.щелок из раств-й сод-т примеси глинитстых минералов из солевого шлака(кристаллики NaCI). Их отделяют в отстойниках и сгустителях. Остатки кристалликов отфильтровывают в фильтре (2). Осветленный р-р KCI перекачивают в вакуум.охлад-ую установку, где р-р охл-ся до темп.60-65град и темп-ра кипит,т.к. вакууме идет испар-е воды. Теплоту этого пара используют для предворительного нагрева исх-го щелока. Полу-я взвесь крист-ов отстаивается в отстойниках и центрифугируется. Получ. KCI сод-т 5% влаги, поэт. сушится в барабанной сушилке. А маточный р-р из центрифуги подается в теплообменник, где сушится и снова поступает в шнековый раств-ль. Общ.степень извлечения KCI 90%. Для получ. 1т KCI треб.5т сильвинита,т.к. сод. KCI в сильв. 22%. Для этого расходуется 1400м3 воды,0,75т пара и количество отвала сост-ет 2,5-3т.
Существ.два метода производства: флотационный и галлургический.
Флотационный – основан на флотогравитационном разделении водорастворимых минералов калиной руды. Данный метод включает следующие операции:
1. измельчение руды с мокрым размолом до 0,5мм.
2. отделение глинистого шлама (методом флотации)
3. основная флотация(раздел.водораст-х минералов руды в присутствие собирателей(в солянокислые соли высших алифатич-х аминов- С12 и выше))
4. повторная флотация получ-го концентрата для удаления остав-ся примесей.
5. обезвоживание концентрата (методом фильтрования и сгущения)
6. сушка влажного концентрата
Этот Сп-б более экон-н т.к. не требует расходов на нагрев и имеет меньшее число аппаратов.
Ст.извлеч. флотации сост.90-92%, сод. KCI в концентрате- 95%.
Фосфорные удобр.
Сырье: 1) апатит- сод-т минерал – фтораппатит, предст. собой породу вулканического происх-я – 3Ca3(PO4)2*CaF2.
Круп.месторождения в Хибинских горах,в кач-ве примесей- нефосфатные минералы.
Напр. нефелин Na2O(K2O)*Al2O3*2SiO2.
Для произ-ва фосфор-х удобр. исп-ся продукты предвар-го обогащения апатитовых руд, а именно- апатитовый концентрат(сод.40%- P2O5,причем выход 20% от m апатитонефелиновой руды.
2) фосфориты- Ca3(PO4)2- породы осадочного происх-ния. Помимо апатита сод-т примеси доломита,кварца и глины.
Кр.месторождения: в горах Каратау, в Казахстане, фосфориты встреч. в виде пласта с крист-ой стр-рой,сод-т 26-30% P2O5. Эстонском, Курганском, Брянском и Егорьевском (Моск.обл.) в виде аппатитоподобных минералов с коллоидной стр-рой и сод-т 16-20% P2O5.
М-ды переработки фосфатного сырья зав-т от состава руды, м/б мех-ие и хим-ие.
Мех-ими м-дами- измельчение- получ.простые фосфорные удобр.- фосфорит.мука, металлург.шлаки, богатые фосфором.
Задачи химич.переработки прир.фосфоритов явл-ся превр-е их в раств-ые, легко усвояемые раст-ми высококонц-ые соли с min кол-вом балласта и вредных примесей.
схема
Кроме того,раств-ми солями явл-ся аммофосы NH4H2PO4*(NH4)2HPO4 и преципитат CaHPO4*2H2O.
Труднораств-ми солями явл-ся:
1) фосфоритная мука – мелко измел-й фосфат Са – усваивается ее действие проявляется на след.год после внесения, но длится неск-ко лет в следствие медленного перехода в слабокислой среде в раств-ые фосфаты.
2) Томосшлак – отход переработки чугуна в сталь, где сод-ся 12-20% P2O5.
3) шлаки мартеновск. и электропечей; сод-т P и др. микроэл-нты.
