Задание, страница 216 - гдз по химии 11 класс учебник Кузнецова, Левкин

Задания в параграфе. Параграф 28. Современное химическое производство. Глово 7. Химия в нашей жизни - страница 216.

Условие.

Задание. Рассмотрите, как указанные общие принципы реализуются в производстве серной кислоты.

Решение.

Решение 2.

Производство серной кислоты контактным способом является классическим примером реализации общих принципов химической технологии. Процесс состоит из трех основных стадий:

1. Получение сернистого газа ($SO_2$) путем обжига серосодержащего сырья (серы или пирита).
2. Каталитическое окисление сернистого газа в серный ангидрид ($SO_3$).
3. Поглощение серного ангидрида с образованием серной кислоты.

Рассмотрим, как общие принципы химического производства реализуются на этих стадиях.

1. Научные принципы управления химическими процессами (принцип Ле Шателье)

Ключевой стадией, определяющей эффективность всего производства, является каталитическое окисление $SO_2$ в $SO_3$. Это обратимая, экзотермическая реакция, идущая с уменьшением объема:

$2SO_2(г) + O_2(г) \rightleftharpoons 2SO_3(г); \quad \Delta H = -198 \text{ кДж/моль}$

Для смещения равновесия в сторону продукта ($SO_3$) согласно принципу Ле Шателье и для достижения высокой скорости реакции выбирают оптимальные условия:

• Температура: Так как реакция экзотермическая, для максимального выхода $SO_3$ температуру следует понижать. Однако при низкой температуре скорость реакции крайне мала. Поэтому на практике находят компромисс: процесс ведут при оптимальной температуре 450–500 °C. Чтобы при этой относительно невысокой температуре скорость была достаточной, обязательно используют катализатор (оксид ванадия(V) $V_2O_5$ на пористом носителе).
• Давление: Прямая реакция идет с уменьшением числа молей газа (из 3 моль исходных газов образуется 2 моль продукта), поэтому повышение давления смещает равновесие вправо, увеличивая выход $SO_3$. Однако создание и эксплуатация оборудования высокого давления очень дороги. Поскольку даже при атмосферном давлении (1-2 атм) с использованием катализатора выход продукта достигает 97-99%, повышение давления экономически нецелесообразно.
• Концентрация: Для смещения равновесия вправо и более полного превращения $SO_2$ в реакционную смесь подают избыток кислорода (используют осушенный и очищенный воздух, где мольное соотношение $O_2$ к $SO_2$ поддерживается выше стехиометрического).

Ответ: Оптимальные условия для стадии окисления $SO_2$ (температура 450-500 °C, атмосферное давление, избыток кислорода и использование катализатора $V_2O_5$) выбраны на основе принципа Ле Шателье как компромисс между скоростью реакции и степенью превращения реагентов в продукты.

2. Принцип противотока

Принцип противотока широко используется для повышения эффективности массо- и теплообменных процессов. В производстве серной кислоты он наиболее ярко проявляется на стадии абсорбции (поглощения) $SO_3$:

• В поглотительной (абсорбционной) башне газовая смесь, содержащая $SO_3$, подается снизу вверх, а навстречу ей сверху вниз стекает поглотитель — концентрированная серная кислота (олеум).
• Такая организация движения потоков обеспечивает максимальную движущую силу процесса (разность концентраций) на каждом участке башни. Наиболее концентрированный газ ($SO_3$) на входе в башню контактирует с уже частично разбавленной кислотой, а газ с минимальным содержанием $SO_3$ на выходе из башни контактирует с самой концентрированной кислотой. Это обеспечивает практически полное (более 99.7%) поглощение серного ангидрида.

Ответ: Принцип противотока реализуется в абсорбционной башне при поглощении $SO_3$ концентрированной серной кислотой, что обеспечивает максимальную эффективность и полноту поглощения целевого компонента из газовой фазы.

