Kimyo · Elementlar kimyosi · 4-kurs

Kimyo zavodi: reaktor va sexlar

Bir tonna xlor uchun qancha tok kerak va SO₂ ning 99,7 % i qanday SO₃ ga aylanadi?

Vaziyat

Olmaliq KMK mis eritish pechlari gazidagi SO₂ dan sulfat kislota oladi, Navoiyazot va Maxam-Chirchiq tabiiy gazdan ammiak, nitrat kislota va azotli o‘g‘itlar chiqaradi, Navoiyazotda esa osh tuzidan xlor va kaustik soda ham olinadi. Laboratoriyadagi probirka zavodda kechayu kunduz ishlaydigan reaktorlar, issiqlik almashgichlar va kolonnalarga aylanadi. Qaysi reaktor kichikroq bo‘ladi, SO₂ ning 99,7 % i qanday qilib SO₃ ga aylanadi va bir tonna xlor uchun qancha elektr energiya kerak?

Mavzu

Kimyo zavodi: reaktorlar, sulfat kislota, ammiak, xlor-ishqor. Uch zavodga ekskursiya: Olmaliq KMK sulfat kislota sexi (mis eritish pechlari gazidagi SO₂ dan), Navoiyazot (ammiak, nitrat kislota, kaustik soda va xlor) va…

Asosiy tushunchalar

Konversiya va selektivlik
Kontakt apparati
Elektroliz energiyasi

Formulalar

X_{aral} = \frac{k τ}{1 + k τ}, X_{siq} = 1 - e^{- k τ}

1-tartibli reaksiya: ideal aralashtirish (CSTR) va ideal siqib chiqarish (PFR) reaktorlari; $τ = V / v_{0}$ — o‘rtacha turish vaqti.

SO_{2} + \frac{1}{2} O_{2} \overset{\overset{}{V_{2} O_{5}}}{⇌} SO_{3} Δ H = - 99 kJ/mol

Kontakt oksidlanish: ekzotermik va qaytar — har qatlamdan keyin gaz sovitiladi.

X = X_{3} + (1 - X_{3}) X_{4}

Ikki marta kontaktlash: oraliq yutishdan keyin qolgan SO₂ to‘rtinchi qatlamda yana oksidlanadi.

W = \frac{U \cdot z F}{M η}

Elektroliz energiyasi 1 kg mahsulotga ( $z$ — elektronlar soni, $η$ — tok bo‘yicha unum).

m = \frac{M I t η}{z F}, δ = \frac{m}{ρ A}

Faradey qonuni va galvanik qoplama qalinligi.

Nazariya

Kimyoviy texnologiya va O‘zbekiston kimyo sanoati

Kimyoviy texnologiya — xomashyoni foydali mahsulotga aylantirishning iqtisodiy samarali va xavfsiz usullari haqidagi fan: laboratoriya reaksiyasi zavod jarayoniga aylanganda masshtab, uzluksizlik, issiqlik va energiya, chiqindilar hal qiluvchi bo‘ladi. Tarixi: XVIII asrda kamera usulidagi sulfat kislota va Leblan sodasi, XIX asr oxirida kontakt usuli, 1913-yilda Gaber–Bosh ammiak sintezining birinchi zavodi, XX asrda neft-kimyo va polimerlar; bugun — yashil kimyo, energiya tejash, chiqindisiz texnologiyalar. O‘zbekistonda kimyo sanoati asosan XX asrning 40–70-yillarida shakllangan: Chirchiqda azotli o‘g‘itlar ishlab chiqarish (bugun Maxam-Chirchiq), Olmaliq kon-metallurgiya kombinati (mis, rux, molibden, oltin, kumush va metallurgiya gazlaridan sulfat kislota), Olmaliqdagi Ammofos-Maxam (fosforli o‘g‘itlar), Navoiyazot, Farg‘onaazot; mustaqillik yillarida Qo‘ng‘irot soda zavodi, Sho‘rtan va Ustyurt gaz-kimyo majmualari (polietilen) qurildi, Navoiyazotda PVX, kaustik soda va metanol ishlab chiqarish quvvatlari ishga tushirildi. Asosiy mahsulotlar: mineral kislotalar (sulfat, nitrat, fosfat), tuzlar va soda, azotli va fosforli o‘g‘itlar, xlor va ishqor, polimerlar. O‘zbek kimyogar olimlari — akademiklar O. S. Sodiqov (bioorganik kimyo, Fanlar akademiyasi prezidenti), S. Yu. Yunusov (alkaloidlar kimyosi) va boshqalar; batafsil — «Alkimyodan davriy qonungacha», maktab darajasi — «Kimyo sanoati va zavodlar» tajribalarida.