Произ-во преципитата
Преципитат получают нейтрализацией H3PO4 известковым молоком(Ca(OH)2) или действием H3PO4 на известняк(CaCO3)
H3PO4+ Ca(OH)2à CaHPO4*2H2O
H3PO4+ CaCO3+ H2Oà CaHPO4*2H2O + CO2
Получ. фосфат Ca отфильтровывают и высушивают, сод. P2O5-31%.
Из чист. фосфорн.к-ты получ.кормовой преципитат, кот.применяется в кач-ве подкормки скоту.
Р – входит в состав ферментов и витаминов, без него невозможно образование хлорофилла и усвоения раст. оксида углерода(СО2). Энергия необх-ая для с-за белков, жиров, углеводов доставляется соед-иями, из кот-х основная роль принадлежит аденозинтрифосфорной к-те. Р в составе НК участвует в с-зе белков, росте, размножении, передаче наследственных св-в. Р сокращает вегетационный п/д, ускоряет созревание и плодоношение, повышает урожайность культур, улучшает хим.состав продукции.
Преципитат (СаНРО4·2Н2О) обогащает корм фосфором и кальцием, необходим для роста костей. В качестве кормовой добавки применяют обезфторенный фосфат, кормовой преципитат и костяную муку (Бирский завод мясокостной муки).
Распр-ы водораствор-ые фосфорные удобрения в виде серого порошка или гранул. Состоит из дигидрофосфата и фосфогипса. Содержит 15-20% Р2О5. Получ. его разложением апатита или фосфорита. Получ. H2SO4 получают нитрозным способом разбав. до 60-70%.Идет в 2 стадии:
1) после смешивания сырья быстро разлаг-ся наружние части пылинок (30 мин) с образованием H2SO4 и гипса.
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4 à 3CaSO4 + 2 H3PO4
2) образовавш-ся H3PO4 значит-о медленнее реагирует с остатком сырья,т.к. CaSO4 падает в осадок,покрывает частицу руды. Проникновением внутрь более слабой кис-ты Н3РО4 затруднено,=> скорость процесса замедляется.
Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 à 3Ca(H2PO4)2
В процессе кристалл-ии присоедин-т H2О, превращаясь в моногидрат, в след.экзотермич.реакциитемпер-а увелич-ся до 110град.
Н2О, вводимая с H2SO4 частично испаряется ,=> реакционная масса превращается в пористую тверд.массу. Этот процесс медленный, в производстве наз-ся вызреванием.
Для полного протекания процесса готовый суперфосфат держат в складе 14-20 дней. В итоге после вызревания простой суперфосфат соответствует формуле:
Ca(H2PO4)2*2H2O + CaSO4*2H2O
Кроме полезного вещества содержит балласт-гипс, который отделить от простого супер-та невозможно и экономически невыгодно. Целесообразно сразу получить дигидрофосфат Са(двойной суперфосфат).
Технологическая схема произ-ва прост.супер-та по непрерывному способу.
В силосах- хранилищах(1) находится запас сырья, с пом. шнекового питателя(3)и ковшевого элеватора(2) сырье измельчается и ссыпается в бункер(4). На автоматических весах(5) отмеряется необх-ая доза сырья за счет движения резиновой ленты, соединенной с задвижкой. От веса сырья лента прогибается и давит на прижатый к ней ролик, связанный с задвижкой, регулирующую ширину щели, ч/з кот. высыпается сырье. Ч/з бункер(6) фосфат поступает в сместитель(7), куда одновременно подается СК, хранящаяся в баке(8), причем СК предварительно смешивается с водой в сместителе(9). После проверки ее конц-ия в конценратомере(11) ч/з расходомер также поступает в смеситель(7). Пол-ая пульпа стекает в камеру вызревания(12), предста-ая собой вертикальный железобетонный цилиндр, кот. медленно вращ-ся вокруг не подвижного полуцилиндра. Оба они подвешаны не подвижными крышками камеры. Пульпа поступает в пространство м/у стеками цилиндров, затвердевает и наслаивается(«вызревание пирога»). Постепенно толщ. его доходит до карусели с ножами(13), вращающаяся в противопол-ую сторону. Ножи срезают излишки суперфосфата. Транспортерной лентой продукт выводится на склад. Произв-ть установки – 100т/час.