Технология неорганических веществ. Примеры и задачи

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2020

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ  
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

УРАЛЬСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  
ИМЕНИ ПЕРВОГО ПРЕЗИДЕНТА РОССИИ Б. Н. ЕЛЬЦИНА

В. Р. Миролюбов, В. И. Гашкова, Л. Е. Толкачева

ТЕХНОЛОГИЯ  
НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Примеры и задачи

Учебное пособие

Под общей редакцией  
доцента В. Р. Миролюбова

Рекомендовано методическим советом  
Уральского федерального университета  
для студентов вуза, обучающихся по направлениям подготовки  
18.03.01 «Химическая технология», 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие 
процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии»

УДК 
661(075.8)
ББК 
35я73-1
 
М64

© Уральский федеральный университет, 2020

ISBN 978-5-7996-3032-4 
© Миролюбов В. Р., Гашкова В. И., Толкачева Л. Е., 2020

М64
Миролюбов, В. Р.
Технология неорганических веществ. Примеры и задачи : учеб. пособие / 
В. Р. Миролюбов, В. И. Гашкова, Л. Е. Толкачева ; под общ. ред. доц. В. Р. Миролюбова ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, 
Уральский федеральный университет. —  Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 
2020. — 270 с. : ил. —  Библиогр.: с. 267–268. — 50 экз. —  ISBN 978-5-7996-3032-4. — 
Текст : непосредственный.

ISBN 978-5-7996-3032-4

В учебном пособии изложены теоретические и технологические основы процессов 
производства минеральных солей, удобрений, минеральных кислот, соды, щелочей 
и связанного азота. Приведены конкретные примеры отдельных производств, представлены расчеты материальных и тепловых балансов.
Рекомендуется студентам дневной и заочной форм обучения при изучении дисциплин модуля «Химическая технология» неорганических веществ, при выполнении 
проекта по модулю и подготовке выпускной квалификационной работы, при изучении 
дисциплины «Общая химическая технология» при выполнении домашней работы, а также всем, кто желает ознакомиться с основами производств и методиками проведения 
технологических расчетов.
УДК 661(075.8)
ББК 35я73-1

Ре ц е н з е н т ы:
кафедра безопасности жизнедеятельности, экологии и химии  
Ковровской технологической академии им. В. А. Дегтярева  
(завкафедрой кандидат географических наук, доцент И. В. Грачева);
В. Г. Бурындин, профессор кафедры технологий  
целлюлозно- бумажных производств и переработки полимеров  
Уральского государственного лесотехнического университета

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список принятых сокращений 
6
Предисловие 
7
Введение 
9
1. Производство минеральных солей и удобрений 
11
1.1. Производство аммофоса 
11
1.1.1. Разновидности методов получения фосфатов аммония 
12
1.1.2. Физико- химические основы получения аммофоса 
12
1.1.3. Технологическая схема получения аммофоса 
14
1.1.4. Пример расчета материального баланса производства аммофоса 
по схеме с аммонизатором- гранулятором 
15
1.1.5. Расчет теплового баланса сушильного барабана в производстве 
аммофоса 
22
1.2. Производство фторида алюминия 
26
1.2.1. Характеристика фторида алюминия 
26
1.2.2. Способы получения фторида алюминия 
27
1.2.3. Технологические расчеты по получению фторида алюминия 
36
2. Производство минеральных кислот 
55
2.1. Производство серной кислоты из отходящих газов  
металлургических производств 
55
2.1.1. Характеристика способов получения серной кислоты 
55
2.1.2. Физико- химические основы процесса получения  
контактной серной кислоты 
59
2.1.3. Технологическая схема очистки отходящих газов 
63
2.1.4. Технологическая схема контактного  
и сушильно- абсорбционного отделений 
67
2.1.5. Расчет материального баланса процесса окисления диоксида серы 
71
2.1.6. Расчет материального баланса сушильно- абсорбционного отделения 76