Asosiy tushunchalar: KTS, jarayonlar va reaktorlar

Kimyoviy-texnologik sistema (KTS) — apparatlar va ularni bog‘lovchi oqimlar: ketma-ket, parallel, retsikl (qaytarish) va baypas bog‘lanishlar (sahnadagi strelkalar — oqim yo‘nalishi). Jarayon turlari: gidromexanik (cho‘ktirish, filtrlash, aralashtirish), issiqlik almashinuvi (isitish, sovitish, bug‘latish; asosiy tenglama $Q = K F Δ t_{o‘rt}$ , $K$ — issiqlik o‘tkazish koeffitsiyenti, $F$ — yuza), massa almashinuvi (absorbsiya, haydash, ekstraksiya, adsorbsiya, quritish; $M = K_{y} F Δ y_{o‘rt}$ ) va kimyoviy. Reaktorlar sinflanishi: aralashtirish darajasiga ko‘ra — ideal aralashtirish (CSTR: butun hajmda konsentratsiya chiqishdagidek past), ideal siqib chiqarish (PFR: oqim qatlam-qatlam suriladi), ular orasida — kaskad va real reaktorlar; ishlash tartibiga ko‘ra davriy, uzluksiz, yarim uzluksiz; issiqlik rejimiga ko‘ra izotermik, adiabatik, politropik; fazalarga ko‘ra gomogen va geterogen (qo‘zg‘almas va qaynovchi katalizator qatlami). Bir xil konversiya uchun aralashtirish reaktori siqib chiqarish reaktoridan katta, kaskad esa PFR ga yaqinlashadi. Ko‘rsatkichlar: konversiya $X$ , unum (mahsulotga o‘tgan ulush), selektivlik $S = n_{R} / (n_{A, 0} - n_{A})$ , unumdorlik va intensivlik, sarf koeffitsiyentlari (t xomashyo / t mahsulot). Moddiy balans: kirim = chiqim (+ to‘planish); issiqlik balansi: ajralgan issiqlik $Q = (- Δ H) v_{0} c_{A 0} X$ sovitgich orqali chiqariladi, aks holda adiabatik qizish $Δ T = (- Δ H) c_{A 0} X / (ρ c_{p})$ . Sanoat katalizi: katalizator + promotorlar (K₂O, Al₂O₃ — temirda; K₂SO₄ — V₂O₅ da), kontakt apparatlari (qatlamli, quvurli, qaynovchi qatlamli), zaharlar (S, As, CO, Cl birikmalari) — xomashyo tozalanadi; batafsil — «Kataliz va fermentlar». Organik va polimer materiallar: sintez-gazdan metanol $CO + 2 H_{2} \overset{}{\to} CH_{3} OH$ (Cu/ZnO/Al₂O₃, 5–10 MPa, 220–280 °C), etanol — etilenni gidratlash $C_{2} H_{4} + H_{2} O \overset{}{\to} C_{2} H_{5} OH$ (H₃PO₄ katalizatori, ≈ 300 °C, 7 MPa) yoki bijg‘itish; polimerlarni blokda, eritmada, suspenziya va emulsiyada sintez qilish — «Polimerlar sintezi va kinetikasi», viskoza va asetat tolalari, qoliplash (presslash), bosim ostida quyish, ekstruziya va kalandrlash — «Polimer materiallar kimyosi».

