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无机化工_图文_

更新时间:2020-11-12 16:42

  

  无机化工_能源/化工_工程科技_专业资料。第三章 无机化工 无机化学工业是以天然资源和工业副产物为原 料生产硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等无机酸,纯碱、烧 碱、合成氨、化肥以及无机盐等化工产品的工业。 过去,评价一个国家化学工业发达程度的标志是 看

  第三章 无机化工 无机化学工业是以天然资源和工业副产物为原 料生产硫酸、硝酸、盐酸、磷酸等无机酸,纯碱、烧 碱、合成氨、化肥以及无机盐等化工产品的工业。 过去,评价一个国家化学工业发达程度的标志是 看硫酸的产量,后来则首先要比较乙烯的生产能力, 当前则要看化工产品的精细化率。 3.1无机化工的特点 ①在化学工业中是发展较早的部门,为单元操作 的形成和发展奠定了基础。 合成氨装置 3.1无机化工的特点 ②主要产品多为用途广泛的基本 化工原料。与其他化工产品比较, 无机化工产品的产量较大。 ③除无机盐品种繁多外,其他无 机化工产品品种不多。 ④近年来新型无机化工产品不断 出现,逐渐形成新的无机化工材 料产业。 3.2无机化工原料 无机化学工业的原料大致可分为五大类:空气、水、 化学矿物、化石燃料及工业农业副产品。 无机化学矿主要用于生产无机化合物和冶炼金属主要 矿物产品有: (1) 盐矿:岩盐、海盐或湖盐等,用于制造纯碱、烧 碱、盐酸等; (2) 硫矿:硫磺(S)、硫铁矿(FeS2)等,用于生产 硫酸和硫磺; (3)磷矿:用于生产磷肥、磷酸及磷酸盐等。 辅助原料及副产物 化石燃料包括煤、石油、天然气、油页岩 等。它们既是有机化工原料,也是无机化工的 重要原料。 很多工业部门的副产物和废物,也是无机 化工的原料,例如:钢铁工业中炼焦生产过程 的焦炉煤气,其中所含的氨可用硫酸加以回收 制成硫酸铵,黄铜矿、方铅矿、闪锌矿的冶炼 废气中的二氧化硫可用来生产硫酸等。 3.3重要的无机化工产品 3.3.1硫酸、硝酸 (一)硫酸 硫酸工业的主要产品有浓硫酸(H2SO4含量 93%~98%)、稀硫酸(H2SO4含量75%~78%) 发烟硫酸(含游离SO3 20%~65%)、蓄电池用硫 酸、试剂用硫酸、液体二氧化硫、液体三氧化硫 等产品。 (一)硫酸 硫酸素有“工业之母”之称,在国民经济各部门 有着广泛用途,诸如,石油精制,金属材料的酸洗, 铜、铝、锌等有色金属的提炼,纺织品的漂白、印染, 除草剂、炸药等的制造都需要大量的硫酸。尤其是现 代尖端科学技术领域,作为火箭高能燃料的氧化剂, 耐高温轻质钛合金和高温涂料的制造等,都离不开硫 酸或发烟硫酸。 (一)硫酸 就化学工业本身而言,如化学肥料和酸类的制 造,各种无机盐的生产,多种工业气体的干燥等都 要使用很多硫酸;在有机化工领域,染料中间体、 塑料、药品、橡胶、人造纤维、合成洗涤剂、蓄电 池等的生产也都要以硫酸做原料。据统计,化学工 业本身使用的硫酸量为最大,占总产量的70%~80 %,其中,化学肥料所用量占1/3~2/3。 硫酸的危险特性 硫酸本身虽然不燃,但化学性质非常活泼。有 强烈刺激性和吸水性。遇水发生高热而爆炸。与许 多物质、特别是木屑、稻草、纸张等基础猛烈反应, 放出高热,并可引起燃烧。遇电石、高氯酸钾、硝 酸、金属粉末及其它可燃物能猛烈反应,发生爆炸 或燃烧。遇金属即反应产生氢气。腐蚀性强,能严 重灼伤眼睛和皮肤。稀酸也能强烈刺激眼睛造成灼 伤,并能刺激皮肤生产皮炎。硫酸能与皮肤中的水 分混合,出现化学灼伤,且能浸透到深部。 (二)硝酸 硝酸能以任意比例与水混合,并放出热量。工业硝 酸依HNO3含量多少可分为浓硝酸(96%~98%HNO3) 和稀硝酸(45%~70%HNO3)。 硝酸是基本化学工业重要的产品之一,产量在各类 酸中仅次于硫酸。