Tehnologia chimică

Tehnologia chimică 97 D upă studierea acestui subcapitol, veţi fi capabili: • să definiţi, să explicaţi, să aplicaţi noţiunile tehnologie chimică, materie primă, materiale auxiliare, produs al procesului, aparate principale şi auxiliare, proces tehnologic, regim tehnologic, principii ştiinţifice ale procesului, dirijare a procesului tehnologic; • să deduceţi legătura dintre noţiunile substanţă, materie primă, produs al procesului; • să selectaţi condiţiile optim e ale procesului tehnologic; • să descrieţi şi să clasificaţi reacţiile chim ice care stau la baza procesului tehnologic; • să efectuaţi calcule în baza noţiunilor: randament teoretic şi practic, pierderi în procesul tehnologic; • să explicaţi, să com paraţi procesele tehnologice la: producerea varului nestins şi a etanolului, a fontei şi a oţelului, a cim entului şi a sticlei, a produselor petroliere; • să explicaţi şi să găsiţi soluţii pentru problem ele ecologice în baza cunoştinţelor integrate (din chim ie, biologie, fizică etc.). 4.2.1. N oţiuni generale Cunoaştem cu toţii că chimia îl ajută pe om să-şi organizeze o viaţă mai confortabilă: materialele chimice folosite în viaţa cotidiană sunt, de regulă, frumoase, practice, uşoare, comode. Chimia contribuie la creşterea unor recolte bogate şi la protecţia lor. Diverse materiale, îngrăşăminte minerale, pesticide etc. sunt fabricate în industria chimică. Ştiinţa despre metodele, procesele, operaţiile, procedeele folosite pentru obţinerea unor materii prime, semifabricate, produse sau confecţii se numeşte tehnologie. Tehnologia chimică studiază procesele industriale în cadrul cărora au loc reacţii chimice cu schimbarea esenţială a compoziţiei şi a structurii substanţelor iniţiale, ceea ce conduce la formarea unor substanţe noi, cu proprietăţi noi. Astfel, la noţiunile de bază pe care le cunoaştem deja (substanţa, elementul chimic şi reacţia chimică) se va adăuga cea de producere chimică, noţiune complexă, având propria sa structură. ? - Noţiuni- clieie • Tehnologie chimică • Producere chimică • Materie primă • Înnobilarea materiei prime zzFlotarea 4.2.2. Materia primă Materia primă este materialul iniţial folosit la fabricarea produselor industriale. Materialul reprezintă substanţe şi amestecuri aplicate în calitate de obiecte de muncă. Materia primă, precum apa, aerul, produsele prelucrării altor ramuri ale industriei, deşeurile industriale, are o structură foarte complexă şi este de provenienţă minerală, vegetală sau animală. Materia primă se divizează în două grupe: mineralochimică şi hidrocarburică. Prima grupă - cea mineralochimică - reprezintă fosfaţii (fosforiţi, apatite ş.a.), sărurile (de potasiu, Glauber, sarea de bucătărie ş.a.), materia primă ce conţine sulf (sulful Reacţiile în producerea chimică 98 natural, gazul natural, pirita), carbonaţii (calcarul, creta, dolomita), azbestul, baritele, cromitele ş.a. Materia primă mineralochimică se foloseşte în diferite ramuri, în special la producerea îngrăşămintelor minerale şi a substanţelor chimice pentru protecţia plantelor (SCPP), în industria cauciucului. Grupa a doua - materia primă hidrocarburică - reprezintă materia primă gazopetrolieră (gaz natural, gaze petroliere, petrol), deşeurile şi produsele altor ramuri, materia primă cocsochimică (gaz de cocs, fenoli, hidrocarburi aromatice, nesaturate, sulf, hidrogen), produsele prelucrării şisturilor combustibile (hidrogen, fenoli, răşini de şisturi combustibile), materia primă silvică (celuloză, alcooli), materia primă metalurgică (gazul sulfuros al metalurgiei neferoase, clor, sodă etc.). Materia primă hidrocarburică se foloseşte cu precădere în sinteza organică şi la fabricarea polimerilor. Rolul materiilor prime a variat în funcţie de timp. Înainte, de exemplu, principala sursă pentru materia primă de hidrocarburi era cocsochimia şi agricultura (din cartofi şi grâu se obţinea etanol, materia primă pentru producerea cauciucului sintetic). În prezent, a crescut considerabil rolul materiei prime gazopetroliere. Materia primă este uneori clasificată în două categorii: mineralizată şi nemineralizată. Materia primă mineralizată conţine substanţe din care este avantajos, din punct de vedere economic, să obţinem metale. Celelalte substanţe constituie materia primă nemineralizată. Impurităţile care nu sunt utilizate în industrie pentru obţinerea produselor se numesc roci sterile. Materia primă este caracterizată de partea de masă a substanţei de bază sau a impurităţilor ce se conţin în ea. _ ------vi u l F UJ-*y 1 A A O / ^(impurităţi) _ * 100 m(mat. prim.) ^(subst. de bază) m(subst') • 100% m(mat. prim.) Alegerea materiei prime determină tehnologia producerii, preţul de cost şi calitatea produselor obţinute şi depinde de rezervele materiei prime şi de un şir de factori economici şi sociali. Principalele direcţii ce contribuie la rentabilizarea materiei prime sunt: 1. Folosirea unei materii prime mai ieftine; 2. Folosirea deşeurilor ca resurse materiale secundare; 3. Folosirea materiei prime concentrate; 4. Folosirea complexă a materiei prime; 5. Schimbarea materiei prime alimentare cu cea nealimentară. De obicei, se alege acea materie primă care poate fi prelucrată cel mai eficient, adică cea care permite să fie folosite la maximum substanţa şi energia, să fie organizat un proces de producere la un randament înalt (cu mai puţine etape, continuu, cu rezolvarea eficientă a problemelor ecologice şi cu folosirea proceselor automatizate). Pentru a obţine un produs de calitate superioară cu cheltuieli minime, se foloseşte materia primă concentrată sau îmbogăţită în prealabil. Înnobilarea materiei prime reprezintă creşterea părţii de masă a componentei de bază în materia primă. Se aplică diverse metode de îmbogăţire pentru materiale solide, lichide şi gaze. Una dintre metodele de bază de îmbogăţire a materiei prime solide este flotarea. În decursul flotării, mineralele se mărunţesc, se amestecă bine cu apă şi cu spumanţi, apoi se suflă aer pentru formarea spumei. Particulele neumezite, de exemplu, mineralele sulfhidrice, se ridică la suprafaţă, formând o spumă mineralizată, iar roca sterilă se precipită. Pe lângă materialele de bază, în industria chimică se mai folosesc materiale auxiliare: catalizatori, oxigen pentru intensificarea proceselor de ardere etc. Tarcini imediate Definiţi noţiunile: catalizator, activant sau promotor, agent purtător. Explicaţi-le. 99 4.2.3. Caracteristicile reacţiilor chimice folosite în procesele tehnologice Reacţiile care stau la baza proceselor tehnologice se caracterizează după principiile de clasificare indicate în tabelul 4.1. De exemplu, reacţia de sinteză a amoniacului N2 + 3H2 ^ 2NH3 + Q poate fi caracterizată în modul următor: 1) reacţie de combinare; 2) exotermă; 3) de oxido-reducere; 4) reversibilă cu o poziţie a echilibrului nefavorabilă (Kechii < 1); 5) omogenă (gaze); 6) catalitică (catalizator - fier poros; cataliza - eterogenă). În industria chimică, noţiunea de reacţie chimică are un înţeles mai larg. Apare, în acelaşi timp, şi noţiunea de proces chimic, care include însăşi reacţia, modalitatea de introducere a substanţelor iniţiale şi modalitatea de eliminare a produşilor reacţiei, precum şi folosirea reacţiilor secundare ce vor decurge în acelaşi timp cu reacţia de bază. Particularităţile reacţiilor chimice servesc drept bază a regimului tehnologic, implicând condiţiile producerii chimice. 