Оглавление
4

2.1.7. Расчет теплового баланса полочного контактного аппарата 
80
2.2. Производство фтороводородной кислоты 
86
2.2.1. Характеристика фтороводородной кислоты 
86
2.2.2. Способы получения фтороводородной кислоты 
87
2.2.3. Физико- химические основы и технологическая схема получения 
фтороводородной кислоты из флюоритового концентрата 
92
2.2.4. Технологические расчеты производства фтороводородной кислоты 
из флюоритового концентрата 
100
3. Производство каустической соды 
119
3.1. Характеристика едкого натра —  NaOH 
119
3.2. Способы получения гидроксида натрия 
120
3.2.1. Электрохимические методы 
120
3.2.2. Ферритный метод получения гидроксида натрия 
120
3.2.3. Известково- содовый метод получения каустической соды 
121
3.3. Характеристика известково- содового способа 
122
3.3.1. Физико- химические основы процесса 
122
3.3.2. Технологическая схема известково- содового способа 
125
3.4. Пример расчета материального баланса получения  
жидкой каустической соды 
129
3.5. Пример расчета теплового баланса стадии упаривания 
137
4. Производство кальцинированной соды 
139
4.1. Характеристика кальцинированной соды 
139
4.2. Способы получения кальцинированной соды 
140
4.2.1. Аммиачный способ Сольве 
140
4.2.2. Метод на основе природной соды 
142
4.2.3. Нефелиновый способ получения кальцинированной соды 
142
4.3. Физико- химические характеристики основных стадий  
аммиачного способа 
144
4.4. Технологическая схема производства соды аммиачным способом 
151
4.5. Расчет материального баланса кальцинации влажного  
гидрокарбоната натрия 
153
4.6. Пример расчета теплового баланса стадии кальцинации влажного 
гидрокарбоната натрия 
157
5. Производство связанного азота 
161
5.1. Производство аммиака 
161
5.1.1. Анализ способов производства аммиака 
163
5.1.2. Очистка природного газа от сернистых соединений 
168
5.1.3. Каталитическая конверсия природного газа 
172

Оглавление
5

5.1.4. Конверсия оксида углерода 
175
5.1.5. Очистка технологического газа от диоксида углерода 
188
5.1.6. Тонкая очистка азотоводородной смеси от оксидов углерода 
194
5.1.7. Синтез аммиака 
195
5.2. Производство азотной кислоты 
214
5.2.1. Подготовка сырья в производстве азотной кислоты 
215
5.2.2. Контактное окисление аммиака 
218
5.2.3. Окисление оксида азота 
225
5.2.4. Абсорбция оксидов азота 
236
5.2.5. Очистка выхлопных газов от оксидов азота 
251
5.3. Производство аммиачной селитры 
253
5.3.1. Нейтрализация азотной кислоты газообразным аммиаком 
255
5.3.2. Выпарка растворов аммиачной селитры 
263
5.3.3. Кристаллизация и гранулирование плава аммиачной селитры 
263
Библиографический список 
267

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АГ 
— аммонизатор- гранулятор
АК 
— апатитовый концентрат
БГС 
— барабанный гранулятор- сушилка
БГСХ — барабанный гранулятор-сушилка- холодильник
ДАФ 
— диаммонийфосфат
ДК/ДА — двой ное контактирование/двой ная абсорбция
ИТН 
— использователь теплоты нейтрализации
КС 
— кипящий слой
МАФ 
— моноаммонийфосфат
ПАВ 
— поверхностно- активные вещества
ПДК 
— предельно допустимая концентрация
п. в. 
— питательные вещества
РКСГ — распылительно- кипящая сушилка- гранулятор
САИ 
— скоростной аммонизатор- испаритель
СБ 
— сушильная башня
ФА 
— фторангидрит
ФГ 
— фтороводородсодержащий газ
ФК 
— фтороводородная кислота
ФлК 
— флюоритовый концентрат
ЭФК 
— экстракционная фосфорная кислота