Xomashyo, boyitish va energiya

Xomashyo — mineral (rudalar, tuzlar, fosforitlar), o‘simlik va hayvon, neft, gaz, ko‘mir, havo va suv. Ma’dan ko‘pincha kambag‘al (Olmaliq mis rudasida mis foizning o‘ndan bir necha qismi), shuning uchun boyitiladi: mexanik (maydalash, elash, gravitatsion — zichlik bo‘yicha), termik (kuydirish, qizdirib parchalash), elektromagnit (magnit separatsiya — magnetit), fizik-kimyoviy — flotatsiya: ho‘llanmaydigan (gidrofob) mineral zarralari havo pufaklariga yopishib ko‘pik bilan ko‘tariladi, bekorchi jins cho‘kadi (flotoreagentlar — kollektorlar, ko‘pik hosil qiluvchilar). Xomashyodan kompleks foydalanish: mis rudasidan mis bilan birga molibden, oltin, kumush, selen olinadi, eritish gazlaridagi SO₂ esa sulfat kislotaga, u fosforitga — o‘g‘itga aylanadi: chiqindi — boshqa sexning xomashyosi. Energiya: yoqilg‘i (tabiiy gaz — O‘zbekistonda asosiy), elektr energiyasi (elektroliz), bug‘; issiqlikdan qayta foydalanish — sulfat kislota zavodlari oltingugurt yonish va SO₂ oksidlanish issiqligidan bug‘ olib, elektr ishlab chiqaradi; ammiak zavodida reaksiya issiqligi yuqori bosimli bug‘ beradi.

Sulfat kislota: kontakt usuli

SO₂ manbalari: oltingugurt yonishi $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ (≈ 10–12 % SO₂), piritni kuydirish, rangli metallurgiya gazlari (Olmaliq KMK: mis eritish pechlari gazi — chiqindi mahsulotga aylanadi va havo tozalanadi). Tozalash: siklon va elektrofiltrlarda chang, yuvish minoralarida mishyak, selen va ftor birikmalari (V₂O₅ zaharlari) hamda kislota tumani ushlanadi, gaz 93–96 % li H₂SO₄ bilan quritiladi — sahnada tozalashni o‘chirib, katalizator aktivligi qanday tushishini ko‘ring. Kontakt oksidlanish: $SO_{2} + \frac{1}{2} O_{2} \overset{}{⇌} SO_{3}$ , ΔH ≈ −99 kJ/mol, katalizator V₂O₅ + K₂SO₄ (promotor) kremnezyom tashuvchida, 420–600 °C (≈ 390 °C dan past «yonmaydi», ≈ 630 °C dan yuqori buziladi). Reaksiya ekzotermik va gaz mollari kamayadi — past harorat muvozanatga, yuqori harorat tezlikka qulay. Shuning uchun ko‘p qatlamli kontakt apparati: har qatlamda gaz adiabatik qiziydi (10 % SO₂ da har 1 % konversiya ≈ 3 °C), X–T diagrammasida to‘g‘ri chiziq muvozanat egri chizig‘iga yaqinlashadi; qatlamlar orasida gaz issiqlik almashgichlarda sovitiladi va keyingi qatlam yana konversiya beradi. Bir marta kontaktlashda ≈ 96–98 %, ikki marta kontaktlashda (3-qatlamdan keyin SO₃ oraliq absorberda yutiladi, qolgan SO₂ 4-qatlamda kislorodga boy gazda oksidlanadi) ≥ 99,7 % — chiqindi gazda SO₂ bir necha yuz ppm. Absorbsiya: SO₃ suvda emas, 98,3 % li H₂SO₄ da yutiladi: shu (azeotrop) konsentratsiyada kislota ustidagi suv va SO₃ bug‘larining umumiy bosimi eng kichik; suv bilan SO₃ gaz fazada mayda H₂SO₄ tumanini hosil qiladi, u yutilmay chiqib ketadi. Oleum — H₂SO₄ dagi SO₃ eritmasi (masalan, 20 % li), u birinchi (oleum) absorberida olinadi. Tannarx (Kimtex L24): xomashyo, energiya, ish haqi va amortizatsiya, bug‘ sotuvidan tushum ayiriladi; quvvat oshsa 1 t ga to‘g‘ri keladigan doimiy xarajat kamayadi. Maktab darajasi — «Sulfat kislota va kontakt usuli» tajribasida.