4.2.4. Condiţiile optim e de realizare a procesului chim ic cu un randament m axim al t i Noţiuni- clieie • Regim tehnologic • Condiţii optime • Contracurent • Schimb de căldură • Reactor Totalitatea factorilor de bază care influenţează viteza procesului, randamentul reacţiei şi calitatea produsului se numeşte regim tehnologic. Rentabilitatea producerii înseamnă condiţii optime, principii fundamentate ştiinţific şi gestiunea producerii. Condiţiile optime ale producerii se aleg în funcţie de particularităţile reacţiei chimice. Astfel, la alegerea condiţiilor (temperatură, presiune şi catalizator) pentru producerea amoniacului, se ţine cont ------------------------------------ de reversibilitatea reacţiei de obţinere. a) Temperatura este de 450-500oC. La temperaturi joase viteza reacţiei este foarte mică, iar la cele indicate este suficientă, chiar dacă echilibrul se deplasează spre stânga. b) Presiunea. La 500oC şi presiune atmosferică, doar 0,1% de amestec de azot şi hidrogen se transformă în amoniac. Conform principiului Le Châtelier, la mărirea presiunii, echilibrul acestei reacţii se va deplasa spre dreapta, în direcţia micşorării volumului. Pentru a deplasa în dreapta echilibrul, este nevoie de aplicarea unei presiuni mărite. Presiunea optimală este de 15-100 mPa (de 150-1 000 de ori mai mare decât cea atmosferică). Această reacţie reversibilă are o poziţie nefavorabilă a echilibrului, prin urmare, practic nu este posibilă deplasarea totală a echilibrului spre dreapta. De aceea, se aplică reîntoarcerea amestecului azot-hidrogen în coloana de sinteză. Reacţiile în producerea chimică 100 c) Catalizatorul. La sinteza amoniacului se utilizează fierul (supraporos) ce conţine trei agenţi de activare: Al2O3, K2O, CaO. Hidrogenul sulfurat şi alţi compuşi cu conţinut de sulf otrăvesc ireversibil catalizatorul (0,1% de sulf otrăvesc catalizatorul în proporţie de 50%). Apa şi oxizii de carbon, de asemenea, otrăvesc foarte puternic catalizatorul de fier, dar în mod reversibil. Prin urmare, este necesară purificarea prealabilă a azotului şi a hidrogenului de aceste impurităţi. Toate impurităţile cu conţinut de sulf din gazul natural (CS2 ş.a.) se transformă în sulfură de hidrogen, care este absorbită de cărbunele activat, soluţiile de carbonaţi, oxidul de zinc: ZnO + H2S = ZnS + H2O Baza gestiunii producerii este menţinerea condiţiilor optime. La sinteza amoniacului pe baza reacţiei exoterme, temperatura se poate ridica mai sus de limita de 500oC. Pe de altă parte, pe baza reducerii volumului în reacţie, presiunea se micşorează în timpul procesului. Prin urmare, la sinteza amoniacului, dirijarea procesului va consta în micşorarea temperaturii şi ridicarea presiunii până la cea optimă. Principiile ştiinţifice ale producerii chimice servesc ca bază pentru obţinerea produsului de calitate înaltă cu un randament maximal. Mai jos sunt enumerate principiile ştiinţifice, o parte dintre ele fiind deja cunoscute. 1. Alegerea materiei prime, purificarea acesteia. 2. Mărirea concentraţiei reagenţilor (îmbogăţirea materiei prime). 3. Utilizarea complexă a materiei prime (toate componentele). 4. Optimizarea suprafeţelor de contact (mărunţirea, mărirea porozităţii, plase polistratificate). 5. Stabilirea regimului optim de temperatură. La fabricarea acidului azotic, reacţia de oxidare a amoniacului pe plase de platină şi rodiu necesită o încălzire iniţială, iar apoi reacţia exotermă serveşte drept sursă de căldură. Temperatura optimă este de 800-900oC. 4NHa + 5O2 = 4NO + 6H2O + 907kJ 6. Aplicarea presiunii optimale. 7. Utilizarea catalizatorilor activi. 8. Eliminarea produselor finale din sfera reacţiei. De exemplu, amestecul de gaze după coloana de sinteză a amoniacului (ce conţine azot, hidrogen şi amoniac) la presiunea de 30 mPa se răceşte. Totodată, amoniacul se lichefiază şi este eliminat din amestecul de reacţie. Amoniacul lichid se separă şi este expediat la depozit. 9. Aplicarea concentraţiei mărite a uneia dintre substanţele reactante. La sinteza amoniacului, raportul volumelor azotului şi hidrogenului se menţine aproximativ egal cu cel din ecuaţia reacţiei, adică de 1:3. În procesul industrial de oxidare a oxidului de sulf (IV) (2SO2+O2 ^ 2SO3) reacţia decurge în condiţii de exces de oxigen, conducând la deplasarea echilibrului spre dreapta. 10. Asigurarea continuităţii. Procesul tehnologic se numeşte continuu în cazul în care acţiunile de introducere a materiei prime în aparat şi de eliminare a produsului au loc neîntrerupt. 11. Menţinerea circulaţiei. Procesul se numeşte circular în cazul în care substanţele ce nu au reacţionat se separă de produşii reacţiei şi se întorc din nou în sistemul de reacţie. 12. Asigurarea periodicităţii. Procesul tehnologic se numeşte periodic în cazul în care o porţiune de materie primă se introduce în aparat, unde este supusă unui şir de etape de prelucrare, după care se elimină toţi produşii. 13. Contracurentul este un proces în care componentele reactante se mişcă unul în întâmpinarea altuia. În ultimul stadiu de fabricare a acidului sulfuric, în coloana de absorbţie de sus se pompează acid sulfuric de 98%, iar în întâmpinarea lui se mişcă un curent de oxid de sulf (VI) gazos. 14. Schimbul de căldură este un proces de transmitere a căldurii de la componenta încălzită la cea rece. Astfel, la sinteza amoniacului în coloana de sinteză, amestecul care a reacţionat transmite căldura amestecului iniţial. În alte cazuri, amestecurile încălzite se trec prin schimbătoarele de căldură ale cazanelor. În cazane, apa rece se încălzeşte şi se foloseşte sub formă de apă fierbinte şi vapori pentru necesităţile producţiei şi în viaţa cotidiană. Acest proces se numeşte utilizarea căldurii. 15. Pentru reducerea pierderilor de căldură în mediul înconjurător se aplică izolarea termică a utilajului pentru minimalizarea cedării de căldură a aparatajului. 16. Mecanizarea. Automatizarea. Mecanizarea şi automatizarea sunt mijloace de intensificare a lucrului utilajului, de creştere a securităţii în timpul funcţionării acestuia. Mecanizarea este procesul în care are loc înlocuirea lucrului fizic cu lucrul maşinilor. Automatizarea înseamnă utilizarea aparatelor care permit efectuarea procesului de producere fără participarea nemijlocită a omului, ci doar sub conducerea acestuia. 17. Utilizarea eficientă a energiei electrice. Aceasta se obţine pe calea reducerii consumului energiei electrice, de exemplu, prin creşterea electroconductibilităţii electrolitului în procesele electrochimice, prin utilizarea energiei gazelor comprimate şi lichidelor, prin înlăturarea pierderilor la contacte etc. 18. Tehnica securităţii (TS) şi protecţia muncii. Asigurarea TS trebuie să fie introdusă în proiectul producerii pe bază ştiinţifică: ermeticitatea aparaturii, ventilaţia, izolarea suprafeţelor fierbinţi, eliminarea riscului de arsuri, de intoxicaţii sau deteriorări mecanice, securitatea regimului de lucru al aparatelor. 