第2章-化工導(dǎo)論2011

第二章

無機(jī)化工

無機(jī)化學(xué)工業(yè)是相對(duì)于有機(jī)化學(xué)工業(yè)而言的龐大工業(yè)部門，它是發(fā)展最早的化工部門，在推動(dòng)化工技術(shù)的發(fā)展上作出過重要的貢獻(xiàn)。例如在過去，曾以硫酸產(chǎn)量的多少為標(biāo)志，來衡量一個(gè)國家化學(xué)工業(yè)的發(fā)達(dá)程度，但現(xiàn)在已讓位給乙烯了。2-1、無機(jī)化工的特點(diǎn)1、無機(jī)化工發(fā)展歷史長，對(duì)人類生存和科技發(fā)展具有積極的推動(dòng)作用和影響。2、無機(jī)化工產(chǎn)品是重要的基本化工原料，產(chǎn)量大，通用性強(qiáng)。

3、與有機(jī)化工產(chǎn)品相比，品種相對(duì)較少，生產(chǎn)過程相對(duì)簡單。4、新型無機(jī)化工產(chǎn)品不斷出現(xiàn)，有些是高科技產(chǎn)品，如鋰離子電池材料等。2-2、無機(jī)化工原料

無機(jī)化學(xué)工業(yè)的原料來源很廣，大致可分五大類：空氣、水、化學(xué)礦物、化石燃料（煤、石油、天然氣等）及生物質(zhì)資源。一、酸、堿（三酸、兩堿）二、化肥（氮肥、磷肥、鉀肥）三、無機(jī)鹽產(chǎn)品（電池原料、水處理劑等）四、無機(jī)非金屬材料（先進(jìn)陶瓷、炭材料、人造金剛石等）五、工業(yè)氣體2-3、主要無機(jī)化工產(chǎn)品和用途2-3-1、酸和堿1、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)、鹽酸(HCl)；2、燒堿(氫氧化鈉，NaOH)、純堿(碳酸鈉，Na2CO3)；硫酸

硫酸的最大用途是生產(chǎn)化學(xué)肥料，主要是用于生產(chǎn)磷銨、重過磷酸鈣、硫銨等，約消耗硫酸產(chǎn)量的一半。在化學(xué)工業(yè)中，硫酸是生產(chǎn)各種硫酸鹽的原料，是塑料、人造纖維、染料、油漆、制藥等生產(chǎn)中不可缺少的化工原料，在農(nóng)藥、除草劑、殺鼠劑的生產(chǎn)中也都需要硫酸。在石油的精煉過程中使用大量硫酸作為洗滌劑，以除去石油產(chǎn)品中的不飽和烴和硫化物等雜質(zhì)。有機(jī)合成工業(yè)中用硫酸作脫水劑和磺化劑。硝酸

硝酸是一種重要化工原料，在各類酸中，產(chǎn)量僅次于硫酸。工業(yè)產(chǎn)品分為濃硝酸（98%~98%HNO3）和稀硝酸（45~70%HNO3）。稀硝酸大部分用于制造硝酸銨、硝酸磷肥和各種硝酸鹽。濃硝酸用于火炸藥、有機(jī)合成工業(yè)和硝化纖維素的原料。在染料、制藥、塑料、有色金屬冶煉等方面也都用到硝酸。2-3-2、純堿與燒堿

純堿，學(xué)名碳酸鈉（Na2CO3），純堿用途非常廣泛，是一種重要的化工基本原料。主要生產(chǎn)方法有氨堿法（即索爾維法）、侯氏聯(lián)合制堿法和天然堿加工法等。目前，世界上生產(chǎn)的純堿中，用索爾維法生產(chǎn)的約占68%，天然堿加工法約占25%，侯氏堿法約占5%，其他方法約占2%。大部分的Na2CO3用于制造玻璃，在玻璃生產(chǎn)工藝中，Na2CO3即作為原料又作為玻璃熔融體的助熔劑。約23%的Na2CO3用于生產(chǎn)化學(xué)品，約5%用于生產(chǎn)紙漿和造紙，另外5%用于制造肥皂和洗滌劑，少量用于選礦、冶金、制革、陶瓷和紡織等行業(yè)。因此，Na2CO3是應(yīng)用最廣的化學(xué)物質(zhì)之一。2-3-3、氨與尿素氮肥（尿素、硝酸銨、氯化銨、硫酸銨等，其中尿素含氮量高，肥效好，長期使用不會(huì)惡化土壤）；合成氨

氨是一種含氮化合物，是化學(xué)工業(yè)中產(chǎn)量最大的產(chǎn)品之一。氨的用途很廣，除氨本身可用作化肥外，氨是制造氮肥的主要原料，可以加工成各種氮肥和含氮復(fù)合肥料，如氨與二氧化碳合成尿素。尿素

