Заводът на химика

Технологична схема

Всяко производство може да се нарисува като схема от блокове: суровини, апарат, продукт и отпадъци. Стрелките показват накъде тече веществото. Ако част от потока се връща в началото, заводът пести суровини.

Амоняк: компромис между равновесие и скорост

N₂ + 3H₂ ⇌ 2NH₃, ΔH < 0

Реакцията отделя топлина, затова по-високата температура мести равновесието към изходните вещества: при 200 bar равновесният добив е 62 % при 300 °C, 36 % при 400 °C и 17 % при 500 °C. Реакцията обаче е бавна при ниска температура. Газът престоява в реактора кратко време и добивът от един проход е по-малък от равновесния.

Най-много амоняк от един проход се получава при компромис — около 450 до 475 °C. По-високата температура ускорява реакцията, но не дава повече амоняк.

По-голямото налягане помага, защото от четири молекули се получават две: при 450 °C равновесният добив е 16 % при 100 bar и 32 % при 300 bar.

Катализаторът ускорява реакцията, но не променя равновесието: равновесният добив е един и същ с и без катализатор. Катализаторът не се изразходва.

След един проход само около 28 % от азота е превърнат. Затова амонякът се втечнява и се отделя, а непревърналите азот и водород се връщат в реактора. С това връщане общото превръщане на азота е около 98 %.

Сярна киселина по контактния метод

S → SO₂ → SO₃ → H₂SO₄

Серният диоксид се окислява до триоксид върху ванадиев катализатор при около 450 °C. Налягането е близо до атмосферното, защото равновесието вече е добро. Серният триоксид не се поглъща във вода, а в концентрирана сярна киселина — иначе се образува мъгла от киселина.

При двойна абсорбция остатъкът минава през катализатора втори път. Серният диоксид в комина намалява около 15 пъти: от 50 на 3 kg на тон киселина.

Чугун и стомана

В доменната пещ въглеродният оксид редуцира железния оксид: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Варовикът свързва пясъка от рудата в шлака: CaO + SiO₂ → CaSiO₃. По-бедната руда има повече пясък, затова дава повече шлака и повече въглероден диоксид на тон чугун.

Чугунът има около 4 % въглерод. В кислородния конвертор кислородът изгаря част от въглерода (2C + O₂ → 2CO) и се получава стомана. Ако коксът не стига за редукцията, пещта изстива.

Мед: пиро- или хидрометалургия

Богатият сулфиден концентрат се топи (пирометалургия). При топенето се получава серен диоксид, който се превръща в сярна киселина — пример за безотпадно производство: на тон мед се получават около три тона киселина.

Бедната оксидна руда има само около 0,5 % мед: за тон мед трябва да се топят 200 тона скала. Затова тя се излужва със сярна киселина, а медта се получава при електролизата (хидрометалургия). Киселината, изразходвана за излужването, се получава отново.

Емисии и мерки

Таблото на емисиите показва само числа от модела: серен диоксид, въглероден диоксид и шлака. Мерките са улавяне на серния диоксид, двойна абсорбция, рециклиране на газовете и шлака за строителни материали. Въглеродният диоксид, свързан в карбамид, се отделя отново, когато карбамидът се разгради в почвата — свързването е временно.

Безопасност

Амонякът, серният диоксид, серният триоксид и концентрираната сярна киселина са опасни. Симулацията показва промишлени апарати, а не опити за дома или за училището. Концентрирана киселина никога не се разрежда с наливане на вода в нея — киселината се налива във водата, бавно, при размесване и само под ръководството на учител.