19. Protecţia mediului încojurător necesită: dotarea uzinelor cu instalaţii de purificare, controlul inspecţiei sanitare, organizarea producerii continue fără deşeuri, asigurarea protecţiei mediului ambiant. Aparatele folosite în producere se împart în reactoare şi aparate auxiliare. Reactor este aparatul în care decurge reacţia de bază a producerii respective. Reactoarele sunt de diferite tipuri, dar au şi caracteristici comune (de exemplu, aparatele de contact, coloana de sinteză, cuptoarele). Construcţia aparatelor de contact are, la rândul său, caracteristici comune. De exemplu, zona de contact poate avea aspect de: a) rafturi în formă de grilaj, pe care se aşază componenta solidă sau catalizatorul pentru reacţii (de exemplu, cu gaze); b) tuburi cu catalizatori (particulele solide au dimensiunea de 4-5 mm); c) site polistratificate; d) stratul „fierbinte“ de particule solide menţinute în stare de suspensie datorită presiunii gazului (arderea piritei). Aparatele auxiliare reprezintă pompe, separatoare, refrigerente, filtre diverse ş.a. arcini imediate Aduceţi exemple de procese tehnologice: continuu, periodic si circular. 101Reacţiile în producerea chimică V 102 o QfC u 1. Explicaţi ce este tehnologia chimică. 2. Explicaţi noţiunea regim tehnologic. 3. Caracterizaţi materia primă după schema: a) compararea noţiunilor materie primă şi materiale; b) structurarea şi clasificarea materiei prime; c) alegerea materiei prime, îmbunătăţirea caracteristicilor sale; d) caracterizarea cantitativă a materiei prime; e) principalele direcţii de soluţionare a problemei materiei prime. 4. Enumeraţi principiile ştiinţifice ale producerii chimice. 5. Explicaţi legătura din schemă: Substanţă --------► Reacţie chimică -------► Proces chimic 6. Caracterizaţi condiţiile producerii (regim tehnologic), arătaţi componentele sale, alegeţi expresiile corecte: a) prezenţa catalizatorului; d) principii ştiinţifice; b) condiţii optime; e) îmbogăţirea materiei prime; c) alegerea materiei prime; f) gestiunea producţiei. 7. Clasificaţi, după principiile de bază, următoarele reacţii chimice (tabelul 4.1): [Fe] a) N2 + H2 ^ NH3 + 92 kJ to b) FeS2 + O2 * Fe2O3 + SO2 + Q [V2O5] c) SO2 + O2 ^ SO3 + 394 kJ d) H2O + SO3 ^ H2SO4 + Q e) H2 + Cl2 ^ HCl + Q [Pt] f) NH3 + O2 ->■ NO + H2O + Q Stabiliţi coeficienţii în ecuaţiile reacţiilor a-f. Calculaţi cantitatea de căldură ce se elimină în reacţiile (a) şi (c), la obţinerea a: 10 mol de produs (1), 1 tonă de produs (2). 4.2.5. Producerea varului nestins 1. Produsul finit în procesul de producere a varului nestins este: a) oxidul de calciu cu impurităţi (SiO2, Fe2O3 etc.), numit var nestins, care constituie o masă solidă, albă, greu fuzibilă; b) dioxidul de carbon, gaz produs complementar. 2. Reacţia chimică ce stă la baza producerii varului nestins (prăjirea calcarului) este o reacţie de descompunere: t o CaCO3 ţi CaO(s) + CO2(g) î — Q c a lc a r v a r o x id d e s a u c re tă n e s tin s c a r b o n (IV) Aceasta este o reacţie endotermă, adică decurge cu absorbţie de căldură. Încălzirea este condiţia principală de decurgere a reacţiei. Temperatura optimă este de circa 1 300oC. Reacţia este eterogenă; la ea participă două substanţe solide şi una gazoasă. Reacţia este reversibilă. Din acest motiv, dioxidul de carbon este evacuat continuu din sfera reactantă, absorbţia lui contribuie la obţinerea noilor cantităţi de CO2 şi la la capăt. 3. Materia primă. La producerea varului, în calitate de materie primă se utilizează calcarul şi creta. Republica Moldova dispune de zăcăminte considerabile, care conţin 92-94% de substanţă de bază - carbonat de calciu şi 6-8% de impurităţi (nisip SiO2). Creta are o umiditate mai mare decât calcarul, de aceea necesită mai mult combustibil pentru prăjire. Calcarul este mărunţit în concasor (maşină de sfărâmat materiale dure), bucăţile se separă după dimensiuni (se calibrează): cele de 7-12 cm sunt folosite pentru producerea varului, iar cele mai mici - pentru producerea cimentului. Bucăţile de calcar de dimensiunile necesare se încălzesc bine. Reacţia de descompunere decurge în masă, aerul fierbinte pătrunzând printre bucăţi. Aerul. Pentru îmbunătăţirea arderii combustibilului şi obţinerea temperaturilor înalte, aerul este îmbogăţit cu oxigen (până decurgerea reacţiei până n Ştiaţi că... Perlele sunt constituite din formaţiuni ale mineralului aragonit - carbonat de calciu CaCO3. Acestea conţin circa 10-14% de substanţă organică şi de la 2% la 4% de apă. Perla se formează în interiorul mai multor moluşte de mare sau de râu, având un luciu deosebit. Cea mai mare perlă are masa de 6,4 kg, seamănă cu un corp uman şi a fost extrasă dintr-o moluscă de 3 tone cu o vârstă de 450 de ani, de lângă insulele Filipine. la 35% din volum). Combustibilul. Uzina din localitatea Vatra foloseşte, în calitate de combustibil, gazul natural, la arderea căruia se formează oxid de carbon (IV) şi vapori de apă: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q La fabricile de zahăr, pentru obţinerea varului, se foloseşte cărbunele (cocsul), la arderea căruia, după reacţia C + O2 = CO2 + Q, nu se formează apă. Consumul de combustibil alcătuieşte 140­ 160 m3 de gaz sau 125-135 kg de cocs la fiecare tonă de var. 4. Cuptorul de prăjire a varului. Cuptoarele au formă cilindrică, iar în partea de jos trec într-o formă conică. Cuptorul are înălţimea unei clădiri cu cinci etaje şi este montat pe un inel de fontă fixat pe un fundament de beton. Pereţii sunt făcuţi din straturi duble cu o parte izolatoare, în exterior fiind acoperiţi cu foi de oţel sau cu inele de oţel. Stratul intern este făcut din cărămidă refractară, rezistentă la temperaturi mai mari de 1 300oC. Diametrul cuptoarelor poate fi de la 4,5 până la 6,5 m. În partea de jos a cuptorului este o gură pentru descărcarea continuă a varului şi alta pentru pătrunderea aerului. În partea superioară a cuptorului sunt amplasate instalaţii speciale cu conuri de dispersare pentru introducerea în cuptor a calcarului calibrat sau a amestecului de calcar cu cărbune. Calcar, cocs Zona de prăjire CO2 şi alte gaze 120-160°C Ventilator pentru eliminarea gazelor Zona de răcire Descărcarea varului 40-50oC Zona de încălzire Fig. 4.3. Schema procesului chimic în cuptorul de prăjire a varului (combustibil - cocs) 103Reacţiile în producerea chimică 104 5. Procesele din cuptorul de prăjire Încărcarea calcarului se face prin instalaţii speciale. Conurile de dispersare repartizează calcarul în mod egal în tot spaţiul intern al cuptorului. Calcarul umed mai întâi se usucă la 200oC, apoi se încălzeşte de la gazele fierbinţi ce vin de jos. Are loc schimbul de căldură. Calcarul uscat se lasă în jos, iar în locul lui vine o altă