尿素的化學(xué)名稱為碳酰二胺，分子式為(NH2)2CO。尿素是一種不含污染的高效氮肥，還可用作動(dòng)物飼料添加劑，其理論氮含量為46.6%，不僅對(duì)世界農(nóng)業(yè)的發(fā)展起著重要的作用，而且在工業(yè)上也是一種化工原料，用來合成三聚腈氨和脲醛樹脂等。同時(shí)它在醫(yī)藥、紡織、造紙、染和環(huán)境保護(hù)等方面都得到應(yīng)用，，對(duì)人類的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生著中的影響。2-3-4、無機(jī)鹽產(chǎn)品

無機(jī)鹽工業(yè)泛指以礦物為原料生產(chǎn)的、由金屬離子或銨離子與酸根離子組成的物質(zhì)，幾乎包括除三酸（硫酸、硝酸、鹽酸）、兩堿（燒堿、純堿）和無機(jī)非金屬材料以外的所有無機(jī)化學(xué)品。2-3-4、無機(jī)鹽產(chǎn)品1、電池工業(yè)原料鋅-錳電池-----用氯化鋅和氯化銨作電解質(zhì)，氯化汞作緩蝕劑；鋰離子二次電池-----用鈷酸鋰、錳酸鋰作正極材料；六氟磷酸鋰、高氯酸鋰作電解質(zhì)。二次鋰離子電池R6-----普通鋅-錳電池（5號(hào)）R20-----普通鋅-錳電池（1號(hào)）LR6-----堿性鋅-錳電池（5號(hào)）無汞-----不含HgCl2緩蝕劑Li-MnO2-----鋰（一次）電池Ni-Cd-----鎳-鎘（二次）電池Ni-MH-----鎳-氫（二次）電池Li-ion-----鋰離子（二次）電池2、水處理劑

殺菌劑（抑制水中菌藻和微生物的滋長）----次氯酸鈉、漂白粉等；絮凝劑（加快水中懸浮物和污泥的沉降）----硫酸鋁、聚氯化鋁、氯化鐵等。2-3-5、無機(jī)非金屬材料1、先進(jìn)陶瓷（精細(xì)陶瓷或特種陶瓷）

結(jié)構(gòu)陶瓷----利用其熱、機(jī)械、化學(xué)功能，具有耐熱、耐磨損、高強(qiáng)度、高硬度、耐沖擊、隔熱性能的一大類陶瓷材料。

功能陶瓷----利用其電、磁、聲、光、催化、生物化學(xué)等功能，主要是作為絕緣材料、壓電材料、磁性材料、電子材料、生物醫(yī)用材料、抗菌陶瓷材料等。2、新型炭材料

碳纖維----碳纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能。它們既作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷，又作為功能材料發(fā)揮作用。

石墨的理想層面結(jié)構(gòu)熱處理過程中炭前軀體的結(jié)構(gòu)變化圓形碳纖維碳纖維增強(qiáng)機(jī)翼螺旋狀炭纖維

人造金剛石----通常以純石墨為原料，鐵、鉻等為催化劑，在高溫高壓下合成人造金剛石。近年出現(xiàn)新的低壓合成方法：熱絲化學(xué)氣相沉積法（CVD法）、等離子體氣相沉積法等。用于磨料、切削工具、電子器件涂膜等。

富勒烯是含碳物質(zhì)在特定的條件下，經(jīng)氣化后使氣相中的碳原子簇進(jìn)行自組合而形成的一系列籠狀化合物。富勒烯具有不飽和性和中空球形結(jié)構(gòu)，可在內(nèi)外表面進(jìn)行反應(yīng)，得到各種功能化的衍生物。有望在超導(dǎo)材料、半導(dǎo)體材料、醫(yī)用材料、磁性材料、催化劑、化學(xué)化工等領(lǐng)域得到應(yīng)用。碳60及富勒烯族（Fullerene）C60家族碳納米管----由碳原子組成的管狀大分子，單壁納米管的直徑在0.4至1.8納米。其抗張強(qiáng)度是高強(qiáng)合金鋼的20倍；具有優(yōu)異的場致發(fā)射功能?？捎糜诩{米電路、更薄更省電的平面顯示器、掃描電鏡的探針、氫氣儲(chǔ)存等用途。

性質(zhì)

碳納米管

比較

尺寸 直徑0.6-1.8納米 電子束光刻50納米寬抗張強(qiáng)度 450億Pa 高強(qiáng)合金20億Pa斷裂彈性 彎曲大角度不受損 金屬、炭纖維等彎曲斷裂電流容量 10億安培/平方厘米 銅線1千萬安培燒毀場致發(fā)射 1微米電極間距3伏場強(qiáng) 鉬絲每微米50-100伏,壽命短熱穩(wěn)定性 真空中2800攝氏度 芯片導(dǎo)線600-1000度熔化單壁納米碳管的性質(zhì)碳納米管

用導(dǎo)電大分子碳制作的超細(xì)導(dǎo)線2-3-6、稀土材料

稀土元素具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，在煉鋼、石油催化裂化、永磁材料和玻璃、陶瓷等國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。在永磁材料方面，由于稀土金屬具有較高的磁矩和較好的磁學(xué)性質(zhì)，所以稀土元素和過度金屬能夠構(gòu)成磁性優(yōu)良的合金材料。近年來，稀土永磁材料發(fā)展迅速，用釤鈷合金和釹鐵硼合金制成的永磁體是工業(yè)中重要的永磁材料，常用于反應(yīng)釜的磁力耦合攪拌裝置等。2-3-7、工業(yè)氣體