ПРЕДИСЛОВИЕ

Подготовка специалиста с высшим образованием квалификации «бакалавр» по направлению «Химическая технология» предполагает овладение 
основными профессиональными универсальными компетенциями, а также 
навыками использования их при решении различных практических задач, возникающих в ходе осуществления производственной, управленческой, научно- 
исследовательской и проектной деятельности. Этот опыт практической профессиональной деятельности студенты начинают приобретать на аудиторных 
практических занятиях, а затем пополняют его при прохождении производственных практик, при выполнении курсовых проектов и выпускной квалификационной работы.
В своей самостоятельной работе студенты должны руководствоваться соответствующей научно- технической, справочной и учебной литературой, содержащей богатый исходный материал для самостоятельного решения расчетно- 
практических задач.
В настоящем учебном пособии деление всей химической технологии 
на группы технологий производится, как это принято, по видам производимых продуктов. Посвящено пособие химической технологии неорганических 
веществ и рекомендуется в качестве дополнительного материала при изучении 
основных положений дисциплины «Общая химическая технология», а также как 
основной материал при обучении по образовательной траектории «Технология 
неорганических веществ».
В пособии в сжатой, но достаточно исчерпывающей форме представлены 
сведения, необходимые для понимания современных технологий: о физико- 
химических основах производства, основных стадиях технологического процесса; дано описание технологических схем с указанием вариантов технологических 
решений. Рассмотрены примеры производства основных видов продукции 
неорганической природы —  кислот, минеральных солей и удобрений, продук

Предисловие
8

тов технологии связанного азота, кальцинированной соды и щелочей. По всем 
рассмотренным производствам приведены примеры технохимических расчетов 
и составления материальных и энергетических балансов.
При написании пособия за основу был взят материал лекционных, практических и лабораторных занятий по модулю «Химическая технология неорганических веществ», читаемому студентам химико- технологического института 
Уральского федерального университета.
Материал пособия изложен языком, доступным для понимания широкому 
кругу лиц, связанных в своей профессиональной деятельности с производством, 
сбытом и приобретением химической продукции.
Пособие содержит пять глав по основным группам производств технологии 
неорганических веществ.
Разделы 1–2 написаны совместно доцентом, канд. техн. наук В. И. Гашковой 
и доцентом, канд. техн. наук Л. Е. Толкачевой, разделы 3–4 —  доцентом, канд. 
техн. наук В. И. Гашковой, раздел 5 —  доцентом, канд. хим. наук В. Р. Миролюбовым.

ВВЕДЕНИЕ

Технология неорганических веществ является одной из отраслей химической технологии, связанной с производством товарных продуктов, представляющих собой неорганические химические соединения и композиции. Перечень 
этой продукции обширен и включает в себя неорганические кислоты, соли, 
щелочи, соду, азотсодержащие неорганические соединения, минеральные удобрения, пигменты, коагулянты, катализаторы и т. д.
Технология неорганических веществ имеет внутреннюю структуру. Общепринятым является деление технологий на основной неорганический синтез 
и тонкий неорганический синтез. Предприятия основного неорганического 
синтеза являются крупнотоннажными производителями основных базовых 
продуктов химической технологии с предельно широкой областью применения —  серной, азотной, фосфорной, хлоро- и фтороводородной кислот, едкого 
натра, аммиака, кальцинированной соды, минеральных солей и удобрений. 
Тонкий неорганический синтез связан с производством продуктов со специфическими потребительскими свой ствами, имеющих определенную область 
применения, таких как химические реактивы и особо чистые вещества, люминофоры, катализаторы и сорбенты, исходные материалы для выращивания 
монокристаллов и изготовления изделий электроники и др.
Конкретные технологии различных неорганических веществ имеют много 
общего по виду сырья, применяемым типовым процессам и аппаратам и выражаются в построении комплексов технологий, в которых реализуются принципы последовательности и параллелизма стадий производства.
Примером служит исторически сложившаяся производственная база по выпуску серной кислоты, далее, на ее основе, экстракционной фосфорной кислоты 
и минеральных удобрений. Затем при решении проблемы переработки отходов 
данная последовательность дополнилась производством фтористых солей, 
белой сажи и других продуктов.