Ammiak va nitrat kislota

Azotni bog‘lash usullari: yoy usuli (N₂ + O₂ → 2NO, juda ko‘p energiya), sianamid usuli (CaC₂ + N₂), ammiak sintezi (Gaber–Bosh) — bugungi asosiy usul; tabiatda — tuganak bakteriyalari. Azot-vodorod aralashmasi: tabiiy gaz oltingugurtdan tozalanadi, bug‘ bilan konversiya $CH_{4} + H_{2} O \overset{}{\to} CO + 3 H_{2}$ (Ni, 800–900 °C), ikkilamchi konversiyada havo qo‘shiladi (azot shundan), CO konversiyasi $CO + H_{2} O \overset{}{\to} CO_{2} + H_{2}$ , CO₂ yutiladi, qolgan CO metanlashtiriladi (u temir katalizatorini zaharlaydi). Natijada H₂ : N₂ = 3 : 1 va ≈ 1 % inertlar (CH₄, Ar). Sintez: $N_{2} + 3 H_{2} \overset{}{⇌} 2 NH_{3}$ , ΔH = −92 kJ; Fe + K₂O, Al₂O₃ promotorlari, 400–500 °C, 15–30 MPa; o‘rta bosimli sxemalar (≈ 25–32 MPa) keng tarqalgan. Sintez minorasi: qalin devorli yuqori bosim korpusi ichida katalizator qatlamlari va ichki issiqlik almashgich — kirayotgan sovuq gaz chiqayotgan issiq gaz hisobiga isiydi. Murosa: past haroratda muvozanat qulay, lekin reaksiya sekin; yuqori haroratda tez, lekin muvozanatdagi NH₃ kam — chiqishdagi NH₃ ning optimal harorati bor (taxtadagi egri chiziq). Bir o‘tishda sintez-gazning faqat ≈ 15–30 % i reaksiyaga kirishadi, shuning uchun sirkulyatsion sxema: sovitish, NH₃ ni suyultirib ajratish, qolgan gazni qaytarish — umumiy foydalanish ≈ 97 %. Inertlar to‘planmasligi uchun gazning bir qismi chiqarib yuboriladi (purj) — u bilan H₂ ham yo‘qoladi: purj oz bo‘lsa inertlar ko‘payib bir o‘tishdagi konversiya pasayadi, ko‘p bo‘lsa H₂ isrof bo‘ladi (purj gazidan H₂ membranada qaytarib olinadi). Nitrat kislota (Ostvald): $4 NH_{3} + 5 O_{2} \overset{}{\to} 4 NO + 6 H_{2} O$ Pt–Rh to‘rida ≈ 900 °C da, aloqa vaqti mingdan bir soniya atrofida, NO unumi 95–98 % (past haroratda N₂ va N₂O ko‘payadi); $2 NO + O_{2} \overset{}{\to} 2 NO_{2}$ — sovuqda va yuqori bosimda tezroq; $3 NO_{2} + H_{2} O \overset{}{\to} 2 HNO_{3} + NO$ — absorbsiya kolonnasida 55–60 % li kislota (azeotrop ≈ 68 %); konsentrlash — H₂SO₄ yoki Mg(NO₃)₂ bilan 98 % gacha. Navoiyazot va Maxam-Chirchiqda shu kislotadan ammiakli selitra $NH_{3} + HNO_{3} \overset{}{\to} NH_{4} NO_{3}$ olinadi. Muvozanat nazariyasi — «Qaytar reaksiya va muvozanat», maktab darajasi — «Azot, ammiak va nitrat kislota» va «Kimyo sanoati va zavodlar».