cantitate de amestec de calcar cu cărbune. Încălzirea. În zona de încălzire calcarul se înfierbântă până la 700oC şi se descompune parţial. Prăjirea. În zona de prăjire, datorită arderii (1000-1200oC) cărbunelui sau a gazului natural, în aerul îmbogăţit cu oxigen se atinge temperatura de 1 200oC şi are loc descompunerea totală a calcarului. La o temperatură mai mare de 1 300oC decurge reacţia dintre calcar şi nisip cu formarea unei mase de sticlă topită CaO + SiO2 = CaSiO3. Bucăţile de calcar se acoperă cu această topitură, făcând imposibilă descărcarea varului. De aceea se menţine o temperatură optimă - 1200oC. Gazul obţinut la prăjire conţine 40% de dioxid de carbon, azotul rămas din aer, precum şi vapori de apă, dar numai acest cuptor funcţionează cu gaz. Temperatura gazului la ieşire ajunge până la 140-150oC. Gazul se ridică în sus, cedează căldura calcarului (procesul este numit contracurent), după care trece, pentru purificare, în ciclon şi în filtrul electric. Apoi din el se elimină CO2. Răcirea. Aerul care vine din partea de jos a cuptorului (40oC) este rece şi absoarbe căldura în zona de răcire (fig. 4.3), unde se lasă în jos continuu produsul după prăjire. Aici are loc schimbul de căldură: aerul se încălzeşte, iar produsul se răceşte (40oC). Aerul fierbinte trece mai sus în zona de prăjire, unde arde combustibilul (cocsul sau gazul). Descărcarea. Din zona de prăjire varul cu temperatura de 40oC se lasă în jos pe un platou de construcţie, iar apoi, prin gura de descărcare, se duce cu transportorul la depozit sau în maşini speciale. Întregul proces durează 36 de ore. Procesul de producere a varului nestins este continuu, automatizat şi electrificat, ceea ce este mai avantajos decât procesul întrerupt. Cuptoarele de prăjire a varului funcţionează încontinuu timp de şapte-opt ani, adică fără întrerupere şi fără reparaţie. 6. Controlul şi dirijarea. Procesul de producere a varului este supravegheat cu ajutorul unor aparate de control şi de măsurare. Se verifică: a) compoziţia aerului (îmbogăţirea cu oxigen trebuie să constituie 30-35%); b) volumul aerului (trebuie să fie exces de aer ~5%); c) temperatura gazului după prăjire, la ieşire (120-140oC); d) temperatura varului obţinut la ieşire (40oC); e) temperatura în zonele de uscare, încălzire, prăjire, răcire (200oC, 700oC, 1000-1200oC, 400oC); f) dimensiunile bucăţilor de calcar (7-12 cm) şi de cocs (3-6 cm); g) consumul combustibilului (140-160 m3 de gaz sau 125-135 kg de cocs pentru 1 t de CaO); h) compoziţia materiei prime (impurităţi, carbonat de calciu) şi a varului obţinut (oxid de calciu, impurităţi). 7. Randamentul produsului. Calcarul conţine anumite impurităţi (SiO2 ş.a.) care nu se descompun, ci trec în var. De aceea varul nestins obţinut conţine cca 85% oxid de calciu, iar restul sunt impurităţi. Productivitatea cuptoarelor depinde de dimensiunile lor, de compoziţia materiei prime, constituind de la 100-200 t până la 500­ 600 t în 24 de ore. 4.2.6. Producerea etanolului "S arcini imediate Deduceţi principiile ştiinţifice ale producerii varului nestins. 105 Se cunosc mai multe metode de obţinere a etanolului. Vom examina metoda de obţinere a alcoolului etilic prin hidratarea etilenei. Alcoolul etilic sintetic se obţine în industrie prin reacţia de hidratare a etilenei cu vapori de apă: H3PO4 CH2=CH2(g) + H2O(vapori) — - C2HaOH(g) + Q Deoarece reacţia este însoţită de micşorarea numărului de molecule, pentru deplasarea echilibrului spre dreapta trebuie aplicată creşterea presiunii. La temperaturi joase reacţia nu se produce, de aceea se foloseşte temperatura de 280- 300oC. Echilibrul însă se deplasează spre stânga în direcţia reacţiei endoterme de descompunere a etanolului. Deoarece reacţia este însoţită de micşorarea volumului şi a numărului de molecule, ridicarea presiunii deplasează echilibrul spre dreapta. Pentru a compensa deplasarea echilibrului spre stânga, la încălzire se foloseşte o presiune excedentară de 70-80 de ori mai mare decât cea atmosferică (7-8 MPa). Pentru ca reacţia să decurgă cu viteza necesară, se utilizează catalizatorul H3PO4. Pentru a mări suprafaţa de contact a amestecului C2H4(gaz) - H2O(vapori) cu catalizatorul lichid H3PO4, aparatul de contact se umple cu ţevi de ceramică sau inele, utilizate în calitate Tabelul 4.2. Producerea etanolului Materia primă Etilena C2H4 se obţine din hidrocarburi saturate prin dehidrogenare: 250 - 650oC a) 2CH4 --------- - C2H4 + 2H2 500oC b) C2H6 — C2H4 + H2 Reacţia chimică şi caracteristicile sale H3PO4 C2H4 + H2O(vap) <------- — C2H5OH(g) + Q este o reacţie de combinare, de oxidoreducere, reversibilă, cu poziţia nefavorabilă a echilibrului, cu gradul de transformare de 5%, exotermă, omogenă, catalitică, cataliză eterogenă (gaz-vapori-lichid). Condiţii optime Temperatura de 280-300oC, presiunea 7-8 MPa (70-80 atm.), catalizator H3PO4 pe purtător solid. Aparate Reactorul - aparatul de contact (coloana de sinteză). Aparate auxiliare: compresor, pompă circulantă, schimbător de căldură, agitator, condensator, separator de gaze. Principii ştiinţifice de producere Proces continuu (circulaţie), crearea de condiţii optime, mărirea suprafeţei de contact (catalizator pe purtător), folosirea temperaturii ridicate, contracurent, aplicarea catalizatorului, folosirea presiunii înalte, schimbul de căldură şi folosirea căldurii, mecanizarea, electrificarea, automatizarea parţială, protecţia mediului înconjurător. Gestiunea producerii Micşorarea temperaturii până la cea optimă, mărirea presiunii până la cea optimă. Produs Etanol lichid C2H5OH (96%). Reacţiile în producerea chimică de purtător. Acidul fosforic umezeşte purtătorul şi astfel se măreşte suprafaţa de contact. Când sunt respectate condiţiile optime, la trecerea etilenei prin aparatul de contact doar 5% de etilenă se transformă în etanol. Aceasta se explică prin faptul că constanta de echilibru este mai mică decât 1: K = [C2H5OHvaP.] < 1 [CH2=CH2(g)] • [H2O(g)] De aceea gradul de transformare a substanţelor iniţiale în produşi de reacţie nu este mare, poziţia echilibrului nefiind favorabilă. Pentru ca producerea să fie rentabilă, etilena trebuie redirecţionată în aparatul de contact, separând în prealabil alcoolul etilic. Ca şi la producerea amoniacului, aici se aplică circulaţia. Producerea etanolului este descrisă în tabelul 4.2. Să examinăm schema instalaţiei industriale (fig. 4.4). a) Amestecul de etilenă, gaz circulant şi apă este pompat la presiunea de 7-8 MPa (70-80 atm.) în schimbătorul de căldură 1, unde se încălzeşte (300oC) datorită produşilor de reacţie. Mai apoi, amestecul se încălzeşte în cuptorul tubular 2 până la 280-300oC. b) Amestecul încălzit vine în partea de sus a aparatului de contact, hidratorul 3. c) Aparatul de contact reprezintă o coloană cilindrică din oţel, acoperită în interior cu plăci de cupru (pentru protecţia împotriva coroziunii) şi umplută cu purtător solid de aluminosilicat, pe suprafaţa căruia se prelinge catalizatorul - acidul ortofosforic. Amestecul de etilenă cu vapori de apă trece sub presiune prin coloană şi din partea de jos a acesteia produşii de reacţie trec la separare. d) Deoarece la ieşire amestecul de gaze constă din vapori de etanol, apă, picături de H3PO4, etilenă şi produşi secundari, el se prelucrează mai întâi cu bază alcalină până la înlăturarea acidului fosforic. e) Amestecul fierbinte trece în schimbătorul de căldură 1 şi dă o parte de căldură unei noi cantităţi de etilenă. După aceasta, el se adună în condensatorul 4. Apa şi alcoolul condensat se n Ştiaţi că.. Loţiunile cosmetice fară apă conţin 25-40% de alcool etilic, diferite adaosuri anorganice şi organice, de exemplu, acid boric, săruri de aluminiu, conservanţi. 