Гинберг А.M. и др. Технология важнейших отраслей промышленности

Подождите немного. Документ загружается.

171

продукции, которые способствуют интенсификации общественного

производства.

Основной упор делается на дальнейшее развитие ключевых отраслей химии

— промышленность минеральных удобрений, пластмасс, синтетических смол и

химических волокон. Так, в 1985 г. намечено произвести 150-155 млн. т (в

условных единицах) минеральных удобрений; 6,0—6,25 млн. т пластических

масс и синтетических смол; 1,6 млн. т химических волокон.

Производство минеральных удобрений будет сопровождаться

прогрессивными качественными сдвигами в структуре и ассортименте

продукции. Преимущественное развитие получат концентрированные и

сложные удобрения, а также медленно действующие азотные удобрения,

высококачественные фосфорные удобрения, высокоэффективные средства

защиты растений.

Ответственные и сложные задачи стоят перед промышленностью пластмасс

и химических волокон. В период до 1990 г. намечаемые масштабы и

ассортимент полимерных материалов ориентированы на значительное

повышение уровня удовлетворения потребностей строительной индустрии,

машиностроения и приборостроения и других отраслей промышленности и

сельского хозяйства и на обеспечение населения товарами широкого

потребления.

Коренным образом меняется структура химической промышленности.

Свыше 2/3 валовой ее продукции в настоящее время (в стоимостном

выражении) составляют продукты органического синтеза и полимеры. При

большом абсолютном росте продукции основной химии удельный вес ее в

валовой химической продукции резко снизился и составляет около 15% (хотя в

весовом отношении она занимает первое место).

Для успешного развития наиболее перспективных видов химической

продукции, например полимеров, следует развивать их сырьевую базу —

переработку нефти, угля и газа.

В соответствии с общесоюзным классификатором продукты химической

промышленности сгруппированы в 7 классов, включающих 52 подкласса:

1) продукция неорганической химии и горно-химическое сырье;

2) полимеры — синтетические каучуки, пластмассы и химические волокна;

3) лакокрасочные материалы и продукты;

4) синтетические красители и органические полупродукты;

5) продукты органического синтеза (нефте-, коксо- и лесохимия);

6) химические реактивы и особо чистые вещества;

7) медикаменты и химико-фармацевтическая продукция.

172

§ 14.2. Кислоты, щелочи.

Неорганические кислоты

Среди 22 видов неорганических кислот в наибольших количествах

производятся серная, азотная, соляная и фосфорная.

Серная кислота H

— самая дешевая и потому производимая в

наибольших количествах (1970 г. — 12,1; 1980 г. — 23 млн. т). Прозрачная

тяжелая маслянистая жидкость плотностью 1,84 г/см

. Учитывается в пересчете

на 100%-ную (моногидрат). Для удобства транспортировки выпускается при

концентрациях, имеющих температуру замерзания ниже — 17°С. Потребителям

поставляется в виде башенной кислоты (74-75%), купоросного масла (90,5—

92,5%), аккумуляторной кислоты (92—94%) и олеума, в том числе

низкоконцентрированного (18,5—20% свободного SO

) и

высококонцентрированного (65+1,0% свободного SO

Применяется для получения других кислот (фосфорной, соляной), солей

(медного купороса и др.), минеральных удобрений, различных органических

соединений, капролактама, искусственного шелка, для очистки нефтепродуктов

от примесей.

Азотная кислота HNO

— бесцветная жидкость с плотностью 1,52 г/см

высокой окислительной способностью. В контакте с органическими веществами

самовозгорается.

Применяется: разбавленная (55 — 45% -ная) — в производстве азотных и

комплексных удобрений, гальванотехнике, полиграфии; концентрированная и

специальная (98 —75% -ная) — в производстве взрывчатых веществ,

полупроводниковых материалов, полупродуктов для получения синтетических

красителей.

Соляная кислота HCl — бесцветная жидкость с резким запахом, плотность

1,18 г/см

. Обладает высокой химической активностью, разрушает все металлы,

кроме платины и золота. В зависимости от способа получения выпускается

концентрацией от 19 до 38%.

