Научные принципы химического производства

В 1909 году немецкий химик Фриц Габер получил аммиак прямо из азота и водорода на лабораторной установке. Реакция N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃ обратима и идёт с выделением теплоты, поэтому при сильном нагреве равновесие уходит влево, а при слабом реакция почти стоит. Габер показал, что аммиак всё же накапливается, если вести синтез под высоким давлением на катализаторе и снова и снова возвращать непрореагировавшие газы в реактор. За эту работу он получил Нобелевскую премию по химии за 1918 год.

Лабораторный опыт ещё не завод. В компании BASF, где работал Карл Бош, подобрали дешёвый железный катализатор, а сам Бош решал инженерную задачу: искал сталь для колонн, которую водород под давлением не делает хрупкой. Первый завод синтеза аммиака по методу Габера — Боша заработал в 1913 году в Оппау (Германия). Бош получил свою Нобелевскую премию по химии в 1931 году.

Аммиак синтезируют при компромиссе между скоростью и выходом

Синтез аммиака — учебный пример того, как условия выбирают сразу по двум законам. Равновесие и скорость тянут в разные стороны.

Реакция экзотермическая. По принципу Ле Шателье из курса 9 класса охлаждение сдвигает равновесие вправо, но при низкой температуре азот реагирует слишком медленно: тройная связь N≡N очень прочная. Поэтому температуру держат умеренной, а скорость поднимают железным катализатором.

С давлением спора нет. Слева 1 + 3 = 4 объёма газов, справа 2 объёма аммиака, так что сжатие смещает равновесие к продукту.

Из колонны выходит смесь, где аммиака меньше, чем азота и водорода. Её охлаждают, аммиак сжижается и стекает в сборник, а оставшиеся N₂ и H₂ насос возвращает в колонну. Этот приём называют циркуляцией, и благодаря ему сырьё в итоге расходуется почти целиком.

Серную кислоту получают контактным способом в три стадии

Контактный способ запатентовал британец Перегрин Филлипс в 1831 году. Название пошло от контакта газа с твёрдым катализатором. Сырьём служат сера или пирит FeS₂. Стадий три.

1. Обжиг пирита: 4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Его ведут в печи кипящего слоя: снизу продувают воздух, и измельчённая руда парит в потоке, как бурлящая жидкость, поэтому сгорает быстро и полностью.

2. Окисление в контактном аппарате: 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ на катализаторе V₂O₅. Реакция обратима и экзотермична, теплоту горячих газов через теплообменник отдают холодной смеси на входе.

3. Поглощение в башне: SO₃ растворяют в концентрированной серной кислоте и получают олеум, раствор SO₃ в H₂SO₄. Итоговая реакция та же: SO₃ + H₂O → H₂SO₄.

В поглотительной башне работает противоток. Кислота стекает сверху по насадке, газ поднимается снизу ей навстречу. Газ, богатый SO₃, сначала встречает почти насыщенную кислоту, а на выходе свежая кислота добирает последние остатки оксида, и потери SO₃ малы. Отсюда и выигрыш.

Семь приёмов повторяются почти на любом химическом заводе

• Оптимальные условия: температуру и давление подбирают вместе с катализатором, чтобы реакция шла быстро и с приемлемым выходом.

• Непрерывность: сырьё подают, а продукт отводят без остановки аппарата, как в колонне синтеза NH₃.

• Циркуляция: непрореагировавшие N₂ и H₂ возвращают в реактор.

• Противоток: газ и жидкость движутся навстречу друг другу, как в башне для SO₃.

• Кипящий слой: твёрдое сырьё измельчают и продувают газом, как при обжиге FeS₂.

• Теплообмен: теплота реакции 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ нагревает поступающий газ.

• Охрана природы: хвостовые газы очищают от SO₂, а огарок Fe₂O₃ отправляют на выплавку чугуна.

Катализатор ускоряет реакцию, но выход при равновесии не меняет

Первые две ошибки ниже растут из одного корня: на завод переносят правило «чем больше, тем лучше» и забывают, что синтез NH₃ и окисление SO₂ обратимы и экзотермичны. Две другие касаются устройства аппаратов.

• ❌ Катализатор увеличивает выход аммиака. ✅ Он одинаково ускоряет прямую и обратную реакции: равновесие наступает быстрее, но его положение то же.

• ❌ Чем горячее в контактном аппарате, тем больше SO₃. ✅ Реакция экзотермическая, нагрев снижает выход; газ греют лишь до температуры, при которой работает V₂O₅.

• ❌ SO₃ поглощают водой. ✅ Его поглощают концентрированной H₂SO₄, иначе образуется кислотный туман.

• ❌ Циркуляция и противоток означают одно и то же. ✅ Циркуляция возвращает сырьё в тот же аппарат, противоток сводит два потока навстречу.

Расчёты по производственной цепочке ведут по атому, который переходит в продукт

В задачах о заводах массы часто даны в килограммах и тоннах. Удобно считать в кмоль: молярная масса H₂SO₄ равна 98 г/моль, то есть 98 кг/кмоль, и все пропорции остаются прежними.

Задача 1. Вычисли объёмы водорода и аммиака для реакции с 30 м³ азота. Объёмы измерены при одинаковых условиях, реакция идёт до конца.

1. Уравнение N₂ + 3H₂ ⇄ 2NH₃. Для газов коэффициенты равны отношению объёмов, то есть 1 к 3 к 2.

2. V(H₂) = 30 · 3 = 90 м³.

3. V(NH₃) = 30 · 2 = 60 м³.

Ответ: 90 м³ водорода и 60 м³ аммиака.

Задача 2. Рассчитай массу серной кислоты, которую теоретически можно получить из 240 кг пирита FeS₂.

1. M(FeS₂) = 56 + 32 · 2 = 120 кг/кмоль; n(FeS₂) = 240 / 120 = 2 кмоль.

2. Вся сера переходит в кислоту по схеме FeS₂ → 2SO₂ → 2SO₃ → 2H₂SO₄, поэтому кислоты получается вдвое больше по количеству: 2 · 2 = 4 кмоль.

3. m(H₂SO₄) = 4 · 98 = 392 кг.

Ответ: 392 кг.

Задача 3. Технолог контактного аппарата, где идёт экзотермическая реакция 2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃, выбирает из четырёх мер: а) повысить давление; б) сильнее нагреть газ; в) добавить катализатора V₂O₅; г) подавать воздух с избытком кислорода. Определи, какие меры увеличат долю SO₃ в равновесной смеси.

1. Слева 2 + 1 = 3 объёма газов, справа 2, поэтому сжатие смещает равновесие вправо.

2. Прямая реакция экзотермическая, сильный нагрев смещает равновесие влево. Газ греют ровно настолько, чтобы работал катализатор.

3. V₂O₅ одинаково ускоряет прямую и обратную реакции: равновесие наступает быстрее, но не смещается.

4. Избыток O₂ повышает концентрацию одного из реагентов, и равновесие смещается вправо, к SO₃.

Ответ: а и г; катализатор нужен для скорости, температуру выбирают компромиссную.