106 arcini imediate Enumeraţi şi alte metode de obţinere a etanolului. Ce este etanolul alimentar? Fig. 4.4. Schema instalaţiei industriale a hidratării directe a etilenei: 1 - schimbător de căldură; 2 - cuptor tubular (agitator); 3 - coloana de sinteză (hidrator); 4 - condensator; 5 - separator de gaze separă de amestecul gazos. Apa din refrigerent se încălzeşte şi poate fi folosită în condiţii cotidiene. Etilena rămâne în stare gazoasă. f) În separatorul 5 etilena se separă de soluţia care conţine 95% de alcool în apă. Etilena nereacţionată cu ajutorul pompei circulare, se reîntoarce la începutul procesului, iar alcoolul etilic se depozitează. Etanolul obţinut după această schemă tehnologică se purifică. 4.2.7. Producerea fontei şi oţelului (noţiuni elementare) Metalurgia este ştiinţa despre metodele industriale de obţinere a metalelor. Deosebim metalurgia feroaselor şi neferoaselor. Producerea fierului şi a aliajelor sale se referă la metalurgia feroasă. Aproape 90% din metalele utilizate revin acestei metalurgii. Producerea celorlalte metale - neferoase - ţine de metalurgia neferoaselor. Printre metalele neferoase, primul loc îi revine aluminiului, iar cel de-al doilea - cuprului. Cele mai importante aliaje ale fierului sunt fonta şi oţelul. Fonta reprezintă aliajul ce conţine 2%-6% de carbon, precum şi siliciu, mangan, sulf, fosfor. Oţelul este aliajul fierului ce conţine 0,1- 2% de carbon şi cantităţi neînsemnate de mangan, fosfor şi sulf (vezi pag. 109). Drept materie primă pentru obţinerea fierului servesc minereurile de fier care au la bază oxizii fierului: Fe2O3 - hematitul; Fe3O4 - magnetitul Fierul se reduce din minereu, iar în calitate de reducător se foloseşte cocsul. Însă cele două substanţe solide - minereul şi cocsul - au o suprafaţă de contact mică, de aceea viteza reacţiei 2Fe2O3 + 3C = 4Fe + 3CO2 nu este mare, iar randamentul este mic. Cel mai bun reducător, care asigură o bună suprafaţă de contact, este oxidul de carbon (II) CO, care se formează din cocs şi oxid de carbon (IV) direct în furnal, unde se obţine fonta: C + O2 = CO2 + Q CO2 + C Ţ 2CO - Q Procesul de reducere a hematitului decurge treptat conform schemei: Fe2O3 ţ Fe3O4ţ FeO ţ Fe to 3Fe2O3 + CO Ţ 2Fe3O4 + CO2 î to Fe3O4 + CO ţ 3FeO + CO2 î to FeO + CO ţ Fe + CO2 î Fe2O3 + 3CO Ţ 2Fe + 3CO2 î Minereul de fier se reduce în cuptoare verticale speciale fig. 4.5). Furnalul are o înălţime de câteva zeci de metri şi o capacitate interioară de 5 000 m3; corpul său este confecţionat din arcini imediate Amintiţi-vă, din chimia organică, domeniile de utilizare a etanolului. Noţiuni- clieie • Fontă • Oţel • Furnal • Convertor 107Reacţiile în producerea chimică 108 oţel, fiind căptuşit în interior cu cărămidă refractară. Productivitatea acestui furnal constituie până la patru milioane de tone de fontă pe an. Procesul de obţinere a fontei în furnale este redat în fig. 4.5. Din partea de sus a furnalului se introduce neîntrerupt materia primă (minereu de fier, cocs, calcar), iar din partea de jos - aer îmbogăţit cu oxigen până la 30% şi încălzit. În partea de jos, prin orificii speciale, se colectează fonta şi zgura. Reacţia exotermă de ardere a cocsului C + O2 = CO2 + Q asigură creşterea temperaturii până la 1600 - 1800oC, depăşind temperatura de topire a fierului (1535oC). Îmbogăţirea aerului cu oxigen contribuie la accelerarea acestei reacţii. Ridicându-se în sus, CO2 se transformă în CO, care reduce minereul. Venind în contact cu carbonul, fierul lichid îl dizolvă, de unde rezultă aliajul - fonta - care conţine până la 6% de carbon. Principala impuritate în minereu este nisipul SiO2. Acesta nu se topeşte la temperatură înaltă în interiorul furnalului. Însă la topirea cu calcar, nisipul formează o zgură uşor fuzibilă, care este silicatul de calciu: n Ştiaţi că... | În Anglia, fonta se numeşte „fier spiritual". Cum credeţi, de ce este numită astfel? Oţelul putea fi obţinut încă în Antichitate. O daltă de oţel găsită în piramidele egiptene are vârsta de 5 000 de ani. SiO2(s.) + CaCO3(s.) = CaSiO3(s.) + CO2(g) — Q Zgura este mai uşoară decât fonta şi pluteşte la suprafaţă. De aceea este uşor de a scurge separat un strat de fontă lichidă şi unul de zgură lichidă. Impurităţile de sulf şi de fosfor în fontă influenţează proprietăţile acesteia. Din fontă se confecţionează piese care nu sunt supuse loviturilor: volanţi, suporturi, carcase etc. O bună parte din fontă este totuşi folosită la producerea oţelului, care este un aliaj mult mai necesar. Pentru a transforma fonta în oţel, trebuie să se micşoreze (prin ardere) conţinutul de carbon până la 0,5-2%. Oţelul se obţine în convertizoare, suflând oxigen prin fonta topită, sau în cuptoare Martin. Odată cu înlăturarea carbonului, în oţel se introduc adaosuri de metale şi se obţin diferite tipuri de oţeluri, numite aliate. EVALUARE 1. Comparaţi fonta şi oţelul după compoziţie şi proprietăţi şi deduceţi prin ce se deosebesc. 2. Explicaţi ce reacţii chimice se produc în furnal atunci când se reduce fierul din minereu, având ca exemplu magnetitul. 3. Explicaţi de ce, în procesul care are loc în furnal, nu se poate utiliza cărbunele de pământ. Care este rolul cocsului? 4. Evidenţiaţi principiile ştiinţifice generale ale industriilor chimice care se respectă în procesul din furnal. Care dintre ele contribuie la sporirea vitezei de reacţie a acestui proces? 5. Minereul de fier conţine oxid de fier (III) în proporţie de 90% şi oxid de siliciu în proporţie de 10%. Calculaţi părţile de masă de fier şi siliciu în minereu. 