В промышленности используется для получения хлористых солей (бария,

цинка, аммония), в гидрометаллургии —

платины, золота и серебра и в

гальванопластике для производства органических полупродуктов и

синтетических красителей, уксусной кислоты, активированного угля, при

дублении и крашении кожи и т. д.

Фосфорная кислота Н

РО

— прозрачная, слабо желтая жидкость, плотность

1,87 г/см

. При концентрации более 88,7 % — бесцветные кристаллы.

Промышленность выпускает экстракционную (50%-ную) фосфорную кислоту,

получаемую разложением апатитового концентрата серной кислотой, и

термическую (73%-ную), получаемую при поглощении водой Р

образующегося при сжигании фосфора.

Применяется для производства фосфорных и комплексных удобрений,

фосфорнокислых солей аммония, натрия, кальция, марганца и алюминия,

173

кинопленки, спичек, для огнезащитной пропитки тканей, в процессах

органического синтеза, в производстве активированного угля, а в пищевой

промышленности — для получения газированных вод, кондитерских порошков.

Щелочи и содовые продукты

Щелочи и содовые продукты — это растворимые в воде гидроксиды

аммиака, щелочных и щелочноземельных металлов, а также углекислые соли

щелочных металлов. При гидролизе имеют щелочную реакцию. В наибольших

масштабах производятся: гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр),

кальцинированная сода, гидрокарбонат натрия, аммиачная вода.

Кальцинированная сода Na

— легкорастворимый белый мелкий

кристаллический порошок. Получается насыщением водного раствора

поваренной соли аммиаком, а затем углекислым газом. В осадок выпадает

гидрокарбонат натрия

NaCl + H

O + NH

+ CO

=> NH

Cl + NaHCO

из которого после отделения и прокаливания (кальцинации) получают

кальцинированную соду

150°C

2NaHCO

==> Na

+ H

O + CO

Применяется в производстве оптического и электровакуумного стекла,

едкого натра, в мыловаренной, стекольной, текстильной, целлюлозно-бумажной,

лакокрасочной, химической, кожевенной промышленности и для бытовых нужд.

Гидрокарбонат натрия (пищевая сода) NaHCO

является промежуточным

продуктом при получении кальцинированной соды. Используется в

органическом синтезе, пищевой промышленности, медицине и быту.

Гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр) NaOH — бесцветная

кристаллическая масса. На воздухе, энергично поглощая углекислый газ и влагу,

расплывается. Получают в основном электролизом раствора поваренной соли.

Используется для производства искусственных волокон, мыла, синтетических

красителей, в текстильной и металлургической промышленности.

Аммиачная вода — раствор аммиака в воде. Является побочным продуктом

при получении кокса и синтетического аммиака. Применяется в производстве

азотной кислоты, кальцинированной соды, сульфата аммония, синтетических

красителей, в медицине, а также в сельском хозяйстве в качестве жидкого

азотного удобрения.

§ 14.3. Минеральные удобрения

Для нормального роста растениям необходимы азот, фосфор, калий, кальций,

магний, железо, сера, вносимые в больших (макро-) количествах, а также бор,

иод, цинк, молибден, марганец, мель, кобальт и т. д., вносимые в

микроколичествах. Макро- и микроудобрения ускоряют биохимические

процессы формирования и роста растений. Азот, фосфор, сера участвуют в

синтезе белка, кальций содержится в растительных тканях, магний входит в

174

состав хлорофилла, железо участвует в его образовании, калий стимулирует

обмен веществ в растении. Эти и другие элементы необходимо вносить в почву

во избежание ее истощения и уменьшения урожайности.

Минеральные удобрения при правильном их использовании обеспечивают

прирост урожая на 30 — 70%. Кроме того, они улучшают качество продукции

— повышают содержание сахара в свекле и винограде, крахмала в картофеле,

белка в зерне, увеличивают прочность волокон льна и хлопка. Наряду с этим

минеральные удобрения повышают устойчивость растений к болезням, засухе и

холоду.