Введение
10

Производства неорганических азотсодержащих соединений объединились 
в отдельную технологическую ветвь, получившую название «технологии связанного азота», включающую крупнотоннажные производства аммиака, азотной 
кислоты, аммиачной селитры, карбамида, дополненную на ряде предприятий 
производством продуктов органического синтеза —  метанола, алифатических 
аминов.
Совмещены производства кальцинированной соды и едкого натра, фтороводородной кислоты и фторсодержащих соединений.
Способы получения различных хромсодержащих соединений были объединены в химическую технологию хромовых соединений.
Основной чертой современного состояния технологии неорганических 
веществ является проектирование, строительство и эксплуатация единых 
технологических агрегатов большой единичной мощности.
Так, в недавнем прошлом типовая установка по производству серной кислоты имела годовую мощность 360 тыс. т, а в настоящее время эксплуатируются 
установки мощностью до 3 млн т кислоты в год.
Хотя в производстве аммиака еще эксплуатируются агрегаты мощностью 
560 т/сутки, основу производства составляют агрегаты, мощность которых 
1360–1420 т/сутки, вводятся в эксплуатацию установки по 1800 т/сутки, а на стадии проектирования —  агрегаты по 3000 т/сутки.
Эти и некоторые другие характерные черты современного состояния технологии неорганических веществ отразились в содержании учебной литературы, 
в методиках обучения студентов. В настоящем учебном пособии материал также 
распределен по общепринятой схеме.

1. ПРОИЗВОДСТВО МИНЕРАЛЬНЫХ СОЛЕЙ И УДОБРЕНИЙ

Производство минеральных удобрений является самым крупнотоннажным 
в технологии неорганических веществ. Химики, выпускающие минеральные 
удобрения, вносят значительный вклад в решение глобальной проблемы обеспечения населения России и земли в целом продовольствием. Российские производители минеральных удобрений ежегодно поставляют в различные страны 
мира миллионы тонн азотных, фосфорных и калийных удобрений. В 2015 г. 
объем экспортных поставок минеральных удобрений достиг 16 млн т, при этом 
доля России на рынке азотных удобрений составила 5,2 %, фосфорных —  6,3 %, 
калийных —  24,1 %. К 2020 г. производство минеральных удобрений возрастет 
до 199 млн т (п. в.), в то время как в 2015–2016 гг. оно составляло 181 млн т 
(п. в.). Более 60 % потребления минеральных удобрений в мире приходится 
на азотные (NH3, карбамид, NH4NO3) ~ 40 млн т (п. в.); фосфорные (МАФ, ДАФ) 
~6,6 млн т (п. в.); калийные KCl ~ 30,4 млн т (п. в.). Наиболее востребованными 
и применяемыми видами фосфорных удобрений являются аммофос (смесь 
МАФ и ДАФ) и диаммонийфосфат (ДАФ).

1.1. Производство аммофоса

Аммофос —  концентрированное азотно- фосфорное комплексное водорастворимое удобрение, получаемое нейтрализацией ортофосфорной кислоты аммиаком. Основу аммофоса составляют дигидроортофосфат аммония NH4H2PO4 
и частично гидрофосфат аммония (NH4)2HPO4. Удобрение малогигроскопично, 
хорошо растворяется в воде.