6. Calculaţi masa fontei care poate fi obţinută din 100 t de hematit Fe2O3, cu partea de masă a impurităţilor de 10%, dacă fonta conţine 95% de fier. 7. La arderea în curent de oxigen a 100 g de oţel, se formează 2,2 g de oxid de carbon (IV). Calculaţi partea de masă a carbonului în oţel. 8. Calculaţi volumul oxidului de carbon (II) necesar pentru reducerea a: a) 160 t de Fe2O3; b) 232 t de Fe3O4. n Ştiaţi că... În secolul al XX-lea, au început să fie utilizate oţeluri aliate cu adaosuri de crom, nichel, mangan, cobalt, crom, vanadiu, wolfram, titan ş.a. Un rol important îl au oţelurile de crom-nichel, în care cromul îi conferă oţelului duritate, iar nichelul - plasticitate. Astăzi, în lume se produc circa 500 de milioane de tone de oţel anual. Aproape 1/3 din masa Pământului o reprezintă fierul. Acesta este concentrat în nucleul Pământului, unde temperatura este de +5400oC. 109 4.2.8. Producerea cim entului si a sticlei > Sticla, cimentul, ceramica, diferite materiale de construcţie sunt fabricate în industria silicaţilor din silicaţi naturali. Materia primă de bază a industriei silicaţilor este argila (în greacă - keramon). Ea are o calitate şi o compoziţie diferită. Caolinitul, de exemplu, are compoziţia Al2O3 ■ 2SiO2 ■ 2H2O. Producerea cimentului Ca materie primă pentru obţinerea cimentului se folosesc argila şi calcarul, ce conţin oxid de siliciu SiO2. În anumite cuptoare de formă cilindrică, înclinate, a căror lungime atinge 200 m şi lăţimea 5 m, se calcinează amestecul de argilă şi calcar. Cuptorul se roteşte Noţiuni- clieie • Ciment • Sticlă • Beton • Cuptor cilindric Reacţiile în producerea chimică 110 • Cimentul Portland are această i denumire datorită asemănării ' şi proprietăţilor comune cu pia- i tra care se extrage lângă ora- j şul Portland din Anglia. În anul i 1824, pietrarul englez Joseph [ Aspdin a obţinut un brevet de producere a acestui ciment. În prezent, există diferite tipuri de ciment: cu aglutinare rapi- , dă, expansiv, rezistent la ger, 1 rezistent la temperaturi înalte. , n Ştiaţi că. încet, iar amestecul se mişcă treptat în jos, în direcţia curentului de gaze încinse (contracurentul!). Se foloseşte combustibil gazos sau solid pulverizat. În acest proces se produce o reacţie chimică complexă. Ea poate fi prezentată succint în trei etape. 1. Deshidratarea caolinitului: AI2O3 • 2SiC>2 • 2H2O AI2O3 • 2SiO2 + 2H2O 2. Descompunerea calcarului: CaCO3 = CaO + CO2 î 3. Formarea silicaţilor şi aluminaţilor de calciu: CaO + SiO2 = CaSiO3 CaO + AI2O3 = Ca(AIO2)2 Bucăţile mari contopite de ciment se mărunţesc până la o pulbere fină. Acesta este procesul de obţinere a cimentului Portland. La amestecarea cimentului cu apă se formează o pastă de ciment. Dacă în acesta se adaugă piatră mărunţită şi nisip, se formează un material de construcţie numit beton. Introducerea carcaselor din bare de metal în beton permite obţinerea betonului armat. Fabricarea sticlei După compoziţia şi proprietăţile sale, sticla poate fi: obişnuită, greu fuzibilă, de cristal, de cuarţ. Pentru fabricarea sticlei obişnuite se folosesc nisipul de cuarţ (SiO2), soda (Na2CO3), calcarul (CaCO3), sarea lui Glauber (Na2SO4 ■ 10H2O). Aceste substanţe se amestecă şi se încălzesc până la 1500oC în cuptoare speciale. În acest caz, se formează un aliaj din silicaţi de sodiu şi calciu după reacţiile: Na2CO3 + SiO2 = Na2SiO3 + CO2î arcini imediate Informaţi-vă dacă în Republica Moldova există fabrici de producere a sticlei şi cimentului. Ce fel de sticlă şi ciment se produc la aceste fabrici? Q Ştiaţi că... | 1 Sticla colorată se obţine adăugând la materia primă oxizi ai [ diferitelor metale: 1 - albastru - oxid de cobalt (II); 1 - verde - oxid de crom (III); - albastru-verzui - oxid de cupru (II); 1 - rubin (roşu) - aur cu dispersie fină. CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2î Sticla obişnuită are compoziţia: Na2O ■ CaO ■ 6SiO2. Sticla greu fuzibilă se obţine înlocuind soda cu potasă K2CO3. Compoziţia ei este K2O ■ CaO ■ 6SiO2. Ea are un coeficient de dilatare la încălzire foarte mic. Sticla de cristal K2O ■ PbO ■ 6SiO2 se obţine pe baza potasei K2CO3 şi a oxidului de plumb (II). Din ea se confecţionează lentile, prisme, veselă. Sticla de cuarţ se obţine din nisipul de cuarţ topit. Ea permite să treacă razele ultraviolete, de aceea din ea se fabrică lămpi de cuarţ, folosite în medicină. Sticla de cuarţ se dilată puţin la încălzire, de aceea vesela de laborator fabricată din acest material poate fi încălzită la flacăra deschisă a arzătorului de gaz şi poate fi răcită brusc fără a suferi modificări. Articolele din masa de sticlă topită se fabrică prin suflare (vase, becuri), prin presare (nasturi), prin laminare (sticlă pentru oglinzi), prin tragere (foi, tuburi şi baghete de sticlă). Din tipuri speciale de sticlă se fabrică fibre şi ţesături. Obiectele confecţionate din poliester armat cu fibră de sticlă sunt rezistente ca oţelul şi nu se tem de coroziune. 111 EVALUARE 1. Ce proprietăţi ale argilei stau la baza producerii confecţiilor ceramice? 2. Comparaţi reacţiile chimice prin care se obţin: a) sticla obişnuită; b) sticla termostabilă; c) sticla de cristal; d) sticla de cuarţ. Care dintre aceste tipuri de sticlă este cea mai simplă după compoziţie? 3. Cărămida silicioasă se produce din nisip alb şi din var stins şi prezintă grăuncioare de cuarţ, întărite cu silicat de calciu. Alcătuiţi ecuaţia reacţiei care are loc la producerea cărămidei albe. Încercaţi să exprimaţi compoziţia acesteia ca sumă de oxizi. 4. Explicaţi ce se întâmplă cu argila în timpul calcinării ei, bazându-vă pe compoziţia sa. 5. Explicaţi ce proprietăţi ale cimentului stau la baza aplicării lui. 6. Din timpurile străvechi, producătorii de sticlă foloseau mineralul piroluzit MnO2 pentru a da culoare verde sticlei, ce conţine impurităţi de fier. De aceea piroluzitul a fost numit şi „săpun de sticlă". În anul 1774, Carl Scheele şi alţi savanţi au obţinut metalul mangan prin calcinarea piroluzitului cu cărbune. Calculaţi volumul (c.n.) oxidului de carbon (IV) care se elimină la obţinerea a 55 g de mangan prin această metodă. 4.2.9. Produse petroliere. Procese chim ice de obţinere Masa organică totală a petrolului este de cca 98%. Compoziţia lui după elemente este următoarea: Noţiuni- clieie C 83% • Coloană de rectificare N 13% • Scară octanică O+N 0,2-0,3% • Cracare termică S cenuşă 0,1-0,7% 0,1-0,5% • Cracare catalitică inclusiv metale 0,01% Petrolul reprezintă un amestec de hidrocarburi. În compoziţia lui intră mai bine de 150 de hidrocarburi diferite. Peste jumătate dintre acestea sunt hidrocarburi lichide saturate, o altă jumătate sunt arene: benzenul, toluenul şi xilenul. Fiecare substanţă din compoziţia petrolului are temperatura sa de fierbere. Cu cât masa moleculară este mai mare, cu atât mai înaltă este temperatura de fierbere a substanţei. a) Prelucrarea petrolului. Principiul distilării fracţionate Prima etapă de prelucrare a petrolului cuprinde următoarele faze: se aduce petrolul la fierbere, se urmăreşte temperatura şi se adună vaporii în recipiente speciale. În fiecare recipient se găseşte lichidul care fierbe la o anumită temperatură. Acest procedeu se numeşte distilare. Astfel, prima etapă de prelucrare a petrolului constă în separarea lui pe fracţii. Amestecurile de substanţe cu temperaturi de fierbere şi cu mase moleculare apropiate se numesc fracţii. Instalaţia pentru distilarea continuă a petrolului (fig. 4.6) este alcătuită dintr-un cuptor pentru încălzirea petrolului şi o coloană de rectificare. Cuptorul se încălzeşte datorită arderii păcurii sau gazului. În serpentină petrolul se încălzeşte până la 320-350oC (nu mai mult!). La temperaturi mai înalte, începe scindarea nedorită a moleculelor. Coloana de rectificare este un aparat cilindric de oţel cu înălţimea de aproape 40 m. În interior are