Производство неорганических кислот с точки зрения экологии

Рассмотрены процессы получения неорганических кислот и экологические проблемы связаные с ними ...

ВВЕДЕНИЕ 3
1. Производство серной кислоты 4
1.1 Свойства, применение 4
1.2 Технология производства 5
1.3 Экологические проблемы и решения при производстве серной кислоты 8
2. Производство азотной кислоты 10
2.1 Свойства 10
2.3 Энерготехнологическая система в производстве азотной кислоты 12
3. Производство соляной кислоты 15
3.2 Способы производства соляной кислоты 15
Заключение 21
Библиографический список 22

Современная биосфера является продуктом многообразных процессов, протекающих на Земле 3,5 — 4,0 млрд лет. Окружающая нас атмосфера создана природой и остается неизменной в течение последних примерно 50 млн лет. Но в последние десятилетия говорится о все большем изменении ее состава, разрушении озонового подслоя, изменении прозрачности и, соответственно, появлении смога, увеличении ее загрязнения оксидами серы и азота, свинцом, ртутью, канцерогенными и другими веществами.
Выбросы и выпадение из атмосферы соединений серы и азота с кислотными дождями приводят к загрязнению всей биосферы в целом.

Для улучшения абсорбции охлаждают газ и кислоту, поступающую в абсорбер, при этом увеличивается движущая сила процесса. Во всех башнях контактного производства, включая и абсорберы, количество орошающей кислоты во много раз больше, чем нужно для поглощения компонентов газа (Н20, S03), и определяется тепловым балансом. Для охлаждения циркулирующих кислот устанавливаются обычно оросительные холодильники, в трубах которых, орошаемых снаружи холодной водой,протекает охлаждаемая кислота.1.3 Экологические проблемы и решения при производстве серной кислотыЭкологически безопасной является замкнутая система производства серной кислоты, практически исключающая выбросы в атмосферу. В замкнутой системе серную кислоту получают из серы под давлением (1 МПа) и при высокой концентрации сернистого газа (-80 %) в исходной смеси. В нашей стране разработана принципиально новая нетрадиционная технология производства серной кислоты из отходящих газов цветной металлургии и дымовых газов, содержащих 0,6-4,0 % сернистого газа. Окисление S02 в S03 происходит в реакторе с периодическим переключением потока газа и единственным слоем катализатора. Сущность процесса заключается в том, что при пропускании газовой смеси через слой катализатора в нем протекаетэкзотермическая реакция и устанавливается медленно движущийся тепловой фронт. Когда он достигает конца слоя катализатора, изменяют направление потока, и фронт двигается в обратную сторону. На новый реактор уходит в несколько раз меньше металла; он оказывает потоку газа вдвое меньшее гидравлическое сопротивление; уменьшаются общие капитальные затраты на 30-80 % и не требуется затрат топлива на подогрев смеси. Такие установки действуют на четырех металлургических заводах, например, на Красно-Уральском медеплавильном комбинате. При обжиге серного колчедана отходы пиритных огарков составляют 70 % от массы колчедана. На 1т производимой кислоты выход огарка составляет около 0,55 т. Пиритные огарки состоят, главным образом, из железа (40-63 %) с небольшими примесями серы (1-2 %), меди (0,33-0,47 %), цинка (0,42-1,35 %), свинца (0,32-0,58 %), драгоценных (10-20 г/т) и других металлов.Утилизация пиритных огарков возможна по нескольким направлениям:• для извлечения цветных металлов и производства чугуна и стали;• в цементной промышленности;• в сельском хозяйстве и т. д.Однако в настоящее время пиритные огарки используют главным образом в цементной промышленности в качестве минерализующей добавки к портландцементной шихте.Небольшие количества огарка и пыли сухих электрофильтровиспользуют для получения минеральных пигментов: железногосурика, охры. Пиритные огарки используются в сельском хозяйстве в качестве удобрений, содержащих медь, а также для получения некоторых инсектицидов[2].Производство азотной кислоты2.1 СвойстваЧистая азотная кислота представляет собой бесцветную жидкость с едким запахом плотностью 1, 52 г/см3 и кипит при 84°С, а при -41°С затвердевает в бесцветное кристаллическое вещество. Обычно применяемая на практике концентрированная азотная кислота содержит 65 – 70% HNO3 (максимальная плотность 1, 4 г/см3); с водой кислота смешивается в любых соотношениях. Существует также дымящая азотная кислота с концентрацией 97 – 99%.