Химия · Химические реакции · 9 класс

Химическая промышленность и заводы

Полиэтилен из кашкадарьинского газа, удобрение из воздуха: как реакция становится заводом?

Ситуация

В пробирке аммиак получить легко: достаточно нагреть хлорид аммония с гашёной известью. Но «Навоиазот» выпускает сотни тысяч тонн аммиака и карбамида в год — из азота воздуха и природного газа. Из газа Кашкадарьи делают полиэтилен, в Мубареке из кислого газа получают серу, а на «Узбекистан GTL» из газа — дизельное топливо. Как лабораторная реакция превращается в завод, работающий днём и ночью, экономный и безопасный, и каким будет будущее химической промышленности?

Тема

Химическая промышленность: от реакции до завода. Карта химической промышленности Узбекистана: «Навоиазот», «Максам-Чирчик», «Ферганаазот», «Аммофос-Максам», Кунгратская содовая, Шуртанский и Устюртский газохимические комплексы — от сырья…

Ключевые понятия

Циркуляция и катализатор
Противоток
Химические предприятия Узбекистана

Формулы

N_{2} + 3 H_{2} ⇌_{\underset{}{t, p}}^{\overset{}{Fe}} 2 NH_{3} Δ H = - 92 kJ

Синтез аммиака — классический пример принципов промышленного производства: катализатор, оптимальные температура и давление, циркуляция, теплообмен.

X_{общ} = \frac{α}{α + β - α β}

Циркуляция: даже если конверсия за один проход α мала, общая конверсия высока, потому что непрореагировавший газ возвращают (β — доля, выводимая на очистку).

ε_{противоток} = \frac{N T U}{1 + N T U} > ε_{прямоток} = \frac{1 - e^{- 2 N T U}}{2}

Эффективность теплообменника: при противотоке возвращается большая часть теплоты (при прямотоке — самое большее 50 %).

2 NH_{3} + CO_{2} \overset{}{\to} CO (NH_{2})_{2} + H_{2} O

Синтез карбамида: «отход» аммиачного завода — CO₂ — становится сырьём.

Атомная экономия = \frac{M (продукта)}{\sum M (реагентов)} \cdot 100 %

Показатель зелёной химии: какая доля атомов реагентов переходит в нужный продукт.

Теория

От химической реакции к заводу (§ 41)

Химическое производство — это химико-технологическая система, состоящая из подготовки сырья, химического процесса в реакторе, выделения и очистки продукта и обезвреживания отходов. При выборе реакции одновременно учитывают её скорость и равновесие. Основные научные принципы: 1) оптимальные условия — температуру, давление и катализатор выбирают как компромисс между скоростью и выходом; 2) непрерывный процесс — аппараты работают круглосуточно в постоянном режиме, автоматизировать проще; 3) противоток — вещества (газ и жидкость, горячий и холодный потоки) движутся навстречу друг другу: в абсорбционных колоннах, при сушке, в теплообменниках — разность остаётся большой на всём пути; 4) теплообмен (экономия энергии) — теплота экзотермической реакции идёт на нагрев поступающего сырья; 5) циркуляция — непрореагировавшие вещества выделяют и возвращают в реактор; 6) комплексное использование сырья и безотходная технология. Показатели: конверсия X (какая доля реагента превратилась), селективность S (какая доля превратившегося реагента перешла в нужный продукт), выход Φ = X·S, производительность (количество продукта в единицу времени).

Химическая промышленность Узбекистана (карта)

Азотные удобрения: «Навоиазот» (с 2020 года новый комплекс — 660 тыс. т аммиака и 577,5 тыс. т карбамида в год; с 2019 года ПВХ, едкий натр и метанол), «Максам-Чирчик» (с 1940 года; аммиак, аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония), «Ферганаазот». Фосфорные удобрения: «Аммофос-Максам» (Алмалык, 1969) — аммофос и суперфосфат из Кызылкумского фосфорита. Калий: Дехканабад — KCl из сильвинита. Сода: Кунградский содовый завод (2006; 200 тыс. т в год). Газохимия: Шуртанский ГХК (2001; по проекту 125 тыс. т полиэтилена), Устюртский ГХК (2016; 387 тыс. т полиэтилена и 83 тыс. т полипропилена), «Узбекистан GTL» (2021; из 3,6 млрд м³ газа ≈ 1,5 млн т синтетического топлива). Переработка газа и нефти: Мубарекский ГПЗ (1971; сера из кислого газа), Ферганский (1959) и Бухарский (1997) нефтеперерабатывающие заводы. Производство аммиака, серной кислоты и соды подробно разобрано в экспериментах «Обратимая реакция и равновесие», «Серная кислота и контактный способ» и «Щелочные металлы и сода».