câteva zeci de diafragme orizontale cu orificii numite talere. Vaporii de petrol Reacţiile în producerea chimică 112 3 O ■i—» Q_ ro U ajung în coloană şi se ridică în sus. Aceştia trec prin orificiile din talere, se răcesc treptat la mişcarea în sus şi se lichefiază parţial. Hidrocarburile mai grele sunt mai puţin volatile şi se lichefiază pe primele talere. Astfel, se formează prima fracţie - motorina C13-C 18. Hidrocarburile mai volatile C12-C 15 se adună mai sus şi se formează a doua fracţie - petrolul lampant. Şi mai sus se adună a treia fracţie - C8-C 14, ligroina. Cele mai volatile hidrocarburi C5-C 11 intră în compoziţia vaporilor din coloană, trec prin refrigerent şi, după condensare, formează benzina. O parte din benzină se reîntoarce în coloană. Aceasta contribuie la răcirea şi la condensarea gazelor ce se ridică în sus. Toate aceste fracţii se numesc produse de distilare deschisă. Fracţia lichidă a petrolului supraîncălzit, care nu fierbe la 350oC, se scurge în partea de jos a coloanei, formând păcura neagră; pentru „a distila“ cât mai complet hidrocarburile dizolvate în păcură, vaporii încălziţi se direcţionează în partea de jos, spre păcură. Din păcură se pot obţine multe substanţe preţioase, însă aceasta se descompune la o temperatură de peste 350oC. Tehnologii au aplicat proprietatea substanţelor de a fierbe la temperaturi mai joase şi presiune redusă. De aceea păcura se distilează în coloane de rectificare în vid, obţinându-se uleiuri lubrifiante, parafină, vaselină (fig. 4.6). Ceea ce nu se distilează se numeşte zgură. Aceasta se foloseşte la asfaltarea drumurilor. Cantitatea de benzină obţinută prin rectificarea petrolului nu este suficientă. În plus, trebuie ameliorată calitatea ei, a o face rezistentă la explozii. Rectificare Vapori de benzină Benzină Asfalt Fig. 4.6. Prelucrarea petrolului Pentru a caracteriza rezistenţa la explozii (stabilitatea la detonaţie) a benzinei a fost elaborată scara octanică. Izooctanul C8Hi8 (2, 2, 4 - trimetil pentan) are cea mai înaltă stabilitate la detonare şi de aceea i-a fost atribuită valoarea de 100 (cifra octanică). N-Heptanul, care detonează cel mai uşor, are cifra octanică 0. Amestecul de heptan şi izooctan are cifra octanică egală cu partea de masă a izooctanului care se conţine în el: n-heptan 0 24% 5% izooctan 100% 76% 95% cifra octanică 100 76 95 Folosind această scară, se determină cifrele octanice ale benzinei. De exemplu, benzina 95 are cifra octanică 95. Aceasta înseamnă că ea admite aceeaşi comprimare (fără detonare) în cilindrul motoarelor ca şi amestecul de 95% de izooctan şi 5% de n-heptan. Pentru a obţine cantităţi considerabile de benzină, este necesar să realizăm transformarea în benzină a petrolului lampant, a ligroinei, a păcurii şi a motorinei. În coloana de rectificare nu se admite ridicarea temperaturii mai sus de 350oC, deoarece moleculele hidrocarburilor vor începe să se descompună. ** Cracarea. Dacă am supune petrolul prelucrării termice la temperatura de 400-700oC, atunci hidrocarburile petrolului s-ar descompune în molecule mai mici, fenomen numit cracare. Astfel, a apărut o altă metodă importantă de prelucrare a petrolului - cracarea termică. Procesul de cracare poate fi descris în felul următor: C16H34 ^ C8H18 + C8H-|6 hexadecan octan octenă Catena de carbon se scindează în continuare, cu formarea unor hidrocarburi mai inferioare. Scindarea legăturii chimice are loc preponderent la mijlocul catenei, dat fiind că aici legătura e mai slabă. De exemplu, n-octanul (deasupra legăturilor sunt indicate energiile lor, kJ/mol) se va descompune în butan şi butenă: 335 322 314 310 314 322 335 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 C8H18 ^ C4H10 + C4H8 butan butenă În continuare, o bună parte din butan se descompune în etan şi etenă: C4H10 ^ C2H6 + C2H4 butan etan etenă Parţial este posibilă şi o scindare nesimetrică: C4H10 ^ CH4 + C3H6 butan metan propenă Astfel, în produşii de cracare apar alchene, în plus, se obţin hidrocarburi aromatice. Toate acestea duc la ridicarea cifrei octanice. Cracarea termică se efectuează într-un cuptor tubular. Prin cuptor se trec produşii petrolieri, de exemplu, păcura, la temperatura de 470-550oC şi sub o presiune de câţiva megapascali (20-30 atm.), pentru ca hidrocarburile uşoare să rămână în stare lichidă. Produşii de cracare sunt canalizaţi spre coloana de rectificare, pentru separare. Prin metoda cracării termice se obţine o cantitate suplimentară de benzină. Cel mai mare neajuns al acestui tip de benzină este instabilitatea ei la păstrare (oxidarea, polimerizarea). Pentru a înlătura acest neajuns, în benzină se adaugă antioxidanţi. La temperaturi ridicate de 650-670oC se efectuează cracarea (piroliza) pentru obţinerea hidrocarburilor nesaturate gazoase. 113Reacţiile în producerea chimică 114 n Ştiaţi că... | i Petrolul era cunoscut încă din i Antichitate şi se folosea pentru 1 iluminare şi încălzire. În anul 1854, i prin distilare şi purificare, din pe- [ trol a început să se obţină petrol i lampant. Lampa cu petrol lami pant a servit mai bine de o sută de ani ca sursă unică de lumină. i În anul 1900, extragerea petro- [ lului în toată lumea constituia i 20 de milioane de tone, iar în i prezent - mai bine de trei mili1 arde de tone. O mare parte din i petrol (80-90%) se foloseşte în calitate de combustibil şi matei riale lubrifiante şi numai 8% se i consumă pentru obţinerea unor substanţe organice. Aproape toate tipurile de trans- ' port - avioane, vapoare, automobile - utilizează produsele petroliere. 1 Din cele 8% de petrol se obţin i polimeri, cauciucuri, fibre sintetice, detergenţi, îngrăşăminte, i medicamente şi alte produse. i Cu toate că actualmente se stu1 diază posibilitatea folosirii şi altor surse de energie, deocam- ' dată petrolul rămâne principala i sursă de energie. [ Se poate afirma că bunăstarea civilizaţiei contemporane este i bazată pe petrol. Din cauza pe­ ' trolului au loc multe războaie i deschise şi secrete. Economia tuturor ţărilor depinde de petrol mai mult decât de oricare alt produs. Cracarea catalitică decurge în prezenţa aluminosilicaţilor naturali sau sintetici, utilizaţi în calitate de catalizatori. Procesul are loc la temperaturi mai joase de 450-500oC, dar cu o viteză mai mare. În acest caz, se obţine benzină de o calitate mai înaltă. Ridicarea cifrei octanice a acestui tip de benzină se datorează izomerizării alcanilor: din alcani liniari se obţin produşi ramificaţi, de exemplu: CH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH3 ^ CH3-CH(CH3)-CH2-CH2-CH3 b) Produsele petroliere şi protecţia mediului Cracarea este un proces de prelucrare a fracţiilor petroliere. În funcţie de condiţiile efectuării, cracarea este însoţită de reformarea şi de hidrorafinarea produselor petroliere. Reformarea (din engl. reforming) benzinei este procesul care decurge în prezenţa unui catalizator (platină) şi conduce la transformarea alcanilor liniari şi ramificaţi în hidrocarburi aromatice. În acest caz, creşte considerabil cifra