1. Производство минеральных солей и удобрений
12

1.1.1.  Разновидности методов получения фосфатов аммония

В промышленном масштабе существуют разнообразные схемы производства аммофоса. Так, на основе разбавленной экстракционной фосфорной кислоты 
(19–30 % Р2О5) процесс ведут:
 
ȣ с сушкой пульпы в распылительной сушилке и последующей грануляцией порошковидного аммофоса;
 
ȣ упаркой аммонизированной пульпы в вакуум- выпарных аппаратах 
и грануляцией и сушкой продукта в аппарате БГС;
 
ȣ сушкой пульпы и грануляцией аммофоса в распылительной с кипящим 
слоем сушилке- грануляторе (РКСГ).
На основе концентрированной (упаренной) фосфорной кислоты (до 54 % 
Р2О5) процесс ведут:
 
ȣ с грануляцией и сушкой продукта в аммонизаторе- грануляторе (АГ);
 
ȣ самоиспарением (за счет тепла химической реакции) нейтрализованной под давлением пульпы с грануляцией и сушкой аммофоса в барабанном 
грануляторе-сушилке- холодильнике (БГСХ).
Схемы производства аммофоса делятся на ретурные и безретурные. В ретурных схемах отношение ретура и готового продукта не менее четырех, в безретурных (малоретурных) —  не более единицы.
В настоящее время фосфаты аммония производят несколькими способами, 
которые отличаются между собой условиями нейтрализации кислоты и процессом кристаллизации готового продукта.

1.1.2.  Физико- химические основы получения аммофоса

Физико- химические процессы, происходящие при получении фосфатов аммония, определяются в первую очередь реакциями нейтрализации фосфорной 
кислоты. Изменение состава пульпы фосфатов аммония при нейтрализации 
оказывает влияние на следующие важные для технологии характеристики:
 
ȣ изменение растворимости (усвояемости) готового продукта;
 
ȣ изменение реологических свой ств пульпы.
Аммофос —  двой ное (N + P) сложное комплексное удобрение, содержащее 
в качестве основного вещества моноаммонийфосфат NH4H2PO4 и примесь 
(до 10 %) диаммонийфосфата (NH4)2HPO4, образующегося в процессе получения. Моно- и диаммонийфосфаты представляют собой твердые кристаллические вещества, малогигроскопичные, растворимые в воде. Из фосфатов 

1.1. Производство аммофоса
13

аммония моноаммонийфосфат термически наиболее устойчив и при нагревании до 100–110 °C практически не разлагается. Диаммонийфосфат и особенно 
триаммонийфосфат при нагревании диссоциируют с выделением аммиака:

 
(NH4)2HPO4 = NH4H2PO4 + NH3.

В основе производства аммофоса лежит гетерогенный экзотермический 
процесс нейтрализации фосфорной кислоты газообразным аммиаком:

 
H3PO4ж + NH3г = NH4H2PO4 – DH,

где DH = 147,0 кДж.
Процесс ведут при избытке аммиака, поэтому в системе, наряду с реакцией 
образования моноаммонийфосфата, частично протекает реакция образования 
диаммонийфосфата:

 
H3PO4 + 2NH3 = (NH4)2HPO4 – DH,

где DH = 75,4 кДж.
В результате в составе готового продукта содержится до 10 % диаммонийфосфата.
Присутствующие в ЭФК примеси (Mg2+, Ca2+, Fe2+, Al3+, SO4
2–, F– и др.) образуют следующие соединения:

 
MgO + H3PO4 + 2Н2О → MgHPO4 · 3H2O,

 
CaO + H2SO4 + Н2О → CaSO4 · 2H2O,

 
CaO + H3PO4 + Н2О → CaHPO4 · 2H2O.
Примеси железа и алюминия образуют в основном средние соли:

 
Fe2O3 + 2H3PO4 → 2FePO4 + 3H2O,

 
Al2O3 + 2H3PO4 → 2AlPO4 + 3H2O.

Режим нейтрализации выбирают так, чтобы обеспечить получение достаточно подвижной и способной к перекачиванию по трубопроводам аммофосной 
пульпы. Вязкость пульпы зависит от концентрации используемой фосфорной 
кислоты и конструкции аппарата.