主要用于制造肥料,如硝酸铵,硝酸 钾等。用硝酸分解磷灰石可制得高浓度的氮磷复合肥。 浓硝酸最主要用于国防工业,是生产三硝基甲苯 (TNT)、硝化纤维、硝化甘油的主要原料。硝酸广泛 用于有机合成工业,用硝酸将苯硝化并经还原制得苯胺, 硝酸氧化苯制造邻苯二甲酸,均可用于染料生产。 硝酸的危险特性 硝酸对人体皮肤会引起严重的烧伤,溅入眼睛 尤其危险,氮氧化物和硝酸蒸气低浓度时会引起呼 吸道粘膜刺激症状,如咳嗽等。高浓度时,引起头 痛、强烈咳嗽、胸闷、严重者出现肺气肿。工作场 所空气中的NO2允许浓度必须严格控制,我国规定为 0.085mg/m3,美国为0.1mg/m3,德国为0.08 mg/m3。 不慎被浓硝酸灼伤皮肤应立即用大量水或小苏 打水清洗 并及时送医院救治。 3.3.2纯碱与烧碱 (一)纯碱 纯碱的化学名即碳酸钠(Na2CO3),也称为苏打 或碱灰,为无水、白色粉末。工业产品的纯度在99% 左右,依颗粒大小、堆积密度的不同,可分为超轻质 纯碱、轻质纯碱和重质纯碱。 (一)纯碱 纯碱的主要用途: 生产各种玻璃; 制取各种钠盐和金属碳酸盐等化学品; 用于造纸; 肥皂和洗涤剂; 染料; 陶瓷; 冶金; 食品工业和日常生活。 (二)烧碱 烧碱即氢氧化钠,亦称苛性钠。烧碱的工业品有液 体和固体,其中液体为不同含量的氢氧化钠水溶液;固 体白色不透明,常制成片、棒、粒状,或熔融态以铁桶 包装。 氢氧化钠吸湿性很强,易溶于水,溶解时强烈放热。 水溶液呈强碱性,手感滑腻;也易溶于乙醇和甘油,不 溶于丙酮。烧碱有强烈的腐蚀性,对皮肤、织物、纸张 等侵蚀剧烈;易吸收空气中的二氧化碳变为碳酸钠;与 酸起中和作用而生成盐。 (二)烧碱 烧碱是一种基本的无机化工产品,广泛应用于 造纸、纺织、印染、搪瓷、医药、染料、农药、制 革、石油精炼、动植物油脂加工、橡胶、轻工等工 业部门;也用于氧化铝的提取和金属制品加工。 烧碱工业生产有苛化法和电解法两种。 烧碱的危险特性 与酸反应并放出大量热,遇潮时与铝、锌和锡 反应并放出氢气;遇水放出大量热,使可燃物着火, 水溶液为强腐蚀性。粉尘刺激咽喉和呼吸道;皮肤 和眼睛直接接触可引起灼伤;误服可造成消化道灼 伤、黏膜糜烂、出血和休克。 接触后应用大量水冲洗,眼睛接触用大量水冲 洗后用硼酸溶液冲洗;如误服立即漱口,饮水及醋 或1%醋酸,并送医院急救。 3.3.3氨与尿素 (一)氨 氨是一种含氮化合物,是化学工业中产量最大的 产品之一。氨的用途很广,除氨本身可用作化肥外, 还可以加工成各种氮肥和含氮复合肥料,氨还可以用 来制造硝酸,纯碱,塑料,染料等及其他含氮的无机 和有机化合物。在国防和尖端科学部门,用氨来制造 硝化甘油,硝化纤维,三硝基甲苯(TNT),三硝基 苯酚等炸药,及导弹推进剂和氧化剂等。氨还是常用 的冷冻剂之一。 氨的危险特性 氨有油脂或其他可燃物存在情况下,能增强燃 烧危险。爆炸极限16%~25%,高温下爆炸极限加 宽。自燃点651℃。高毒,氨对皮肤、黏膜及眼睛 有腐蚀性。可引起严重咳嗽、支气管痉挛、肺水肿 和窒息。接触液氨可引起严重灼伤。 广西北海制冷车间爆燃起火致氨气泄漏 ? 厂区内寒气逼人 (二)尿素 尿素,又称碳酰二胺。纯净的尿素为白色、无味、无 臭的针状或棱柱状结晶体,含氮量为46.6%,当含有杂质 时,略带微红色。尿素在农业和工业上都有广泛的用途。 ①肥料②在有机合成工业中,尿素可用来制取高聚物合成 材料,尿素甲醛树脂可用于生产塑料、漆料和胶合剂等; 在医药工业中,其可作为利尿剂、镇静剂、止痛剂等原料。 此外,在石油、纺织、纤维素、造纸、炸药、染料和选矿 等生产中也都需用尿素。③尿素可用作牛、羊等反刍动物 的辅助饲料,反刍动物胃中的微生物将尿素的胺态氮转变 为蛋白质,使动物肉、奶增产。但其在饲料中的最高掺入 量不得超过反刍动物所需蛋白质量的1/3。 3.3.4无机盐工业 无机盐系指由金属离子或铵离子与酸根阴离 子组成的物质。无机盐工业的范围至今没有统一 的概念。