Зеленая химия, химическая технология и промышленный синтез: аммиак, серная кислота и принципы устойчивого развития
Изучение физико-химических основ промышленного синтеза аммиака (процесс Габера — Боша), серной кислоты контактным методом, принципа противотока, теплообмена, циркуляции, а также 12 принципов зеленой химии.
Промышленный синтез аммиака N2(г) + 3H2(г) <=> 2NH3(г) + 92 кДж является экзотермической реакцией с уменьшением объема газов (из 4 объемов образуется 2). Согласно принципу Ле Шателье, для смещения равновесия вправо выгодны низкая температура и высокое давление. Однако при комнатной температуре скорость реакции бесконечно мала из-за сверхпрочной тройной связи N≡N (энергия связи 945 кДж/моль). Практический компромисс: температура 450-500°C, давление 20-30 МПа (200-300 атм), пористый железный катализатор с промоторами Al2O3 и K2O, а также многократная циркуляция непрореагировавшей азотоводородной смеси после конденсации аммиака.
Схема: Зеленая химия и контактный аппарат производства H₂SO₄
Компромиссные параметры
Принцип циркуляции
Значение процесса Габера
Синтез Габера — Боша обеспечивает азотными удобрениями мировое сельское хозяйство, поддерживая продовольственную безопасность более чем половины населения планеты Земля.
Действие 1
Действие 2
Действие 3
Производство серной кислоты контактным способом из пирита FeS2 (или серы S) включает 3 основные стадии: 1) Обжиг пирита в печи «кипящего слоя» с получением обжигового газа: 4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2 + Q (принцип противотока твердого сырья и восходящего потока воздуха); 2) Очистка газа от пыли, мышьяка и осушка, затем каталитическое окисление: 2SO2 + O2 <=> 2SO3 + Q на пористом катализаторе V2O5 при 450°C в контактном аппарате с теплообменниками; 3) Поглощение SO3 в поглотительной башне 98%-ной концентрированной серной кислотой с образованием олеума (поглощение чистой водой невозможно, так как экзотермический эффект превращает воду в пар и образует стойкий туман из микрокапель кислоты).
Печь кипящего слоя
Олеум
Принцип противотока
В поглотительной башне триоксид серы SO3 подается снизу, а серная кислота распыляется сверху. Встречное движение фаз обеспечивает максимальный градиент концентраций и полное поглощение газа.
Действие 1
Действие 2
Действие 3
Зеленая химия (Green Chemistry) — научное направление, философия и технологическая стратегия, нацеленная на предотвращение образования загрязнений на самых ранних стадиях проектирования химических производств. Сформулировано 12 принципов зеленой химии (Анастас и Уорнер), важнейшими из которых являются: 1) Предотвращение образования отходов лучше, чем их последующая очистка; 2) Атомная эффективность — максимальное включение всех атомов исходных реагентов в целевой продукт; 3) Энергоэффективность — проведение процессов при нормальной температуре и давлении; 4) Использование возобновляемого сырья вместо ископаемого углеводородного; 5) Замена токсичных растворителей на воду или сверхкритический CO2; 6) Применение катализаторов вместо стехиометрических реагентов.
Атомная эффективность (AE)
Фактор окружающей среды (E-фактор)
Зеленый водород
Переход на экологически чистый «зеленый водород», получаемый электролизом воды за счет возобновляемых источников энергии (солнечных и ветровых электростанций), позволяет декарбонизировать синтез аммиака и металлургию.