3. Принцип использования теплоты химических реакций (теплообмен)

Стадии получения $SO_2$ (обжиг сырья) и его окисления в $SO_3$ являются сильно экзотермическими. Выделяющееся тепло не сбрасывается в окружающую среду, а утилизируется для повышения экономической эффективности производства:

• Тепло, выделяющееся при обжиге сырья и каталитическом окислении $SO_2$, используется в специальных аппаратах — теплообменниках — для подогрева исходной холодной газовой смеси ($SO_2$ и воздуха) до температуры, необходимой для начала реакции на катализаторе (~450 °C).
• Избыточная теплота, которую невозможно использовать внутри технологического цикла, направляется в котлы-утилизаторы для производства водяного пара высокого давления. Этот пар приводит в действие турбины для выработки электроэнергии, которая не только полностью обеспечивает потребности самого завода, но и может продаваться сторонним потребителям, что значительно снижает себестоимость продукции.

Ответ: Теплота экзотермических реакций утилизируется для подогрева сырья и выработки электроэнергии, что делает производство энергетически автономным и экономически эффективным.

4. Принцип комплексного использования сырья

Производство стремится к максимальному использованию всех компонентов сырья и минимизации отходов.

• В качестве сырья используют дешевые и доступные материалы: самородную серу, серный колчедан ($FeS_2$), сероводород ($H_2S$) из отходящих газов нефтепереработки, а также отходящие газы металлургических производств (например, медеплавильных), содержащие $SO_2$.
• При использовании серного колчедана в качестве сырья по реакции $4FeS_2 + 11O_2 \rightarrow 2Fe_2O_3 + 8SO_2$ образующийся твердый остаток — пиритный огарок (в основном $Fe_2O_3$) — не является отходом, а используется в черной металлургии для производства чугуна или как компонент при производстве цемента.
• Использование отходящих газов других производств (металлургии, нефтехимии) решает одновременно две задачи: получение ценного химического продукта ($H_2SO_4$) и утилизацию вредных промышленных выбросов.

Ответ: Принцип реализуется через использование разнообразного, в том числе вторичного и побочного, сырья ($FeS_2$, отходящие газы) и полную утилизацию побочных продуктов (пиритного огарка $Fe_2O_3$).

5. Принцип защиты окружающей среды

Современное производство серной кислоты является потенциально опасным для окружающей среды, поэтому включает ряд мер по минимизации вредного воздействия.

• Очистка газов. Перед подачей в контактный аппарат газ ($SO_2$) тщательно очищают от пыли и примесей (например, соединений мышьяка, хлора, фтора), которые могут вызвать "отравление" (необратимую дезактивацию) катализатора и коррозию оборудования.
• Снижение выбросов. Для минимизации выбросов $SO_2$ в атмосферу применяют технологию двойного контактирования и двойной абсорбции (ДК/ДА). После прохождения части слоев катализатора и первой абсорбционной башни непрореагировавший $SO_2$ вновь нагревают и направляют на следующие слои катализатора и вторую ступень абсорбции. Это позволяет достичь общей степени превращения $SO_2$ в $SO_3$ до 99.9%, что резко снижает выбросы диоксида серы.
• Предотвращение кислотного тумана. Поглощение $SO_3$ ведется не водой, а концентрированной (98%) серной кислотой. Это связано с тем, что прямая реакция $SO_3$ с парами воды ($SO_3 + H_2O \rightarrow H_2SO_4$) идет с огромным выделением тепла, что приводит к образованию трудноулавливаемого тумана мельчайших капелек серной кислоты.

Ответ: Защита окружающей среды обеспечивается тщательной очисткой исходных газов, использованием схемы двойного контактирования для минимизации выбросов $SO_2$ и абсорбцией $SO_3$ в концентрированную кислоту для предотвращения образования кислотного тумана.

6. Принцип непрерывности и автоматизации процесса

Производство серной кислоты организовано как непрерывный процесс, где все стадии взаимосвязаны и работают круглосуточно без остановок. Это позволяет достичь высокой производительности и стабильного качества продукции.

• Потоки реагентов и продуктов непрерывно движутся через последовательно соединенные аппараты (печи для обжига, контактные аппараты, теплообменники, абсорбционные башни).
• Современные заводы полностью автоматизированы. Специальные датчики непрерывно контролируют ключевые параметры (температуру, давление, концентрации, скорость потоков). Компьютерная система управления (АСУ ТП) анализирует эти данные и автоматически регулирует процесс, поддерживая его в оптимальном режиме, что повышает безопасность, стабильность и экономическую эффективность.

Ответ: Процесс организован по непрерывной схеме и полностью автоматизирован для достижения максимальной производительности, стабильного качества, безопасности и экономической эффективности.