在我国,绝大多数无机化工产品都属无 机盐工业范畴,但不包括已独立形成部门的三酸 (硫酸、盐酸、硝酸)、两碱(纯碱、烧碱)、 化肥、原盐和无机非金属材料的生产。 无机盐的特点: ? 1、品种多 ? 2、产品应用面广,消费结构复杂 ? 3、加工方法多样化 ? 4、生产规模小,单品种产量不大 3.4典型的无机产品生产工艺 3.4.1 接触法生产硫酸工艺 接触法的基本原理是在催化剂存在下,以空气中 的氧氧化二氧化硫,其生产过程分三步: ①从含硫原料制造二氧化硫气体; ②将SO2氧化为三氧化硫 ③三氧化硫与水结合生成硫酸 SO3+H2O→H2SO4+Q 接触法不仅可制得任意浓度的硫酸,而且可制得 无水三氧化硫及不同浓度的发烟酸。该法操作简单、 稳定,热能利用率高。 生产硫酸的原料 硫铁矿:主要成份是FeS2。自然开采的硫铁矿都含有很多 杂质,使矿呈灰、褐、黄铜等不同颜色。通常含硫量只有 30%~50%。 硫磺:世界上主要用硫黄作原料制硫酸,是因为用硫黄作 原料成本低,对环境的污染少。我国由于硫黄矿产资源较 少,主要用黄铁矿作原料,。 其它原料:硫酸盐、冶炼烟气、含硫工业废料等。 接触法主要步骤 含硫原料 原料气的制备 含二氧化硫炉气 二氧化硫转化 净化炉气 炉气净制 含三氧化硫气体 吸收成酸 硫酸 (一) 从硫铁矿制二氧化硫炉气 硫铁矿的焙烧要选择合适的设 备——沸腾炉(由于矿粒在沸腾炉 中燃烧得比较完全,从而可提高原 料的利用率),注意焙烧的温度控 制(控制反应进程),余热的回收 及除尘。 (二)炉气的净化与干燥 从燃烧炉中出来的气体叫做炉气。用燃烧黄铁矿制得 的炉气含有SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质和矿尘等。 杂质和矿尘都会使催化剂中毒,水蒸气对设备和生产也有 不良影响。因此,在进行下一步氧化反应以前,必须对炉 气进行净化和干燥处理才能进入下工序。用燃烧硫黄制得 的炉气除含有SO2、O2和N2外,杂质较少,不需要经过净 化和干燥处理。 (三) 二氧化硫的催化氧化 经过净化、干燥的炉气进 入接触室,发生氧化反应,生 成SO3。 SO2(g) + 0.5O2(g) = SO3(g) SO2 跟 O2 是 在 催 化 剂 ( 如 V2O5等)表面上接触时发生反 应的,所以,这种生产硫酸的 方法叫做接触法。 段间换热式转化器的中间冷却方式 段间换热主要有间接换热式和冷激式两种。间接换 热又分为内部间接换热和外部间接换热。 (四)三氧化硫的吸收 在接触室SO2催化 氧化成SO3,从接触室 出来的气体,主要是 SO3、N2以及剩余的未 起 反 应 的 O2 和 SO2 , 送入吸收工序用发烟 硫酸或浓硫酸吸收。 (四)三氧化硫的吸收 吸收过程可写为: nSO3(g) + H2O(l) = H2SO4(aq) + (n-1)SO3(aq) n1时生成发烟硫酸, n=1时生成无水硫酸, n1时 生成含水硫酸。 H2SO4虽然是由SO3跟H2O化合制得的,但工业上 并不直接用H2O或稀硫酸来吸收SO3,而用H2SO4质量 分数为98.3%的硫酸作吸收剂。 炉气含有SO2、O2、 N2、水蒸气以及一些 杂质和矿尘 SO2O2N 2 SO2O2N 2 SO3SO2O2N2 接触法生产硫酸的工艺流程框图 3.4.2 氨碱法生产纯碱工艺 1861年,比利时人索尔维(E·solvay)发明了的以食 盐、氨、二氧化碳原料制Na2CO3的方法,该法实现了连续 化生产,食盐利用率得到提高,使纯碱价格大大降低,并 且产品质量纯净,故被称纯碱。 3.4.2 氨碱法生产纯碱工艺 (一)氨碱法的生产原理 NaCl + NH3 + CO2 + H2O = NaHCO3 (s)+ NH4Cl 生成的碳酸氢钠煅烧分解后可得纯碱: 2NaHCO3 (s) = Na2CO3 (s)+ CO2 + H2O NH3是要循环利用的,可由下列反应回收: NH4Cl + Ca(OH)2 = 2NH3 + CaCl2 + 2H2O 反收应一需部要分的。