所謂工業(yè)氣體，包括氮、氧、氫、氯、一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫等在內(nèi)的工業(yè)上用來作為原料，或在生產(chǎn)中使用（例如作置換用或儀表用）的氣體。實(shí)際上它們多作為某種化工產(chǎn)品生產(chǎn)裝置的組成部分出現(xiàn)，如一氧化碳和氫的制備，是合成氨生產(chǎn)的重要組成部分，氯和氫是食鹽溶液電解制氫氧化鈉的副產(chǎn)物，一般只有空氣分離制氧、氮和氦、氖、氬、氪、氙等稀有氣體以獨(dú)立的工廠存在。但近年來，作為精細(xì)化工的一部分，出現(xiàn)了專門制備包括高純氮、氧和其他高純氣體的工廠。2-4、典型產(chǎn)品生產(chǎn)工藝2-4-1、接觸法生產(chǎn)硫酸工藝（1）二氧化硫的制備（2）含二氧化硫原料氣的凈化（3）二氧化硫氧化為三氧化硫（4）三氧化硫的吸收接觸法生產(chǎn)硫酸工藝硫鐵礦

二氧化硫制備

原料氣的凈化

三氧化硫制備

二氧化硫吸收SO2+0.5O2SO3+QSO3+H2OH2SO4+Q4FeS+7O2

2Fe2O3+4SO2+Q稀硫酸洗滌,除去氧化砷等2-4-2、純堿生產(chǎn)工藝（氨堿法）1、煅燒生成生石灰和二氧化碳；

2、消化反應(yīng)生成石灰乳；3、石灰乳分解氯化銨生成氨；4、鹽水碳酸化生成碳酸氫鈉；5、

碳酸氫鈉煅燒分解得到純堿。純堿生產(chǎn)工藝（氨堿法）（1）石灰窯煅燒生成生石灰和二氧化碳石灰是以碳酸鈣（CaCO3）為主要的原料（如石灰石、白堊等），經(jīng)過高溫下的煅燒，分解和排出二氧化碳所得的產(chǎn)物，其主要成分是氧化鈣（CaO）。其化學(xué)反應(yīng)式如下：CaCO3→CaO+CO2（2）消化反應(yīng)生成石灰乳煅燒后的生石灰呈塊狀，使用時(shí)使其與水發(fā)生反應(yīng)并分散在水中，形成石灰乳。這一反應(yīng)過程稱作石灰的消化，是放熱反應(yīng)，它的化學(xué)反應(yīng)式如下：CaO+H2O→Ca(OH)2純堿生產(chǎn)工藝（氨堿法）（3）石灰乳分解母液中NH4Cl生成NH3石灰乳與氯化銨（NH4Cl）反應(yīng)生成氨（NH3），并由蒸氨塔將氨蒸出。該反應(yīng)是氨減法生產(chǎn)純堿的五個(gè)主要反應(yīng)即一組閉合循環(huán)反應(yīng)中的一個(gè)：Ca(OH)2+2NH4Cl→CaCl2+2NH3↑+2H2O（4）鹽水碳酸化反應(yīng)生成NaHCO3精制鹽水在吸氨塔中與氨氣逆流接觸，吸收氨成為氨鹽水。再將氨鹽水送至碳化塔，與碳化塔中來自石灰窯的二氧化碳?xì)怏w反應(yīng)，生成碳酸氫鈉。其化學(xué)反應(yīng)式如下：NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl純堿生產(chǎn)工藝（氨堿法）（5）NaHCO3煅燒分解而得純堿含有碳酸氫鈉晶體的懸濁液在真空過濾機(jī)中過濾，得到的濾餅經(jīng)過反復(fù)洗滌，然后進(jìn)行煅燒，使碳酸氫鈉分解而得到純堿。其反應(yīng)過程如下：2NaHCO3→Na2CO3+H2O+CO22-4-3合成氨生產(chǎn)工藝1、原料氣的制備造氣過程以水蒸氣作為氣化劑，將原料煤或焦炭氣化，得到的混合氣叫水煤氣；

2、脫硫脫除對(duì)合成氨催化劑有害的硫化氫、二硫化碳、硫醇、硫醚、噻吩等。

3、CO變換通過變換工序使得原料氣中的一氧化碳與水蒸氣作用變?yōu)闅浜投趸迹?/p>

4、脫CO2采用物理吸收和化學(xué)吸收方法，脫除原料氣中的二氧化碳；

5、氨的合成在高溫（400oC）、高壓（30MPa）和催化劑（Fe等）作用下，進(jìn)行合成反應(yīng)。合成氨生產(chǎn)工藝煤、焦炭水蒸氣

造氣脫硫

CO變換

脫CO2

CO+H2OCO2+H2

N2+H2NH3

C+H2O