Окупаемость 1 руб. затрат на их производство колеблется в зависимости от

культуры от 3 до 8 руб. Использование минеральных удобрений в зерновом

хозяйстве снижает общие затраты труда на выращивание урожая на 35—40% и

себестоимость зерна на 20%. Применение каждого миллиона тонн минеральных

удобрений при выращивании основных видов сельскохозяйственных культур

позволяет сберечь 85—100 млн. чел.-ч труда. Поэтому масштабы и темпы роста

производства минеральных удобрений стремительно растут.

СССР с 1973 г. занимает первое место в мире по объему выпуска

минеральных удобрений. Однако по количеству питательных веществ,

вносимых на 1 га обрабатываемой пашни, пока еще уступает ряду стран.

Производимый в настоящее время ассортимент минеральных удобрений имеет

более 50 наименований. Минеральные удобрения выпускают в жидком и

твердом виде. Жидкие экономически выгоднее, так как технология их

производства проще, но требуются специальные склады и транспортные

средства. В СССР их производят ограниченно. Это в основном сжиженный

аммиак, аммиачная вода и аммиакаты (растворы некоторых азотсодержащих

солей в аммиачной воде).

Твердые удобрения выпускают в гранулированном и мелкокристаллическом

виде. Выпуск мелкокристаллических удобрений невыгоден; они распыливаются

при транспортировке, теряют сыпучесть и слеживаются при хранении, легко

вымываются при внесении в почву. По этой причине выпуск удобрений в

гранулированном виде постоянно увеличивается. Для гранулирования расплав

солей распыляют в поток холодного воздуха в специальных башнях высотой до

20 м. Падая и охлаждаясь, капли кристаллизуются в форме гранул (1—4 мм).

Гранулированные удобрения обладают достаточной механической прочностью,

не разрушаются при транспортировке, медленно растворяются, позволяют

механизировать процесс внесения в почву одновременно с семенами при

посадке. Это обеспечивает передачу питательных веществ культурным

растениям, а не сорнякам, уменьшает потери и снижает затраты труда при

внесении в почву.

По числу питательных элементов удобрения классифицируются на простые,

содержащие один элемент (например, жидкий аммиак, мочевина, хлористый

калий), и комплексные, содержащие несколько питательных элементов (в

нитрофоске их три — азот, фосфор, калий). По концентрации — на

концентрированные, более 37,5 % (например, в карбамиде 45 — 46% N, в

175

двойном суперфосфате 44—52% Р

) и неконцентрированные (в аммиачной

воде 20—21 % азота, в фосфоритной муке 18—26% Р

По физиологическому воздействию на почву различают кислые, щелочные и

нейтральные удобрения. Кислые удобрения после усвоения растением

питательных элементов закисляют почву неиспользованными остаточными

ионами, щелочные — защелачивают, а после нейтральных вредного балласта в

почве не остается. Например, из удобрений, содержащих азот, к кислым относят

сульфат аммония, к щелочным — нитрат натрия, к нейтральным — калийную

селитру. В СССР во многих районах почвы имеют повышенную кислотность,

что снижает их плодородие. Для нейтрализации кислотности и улучшения ее

физических свойств в почву периодически (один раз в 6 —12 лет) вносят

гашеную известь (от 3 до 8 т на 1 га).

По основному компоненту минеральные удобрения подразделяются на

азотные, фосфорные и калийные, выпуск которых (%) в 1985 г.

соответствовал соотношению 50:30:17.

Азотные удобрения — это органические и неорганические

азотсодержащие вещества. Хорошо растворимы в воде, гигроскопичны.

Наиболее распространенные азотные удобрения представлены в табл. 14.1.

Жидкие азотные удобрения по сравнению с твердыми имеют меньшую

себестоимость. Так, себестоимость единицы азота в безводном аммиаке на

35% ниже, чем в аммиачной селитре, и на 55% меньше, чем в мочевине.

Фосфорные удобрения — минеральные удобрения, содержащие фосфор.