CO2主要由煅烧石灰石得到,煅烧碳酸氢钠时也可回 (二) 氨碱法的工艺流程 NaCl + NH3 + CO2 + H2O = NaHCO3 (s)+ NH4Cl 沉淀 钙 煅烧碳酸钙 (三)侯氏联合制碱法 为了进一步提高食盐的利用率、改进索尔维制碱法在 生产中生成大量 CaCl2废弃物这一不足 ,侯德榜先生在 1940年完成了新的工艺路线,把制碱和制氨的生产联合起 来,省去了石灰石煅烧产生CO2和蒸氨的设备,从而节约 了成本,大大提高了经济效益。1943年,这种新的制碱法 被正式命名为“侯氏联合制碱法”。 联碱法与氨碱法的区别 氨 碱 法 联 碱 法 联碱法与氨碱法的区别 区别:联碱法与氨碱法的主要区别是重碱过滤后母液 (称为一次母液)的处理上。氨碱法是将母液送往蒸氨塔 回收其中的氨,而废液直接排弃。联碱法则是将母液中的 氯化铵分离出来,剩余的二次母液再送入制碱系统循环利 用,不产生大量废弃物,产品又有氯化铵。 优点:①原料利用率高,产1t纯碱的同时副产1t氯化铵, 食盐利用率高达95%。②不需要石灰石和焦炭,成本低。 ③缩短了纯碱生产流程,节省投资。④无大量废液排放。 缺点:设备腐蚀较严重;设备生产强度较低;氯化铵销 售受限。 3.4.3 合成氨 地壳中氮的质量 分 数 只 有 0.0046 % , 而在空气中体积比却 高 达 78 % , 这 是 巨 大 的氮资源。生物可以 很好的高效自我固氮, 而目前人工固氮的最 好方法就是合成氨。 (一)合成氨发展的三个典型特点 1. 生产规模大型化。 1000~1500T/日。 2. 能量的合理利用。 用过程余热自产蒸汽推 动蒸汽机供动力,基本不用电能。 3. 高度自动化。自动操作、自动控制的典型现 代化工厂。 (二)目前合成氨的主要生产过程 1. 制气 用煤或原油、天然气作原料,制备含氮、氢气的原料气。 2. 净化 将原料气中的杂质:CO、CO2、S等脱除到ppm级。 3. 压缩和合成 合成氨需要高温、高压,净化后的合成气原料气必须经过 压缩到15~30MPa、450℃左右,在催化剂的作用下才能顺 利地在合成塔内反应生成氨。 合成氨工艺流程框图 1. 原料气的制取 合成氨的生产需要高纯氢气和氮气。氢气的主要来 源有:气态烃类转化、固体燃料气化和重质烃类转化。其 中以天然气为原料的气态烃类转化过程经济效益最高。 天然气中主要成份为甲烷,还含有乙烷、丙烷及其他 少量烯烃等,其中也有极少量的S等对催化剂有害的元素。 一般以甲烷为代表来讨论主要反应及其控制条件。 1. 原料气的制取 在高温有催化剂存在的条件下可实现下述反应: CH4(g) + H2O(g) = CO(g) + 3H2(g) CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2(g) 但要完成这一工业过程,必须对可能发生的主要反应 及副反应进行详细研究。主要的副反应有: CH4(g) = C (s) + 2H2(g) 2CO(g) = CO2(g) + C(s) CO(g) + H2(g) = C(s) + H2O(g) 2. 原料气的净化 (1)原料气的脱硫 防止后续工艺的催化剂中毒。 (2)一氧化碳变换 变换的作用是将原料气中的CO变成CO2和H2。 H2是合成氨需要的最重要成份。CO、CO2对氨的 合成有害,后面工序还需将其除去。 (3)二氧化碳的脱除 3. 氨的合成 氨合成工序不但有氨合成反应,还有氨分离及未 反应气体循环等,流程复杂,影响因素多。 3. 氨的合成 工艺条件: 压强: 15MPa— 30MPa 温度:400—500℃ 3.4.4 离子膜法生产烧碱 2NaCl(aq) + 2H2O = Cl2(g) + H2(g) + 2NaOH(aq)

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