Азотная кислота высокой концентрации выделяет на воздухе газы, которые в закрытой бутылке обнаруживаются в виде коричневых паров (оксиды азота). Эти газы очень ядовиты, так что нужно остерегаться их вдыхания. Азотная кислота окисляет многие органические вещества. Бумага и ткани разрушаются вследствие окисления образующих эти материалы веществ. Концентрированная азотная кислота вызывает сильные ожоги при длительном контакте и пожелтение кожи на несколько  дней  при  кратком  контакте.  Пожелтение кожи свидетельствует о разрушении белка и выделении серы (качественная реакция на концентрированную азотную кислоту – жёлтое окрашивание из-за выделения элементной серы при действии кислоты на белок – ксантопротеиновая реакция). То есть – это ожог кожи. Чтобы предотвратить ожог, следует работать с концентрированной азотной кислотой в резиновых перчатках. В то же время обращение с азотной кислотой менее опасно, чем, например, с серной, она быстро испаряется и не остаётся в неожиданных местах. Брызги азотной кислоты следует смывать большим количеством воды, а ещё лучше смачивать раствором соды.Дымящая азотная кислота при хранении под действием теплоты и на свету частично разлагается:4HNO3 = 2H2O + 4NO2 + O2.Чем выше температура и чем концентрированнее кислота, тем быстрее идёт разложение. Поэтому хранят её в прохладном и тёмном месте. Выделяющийся диоксид азота растворяется в кислоте и придаёт ей бурую окраску.Азотная кислота – одна из самых агрессивных, она действует на большинство металлов (за исключением золота, платины, родия, иридия, тантала и некоторых других: поэтому с помощью неё можно отделить золото от серебра). При этом металлы чаще всего переходят в нитраты (олово, сурьма, мышьяк, молибден и вольфрам – в гидратированные оксиды), а азот кислоты восстанавливается. Наиболее энергично реагируют щелочные металлы[3].Технология производстваСырьем процесса служат синтетический аммиак, кислород воздуха и вода. Протекают следующие реакции:окисление аммиака кислородом воздуха:4NH3 + 502 = 4NO + 6Н20 + Q1;окисление оксида азота до диоксида азота:2NO + 02 = 2N02 + Q2;поглощение N02 водой с образованием азотной кислоты:3N02 + Н20 = 2HN03 + N0 + Q3.Одновременно с третьей реакцией проводят вторую, с тем, чтобы весь N0, превращался в HN03. Все реакции экзотермические.Исходя из химической схемы превращения, функциональная схема производства будет включать подсистемы окисления аммиака, последующее охлаждение газов, окисление оксида азота и абсорбцию образующихся нитрозных газов водой.Окисление аммиака — сложная необратимая экзотермическая каталитическая реакция. Аммиак окисляется до N2 и NO. В качестве катализатора используется платина или платина-палладий-родиевый сплав, содержание платины в котором находится в пределах 81-92%. Температура процесса - 1100-1200 К. И этих условиях практически не образуется закись азота N20. Из-за обратимости экзотермической реакции ее равновесие при температуре окисления аммиака сдвинул о влево, и диоксид азота также отсутствует.Окисление оксида азота - гомогенная обратимая экзотермическая реакция, при температурах ниже 400К равновесие практически полностью сдвинуто в сторону образования N02. Данная реакция может протекать везде: в трубопроводах, теплообменниках и в других аппаратах.Так как реакция окисления NO - экзотермическая, необходимо дополнительное охлаждение нитрозного газа. При охлаждении конденсируется вода - ее образуется в 1,5 раза больше потребляемого аммиака. В результате взаимодействия конденсирующейся воды с нитрозным газом образуется азотная кислота. Целесообразно сократить время контакта газа с водой, для чего используют специальный скоростной теплообменник-конденсатор. Образующаяся в нем 30%-ная кислота направляется в соответствующее этой концентрации сечение абсорбционной колонны.Диоксид азота взаимодействует с водой по схеме:2N02 + Н20 = HNO3 + HN02;3HN02 = HNO3 + 2N0 + H20.