На примере синтеза аммиака: числа модели

$N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3}$ экзотермична и идёт с уменьшением числа молей газа: равновесию благоприятны низкая температура и высокое давление (принцип Ле Шателье). Но при низкой температуре реакция очень медленная, поэтому выбирают железный катализатор (с добавками K₂O и Al₂O₃) и компромиссные 400–500 °C, 15–30 МПа (150–300 атм). Без катализатора реакция практически не идёт даже при 450 °C. За один проход в аммиак превращается лишь 15–25 % газа (до равновесия не доходит): аммиак охлаждением сжижают и отделяют, оставшиеся N₂ и H₂ возвращают циркуляционным компрессором; чтобы не накапливались инертные газы (Ar, CH₄), небольшую часть (в этой модели 1,5 %) выпускают — благодаря этому общая конверсия превышает 95 %. Горячий газ из реактора в теплообменнике нагревает поступающий холодный газ: при противотоке внешний нагрев не нужен (автотермический процесс), а при прямотоке его не хватает.

Производство органических веществ (10 класс, 4.1)

Полиэтилен: этан при высокой температуре (≈ 800 °C) дегидрируется в этилен — $C_{2} H_{6} \overset{}{\to} C_{2} H_{4} + H_{2}$ , этилен полимеризуется на катализаторе: $n C H_{2} = C H_{2} \to {(- C H_{2} - C H_{2} -)}_{n}$ — Шуртанский и Устюртский ГХК. ПВХ: винилхлорид получают из ацетилена ( $C_{2} H_{2} + HCl \overset{}{\to} C_{2} H_{3} Cl$ ) или из этилена (хлорирование и отщепление HCl), затем полимеризуют; хлор — из электролиза поваренной соли. Карбамид: $2 NH_{3} + CO_{2} \overset{}{\to} CO (NH_{2})_{2} + H_{2} O$ — используется CO₂, образующийся при получении водорода на аммиачном заводе. Метанол: из синтез-газа $CO + 2 H_{2} \overset{}{\to} CH_{3} OH$ . Синтетическое топливо (GTL): метан превращается в синтез-газ, затем в синтезе Фишера–Тропша — в длинные алканы: $n CO + (2 n + 1) H_{2} \to C_{n} H_{2 n + 2} + n H_{2} O$ . Расчёт по массе: соотношение молей в уравнении реакции даёт расход сырья; например, на 1 моль (60 г) карбамида нужно 2 моль (34 г) аммиака.

Перспективы химического производства (§ 38)

Зелёная химия (П. Анастас и Дж. Уорнер, 1998, 12 принципов): лучше не создавать отходы, чем потом очищать; реакции с высокой атомной экономией (присоединение и полимеризация — 100 %); катализаторы; безопасные растворители; экономия энергии; возобновляемое сырьё; разлагаемые продукты. Безотходная и малоотходная технология: отход одного цеха — сырьё другого: в Мубареке ядовитый H₂S превращают в серу (процесс Клауса), из SO₂ металлургических газов получают серную кислоту, CO₂ аммиачного цеха используют для карбамида. Глубокая переработка (полимеры, синтетическое топливо, удобрения) создаёт добавленную стоимость в отличие от продажи природного газа в сыром виде. Безопасность и экология: аммиак, хлор, H₂S ядовиты; на заводах обязательны постоянный контроль, очистка сточных вод и поглощение отходящих газов.

О модели

Карта схематична: расположение предприятий и месторождений приблизительное. Мощности и годы — по данным предприятий, правительства и международных отраслевых изданий (2015–2025), позднее они могли измениться. Модель аммиака: давление показывается в МПа, внутри расчёта переводится в атмосферы (1 атм = 101,325 кПа); равновесие — по корреляции Гиллеспи–Битти (идеальный газ; при 20 МПа реальный выход на несколько процентов выше), кинетика схематична (с катализатором равновесие достигается за τ = 2 с), адиабатный один слой (в настоящей колонне газ между слоями катализатора охлаждают, и температуру не поднимают выше ≈ 530 °C, а в макете на выходе она может превысить 600 °C), теплоёмкость газа постоянна; теплообменник — равные потоки, NTU = 3. Макет не в масштабе. Атомная экономия считается по молярным массам.

Знаете ли вы?

Устюртский газохимический комплекс запущен в 2016 году: он рассчитан на переработку 4,5 млрд м³ газа в год и выпуск 387 тыс. т полиэтилена и 83 тыс. т полипропилена.
Завод «Узбекистан GTL» запущен в декабре 2021 года: из 3,6 млрд м³ природного газа в год по методу Фишера–Тропша получают ≈ 1,5 млн т синтетического топлива — дизельного топлива, авиакеросина, нафты и сжиженного газа.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Уравнения реакций — 7 класс
Горение, пламя и оксиды — 7 класс
Скорость реакции и катализатор — 8 класс
Обратимая реакция и равновесие — 8 класс