Elektrokimyoviy ishlab chiqarish; xavfsizlik va model

Osh tuzi eritmasining elektrolizi: anodda $2 Cl^{-} - 2 e^{-} \overset{}{\to} Cl_{2}$ , katodda $2 H_{2} O + 2 e^{-} \overset{}{\to} H_{2} + 2 OH^{-}$ ; jami $2 NaCl + 2 H_{2} O \overset{}{\to} Cl_{2} + H_{2} + 2 NaOH$ : 1 t Cl₂ bilan 1,13 t NaOH va 28 kg H₂. Diafragmali usul: anod va katod bo‘shliqlari g‘ovak diafragma bilan ajratilgan (avval asbest, endi asbestsiz), ≈ 3,2–3,6 V, ishqor 10–12 % li va NaCl bilan aralash — bug‘latib konsentrlanadi. Simob katodli usul: katod — oqayotgan simob, natriy amalgama hosil qiladi (parchalanish kuchlanishi ≈ 3,1 V, ishchi ≈ 4–4,5 V), amalgama alohida parchalagichda suv bilan 50 % li toza NaOH beradi; simob atrof-muhitga tushadi — Minamata konvensiyasi (2013) bo‘yicha bunday ishlab chiqarish 2025-yilgacha to‘xtatilishi kerak. Membranali usul: kation almashinuvchi perftorli membrana faqat Na⁺ ni o‘tkazadi, ≈ 2,9–3,5 V, 32–35 % li toza NaOH — eng tejamkor (≈ 2,2–2,5 MVt·soat/t Cl₂), yangi quvvatlar shu usulda quriladi. Energiya $W = U \cdot 2 F / (M_{Cl_{2}} η)$ , $η$ — tok bo‘yicha unum. Alyuminiy: Al₂O₃ kriolit eritmasida 950–970 °C da elektroliz qilinadi, ko‘mir anod yonib ketadi, 4–4,5 V, 1 kg Al ga ≈ 13–15 kVt·soat. Galvanotexnika: sirt yog‘sizlantiriladi va o‘yiladi, so‘ng qoplanadi; Faradey qonuni $m = M I t η / (z F)$ , bundan tok bo‘yicha unum $η = Δ m z F / (M I t)$ — tortib topilgan massa ortishi nazariy massaga bo‘linadi (Kimtex L12, L13); nikel (Uotts vannasi, 50 °C, 1–5 A/dm², ish oralig‘ida η ≈ 95–97 %) va kislotali mis (0,5–4 A/dm², η ≈ 98–100 %); tok zichligi chegaradan oshsa katodda vodorod ham ajraladi — unum pasayadi, qoplama «kuyadi». Faradey qonunlari — «Elektroliz, Faradey qonunlari», elektroliz kimyosi — «Elektroliz va korroziya». Xavfsizlik: xlor — yashil-sariq, havodan ≈ 2,5 marta og‘ir, juda zaharli gaz, vodorod bilan portlovchi aralashma beradi; simob bug‘i va birikmalari zaharli, tabiatda metilsimobga aylanib oziq zanjirida to‘planadi; SO₂, SO₃, NH₃, NO₂ zaharli; oleum havoda tutaydi va kuydiradi — uni suvga quymang (konsentrlangan kislotaga qo‘shib suyultiriladi), kislotani esa suvga quying, aksincha emas; 15–30 MPa yuqori bosim; ishqor ko‘zga tushsa — ko‘p suv; nikel tuzlari allergen; laboratoriyada himoya ko‘zoynagi, qo‘lqop, tortish shkafi. Model: reaktorlar — ideal (1-tartib, izotermik); kontakt apparati — adiabatik qatlamlar, Kp korrelyatsiyasi va yarim empirik kinetika, tozalanmagan gazda katalizator aktivligi 30 % deb olingan; ammiak — Larson–Dodge ma’lumotlariga moslangan muvozanat, Arrenius bo‘yicha muvozanatga yaqinlashish, separatordan keyin 3 % NH₃; NO unumi, elektrolizer kuchlanishlari, galvanik unum, tannarx narxlari — o‘quv uchun model qiymatlar; maketlar masshtabsiz, qoplash vaqti tezlashtirilgan (1 s ≈ 1 min).

Bilasizmi?

Vilgelm Ostvald ammiakni platinada oksidlab nitrat kislota olish usulini 1902-yilda patentlagan va 1909-yilda kataliz bo‘yicha ishlari uchun kimyo bo‘yicha Nobel mukofotini olgan.
Frits Gaber ammiak sintezi uchun 1918-yilgi Nobel mukofotiga, uni sanoat miqyosiga olib chiqqan Karl Bosh esa yuqori bosimli kimyoviy usullar uchun 1931-yilda Nobel mukofotiga sazovor bo‘lgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.

Shu bo‘limdagi boshqa tajribalar

Xrom va marganets: rangli ionlar — 9-sinf
Temir va uning birikmalari — 9-sinf
s- va p-elementlar qonuniyatlari — 1-kurs
d- va f-elementlar: rang, redoks — 1-kurs
Kompleks birikmalar va ligandlar — 1-kurs