Образующаяся по первой реакции азотистая кислота нестойка исразу разлагается с выделением части NO в газовую фазу.2.3 Энерготехнологическая система в производстве азотной кислотыПосле абсорбции отходящие газы содержат 0,1% оксидов азота и должны быть очищены. При атмосферном давлении и низкой температуре образуется димер диоксида азота N204 - газ буро-желтого цвета. Поэтому выходящий из трубы не очищенный нитрозный газ получил название «лисий хвост». Атмосферные осадки, захватывая оксиды азота, образуют кислотные дожди.Очистку газов от оксидов азота осуществляют их каталитическимвосстановлением до N2. Восстановителем может служить аммиак, который после абсорбции дозируют в газы перед реактором - нейтрализатором. Восстановителем может выступать и метан (природный газ). Последний удобно использовать при организации энерготехнологической системы.После абсорбции газы находятся под повышенным давлением, потенциал которого можно использовать в газовой турбине для привода воздушного компрессора. По энергии отходящих газов как рабочего тела турбины для сжатия воздуха до давления на входе в систему недостаточно. Во-первых, имеют место потери на преодоление гидравлического сопротивления в аппаратах и трубопроводах, и отходящие газы имеют давление несколько меньшее, чем на входе. Во-вторых, объем отходящего газа также уменьшен, так как почти весь кислород расходуется па образование продукта. Энергию рабочего тела можно увеличить, если его нагреть. Для этого в технологическую систему вводят энергетический узел - горелку природного газа. Задействуя дополнительный энергетический узел (горелка 4), можно полностью освободиться от использования энергии со стороны для обеспечения ею воздушного компрессора. Концентрация остаточного кислорода в газе после абсорбции и количество природного газа выбирают таким образом, чтобы в газе после горелки оставалось достаточно метана и была восстановительная атмосфера для превращения оксидов азота в азот. Этим условиям отвечает 10%-ный избыток СН4 и соотношение СН4 : 02 = 0,55. После каталитической очистки концентрация оксидов азота понижается с 0,1 до 0,002-0,008% (об.)[4].Производство соляной кислоты3.1 Свойства, применение.Соляная кислота  — HCl, раствор  HYPERLINK "https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%BB%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BE%D1%80%D0%BE%D0%B4" \o "Хлороводород" хлороводорода в воде; сильная одноосновная кислота. Бесцветная, «дымящая» на воздухе, едкая жидкость. Максимальная концентрация при 20 °C равна 38% по массе, плотность такого раствора 1,19 г/см³. Молярная масса 36,46г/моль. Соли соляной кислоты называются хлоридами[5].Хлористый водород используется, в основном, для гидрохлорирования органических соединений. Соляная кислота используется для производства хлоридов металлов, в цветной металлургии, для травления черных металлов, в производстве органических веществ[6].Соляная кислота химически весьма активна. Растворяет с выделением водорода все металлы, имеющие отрицательный нормальный потенциал, со многими оксидами и гидроксидами металлов образует хлориды, выделяет свободные кислоты из таких солей, как фосфаты, силикаты, бораты и др.3.2 Способы производства соляной кислотыВодный раствор хлористого водорода издавна получали из поваренной соли, действуя на нее серной кислотой. Этот, так называемый сульфатный, способ производства соляной кислоты долгое время был единственным. Затем стали получать синтетический хлористый водород из хлора и водорода. Кроме того, значительные количества хлористого водорода получают в качестве побочного продукта при хлорировании органических веществ и других продуктов. Таким образом, в промышленности соляную кислоту получают следующими способами: – сульфатным; – синтетическим; – из абгазов (побочных газов) ряда процессов. Во всех случаях производство соляной кислоты (реактивной, полученной сульфатным способом, синтетической, абгазной) состоит из двух стадий: 1) получения хлористого водорода 2) поглощения (абсорбции) хлористого водорода водой. В зависимости от способа отвода теплоты абсорбции, которая достигает 72,8 кДж/моль процессы разделяются на изотермические (при постоянной температуре), адиабатические (без теплообмена с окружающей средой) и комбинированные. Сульфатный метод основан на взаимодействии хлорида натрия NaCl с концентрированной серной кислотой Н2SO4 (92-93%) при 500–550°С.