octanică a combustibilului. Hidrorafinarea este prelucrarea produselor petroliere cu hidrogen la presiune şi încălzire, în prezenţa unui catalizator. Totodată, substanţele organice cu azot şi sulf se descompun şi se formează sulfura de hidrogen H2S şi amoniacul NH3. Această prelucrare complexă a petrolului asigură folosirea lui integrală şi contribuie la protecţia mediului înconjurător. Prelucrarea complexă a petrolului este procesul în urma căruia din petrol se extrag toate componentele importante care, la rândul lor, se folosesc în calitate de combustibil şi materie primă pentru industria chimică. Din sulfură de hidrogen se obţine sulf şi acid sulfuric, care se foloseşte la rafinarea petrolului. Din amoniac se obţine sulfat de amoniu, care este un îngrăşământ preţios. Din cenuşa petrolului se obţin, prin metode hidrocatalitice, metale rare: vanadiu, nichel, titan, cupru, staniu ş.a. Formarea oxizilor de sulf şi de azot în timpul funcţionării motoarelor mijloacelor de transport duce la poluarea gravă a mediului ambiant. De aceea hidrorafinarea produselor petroliere este foarte importantă. Este important să fie bine gestionată transportarea petrolului brut la uzinele de prelucrare, precum şi transportarea produselor petroliere către consumatori. Anual în ocean ajung circa 5-10 milioane de tone de petrol şi produse petroliere din cauza accidentelor de pe vasele marine şi tancurile petroliere sau în procesul extragerii şi prelucrării petrolului pe platformele marine. Este o daună ireparabilă pentru natură. Un litru de petrol poluează 40 000 de litri de apă. Pier peştii, animalele acvatice şi păsările. O parte mică (~5%) de petrol se dizolvă în apă, printre care şi hidrocarburile aromatice. În apa de mare, acestea se transformă în compuşi cu proprietăţi cancerigene şi mutagene. Pentru combaterea acestor poluări se folosesc metode biochimice. Se cunosc peste 1 000 de microorganisme care au capacitatea de a prelucra hidrocarburile. De exemplu, culturile de drojdii din specia Candida se alimentează cu parafinele petrolului şi dau o masă biologică (50%) ce conţine proteine şi vitamine. 115 si de ocrotire a m ediului > În fiecare ţară există cadrul legislativ care interzice poluarea cu substanţe nocive a apelor, aerului şi solului. Reziduurile industriale trebuie purificate în prealabil. Sunt stabilite concentraţiile maxime admisibile pentru fiecare substanţă, în miligrame la 1 litru de aer, de exemplu: - amoniac - 0,02; - benzină, gaz lampant - 0,3; - arseniu - 0,0003; - oxid de carbon (II) - 0,02; - sulfură de hidrogen şi sulfură de carbon - 0,01. Există un control permanent asupra mediului înconjurător. Industriile poluante sunt penalizate sever: de la amenzi până la închiderea unor secţii sau a întreprinderilor. Se reconstruiesc uzinele vechi, care nu mai asigură purificarea reziduurilor industriale. Noile uzine sunt proiectate şi construite luându-se în considerare necesitatea protecţiei mediului ambiant împotriva poluării. Acest obiectiv major se poate realiza prin următoarele metode. 1. Introducerea tehnologiilor fără reziduuri (schema 4.1), adică a unor astfel de procese de producere în care deşeurile industriale pot fi folosite în calitate de materie primă pentru alte procese. În mediul înconjurător pot fi aruncate, în cantităţi nu prea mari, doar substanţe care nu sunt nocive: apă purificată, oxid de carbon (IV), azot ş.a. Sunt posibile şi alte tehnologii fără reziduuri (schema 4.1). 4.2.10. Soluţionarea problemelor de utilizare a deşeurilor Schema 4.1 Producţia nr. 1 Materie primă Produs 1 Reziduuri Materie primă secundară Produs 2 Reziduuri 1 Materie primă secundară ----------► Produs 3 1 N2(aer) 2. Aplicarea tehnologiilor cu reziduuri de acumulare. În unele procese se formează reziduuri care nu pot fi folosite în continuare şi astfel se acumulează (schema 4.2). Schema 4.2 Producţia nr. 1 Materie primă Produs 1 Producţia nr. 2 w r i uu uj i Reziduuri Materie • Produs 2 primă secundară----------► Reziduuri care se acumulează Reacţiile în producerea chimică 116 3. Aplicarea sistemelor de circulaţie a apei (schema 4.3), unde apa pură este folosită pentru răcire (încălzire sau dizolvare). Totodată, apa se încălzeşte (se răceşte sau formează soluţie), mai apoi se răceşte (se încălzeşte sau se evaporă din soluţie), după care se foloseşte din nou, adică efectuează acelaşi lucru de mai multe ori. De aceea rareori se adaugă cantităţi proaspete de apă. Trecerea la folosirea apei în ciclu închis (sisteme circulare închise) sau a altor materiale permite dezvoltarea industriei şi economisirea materialelor necesare producerii. Schema 4.3 Materie primă Apă -► Soluţie -► Substanţă din soluţie Apă EVALUARE 1. Arătaţi ecuaţiile reacţiilor care stau la baza producerii varului nestins, numiţi condiţiile de realizare a lor în producere, explicaţi dacă acest proces de producere poate fi dirijat. 2. Alegeţi noţiunile ce corespund (din coloanele A şi B) şi argumentaţi-vă alegerea. A B I. Producerea varului nestins II. Producerea fontei şi oţelului III. Producerea cimentului şi sticlei IV. Producerea etanolului 1. Utilizarea catalizatorului 2. Aplicarea presiunii optime 3. Cuptor cilindric 4. Aparate de contact 5. Schimb de căldură 6. Proces circular 7. Contracurent 8. Furnal 9. Convertizor 3. Calculaţi masa etanolului care poate fi obţinut la hidratarea etilenei cu volumul de 448 m3, dacă, la o singură trecere prin aparatul de contact, în etanol se transformă doar 5% din etanolul iniţial. Indicaţi condiţiile reacţiei. 4. În industria farmaceutică, la deshidratarea alcoolului etilic, dată fiind temperatura de 140oC, în prezenţa acidului sulfuric concentrat, se obţine eter dietilic. Calculaţi volumul alcoolului etilic de 96% (densitatea 789,4 kg/m3), care poate fi utilizat pentru obţinerea a: a) 740 kg de eter dietilic; b) 1 000 kg de eter dietilic. 5. Gazul de apă, obţinut la gazificarea cocsului într-o instalaţie de acţiune periodică, constă din hidrogen (50%), oxid de carbon (IV) (38%), azot (5%), metan (0,5%) şi sulfură de hidrogen (0,5%). Calculaţi părţile de masă ale carbonului, azotului, sulfului în cocs, care se transformă în gaz de apă, dacă dintr-o tonă de cocs se formează 1 500 m3 de gaz de apă. 6. Pentru topirea unei tone de fontă obişnuită, ce conţine 2% de mangan, 4% de siliciu, 2,5% de carbon, este necesară o tonă de cocs. În ce procese se consumă cocsul, dacă se consideră că minereul constă din oxid de fier (III), oxid de mangan (II), oxid de siliciu (IV). Calculaţi masa cocsului consumat în fiecare proces. 7. Arzând combustibil organic, omenirea anual aruncă în atmosferă 12 milioane de tone de oxid de azot (II). Ce masă de acid azotic poate fi obţinută din această cantitate de NO, luând în considerare faptul că randamentul practic constituie 80%? 8. Varul nestins ars se aplică în construcţie, obţinându-se la calcinarea calcarului. Determinaţi partea de masă a componentei de bază (carbonat de calciu) în calcar, dacă la calcinarea a 5 kg s-a eliminat 1 m3 de oxid de carbon (IV) (c.n.)