Фосфор усваивается растениями в виде Р

, стимулируя в них синтез

хлорофилла, жиров и витаминов.

По степени растворимости фосфорные удобрения делятся на

водорастворимые (двойной суперфосфат, аммофос), усвояемые

(растворимые в 2%-ной лимонной кислоте, например преципитат,

обесфторенный фосфат) и труднорастворимые (фосфоритная мука). Первые

выпускаются в виде гранул, вторые — в виде порошков среднего помола,

третьи - в виде тонких порошков. Некоторые фосфорные удобрения

приведены в табл. 14.2.

176

Калийные удобрения.

Калий необходим для фотосинтеза и роста растений, формирования стебля,

сахаристости, мякоти и аромата плодов. Калийные удобрения получают

переработкой калийных солей — сильвинита (

КCl*NaCl) и карналлита

(КCl*MgCl

*6Н

O). Хлористый калий в них отделяется от сопутствующей

балластной соли (хлористого натрия или магния) флотацией либо

избирательным растворением. Готовый продукт содержит не менее 58 — 60%

оксида калия. При добавлении аминов или сохранении на поверхности

кристаллов флотационного реагента калийные удобрения не слеживаются и

обладают хорошей сыпучестью. Для сельскохозяйственных культур,

чувствительных к ионам хлора (картофель, табак, виноград, цитрусовые),

калийные удобрения выпускают в виде сульфата калия. Кроме

концентрированных используют калийные удобрения в виде размолотого

сильвинита, каинита либо их смесь с хлористым калием.

Комплексные удобрения содержат несколько питательных элементов. По

способу производства эти удобрения подразделяются на смешанные и сложные.

Смешанные, или тукосмеси, получаются механическим смешиванием

нескольких простых удобрений, когда необходимо одновременно в один и тот

же срок внести под возделываемую культуру два или более питательных

вещества в строго определенном соотношении (например, суперфосфат и

аммиачная селитра). Сложные получаются при химическом взаимодействии

177

полуфабрикатов, например: аммофос — из аммиака и фосфорной кислоты:

нитрофоска — из хлористого калия, аммиака, серной кислоты и фосфорита.

Смешанные удобрения характеризуются универсальностью применения, но

при изготовлении на местах потребления трудоемки, требуют специального

оборудования, в результате чего не всегда обеспечивают удовлетворительное

качество. Сложные удобрения имеют меньшую себестоимость, высокое

качество и равномерно усваиваются. Однако они ограничены в использовании,

так как для одной и той же культуры, выращиваемой в различных почвенно-

климатических зонах, требуются удобрения с разным соотношением основных

питательных элементов. По этой причине комплексные удобрения по

соотношению N : Р

: К

О производят 10— 12 комбинаций.

В настоящее время более 80% всех выпускаемых в СССР удобрений

являются комплексными и концентрированными и часто содержат добавки

микроэлементов, стимуляторов роста и плодоношения растений.

§ 14.4. Полимеры

Общие сведения о полимерах, их строении, свойствах и способах получения

Продукты соединения одинаковых молекул в виде многоократно

повторяющихся звеньев называются полимерами.

В результате укрупнения молекул и образования макромолекул резко

изменяются свойства продукта, молекулярная масса достигает размера M = 10

:- 10

, а повторяющееся число звеньев одних и тех же атомов в цепи — от двух

до нескольких тысяч.

В зависимости от строения макромолекул различают три типа полимеров:

линейные, разветвленные и пространственные; последние имеют трехмерную

cтрyктуру.

Полимеры с линейной структурой макромолекул (например, полиэтилен

низкого давления) плавятся и хорошо растворяются во многих растворителях.

Полимеры разветвленной структуры хуже, чем линейные, растворяются и

плавятся (например, полиэтилен высокого давления). Полимеры с

пространственной структурой (например, резина) не плавятся, не растворяются,

но набухают в ограниченном числе растворителей, имеют лучшие физико-

механические свойства и используются в качестве конструкционных

материалов.

В зависимости от поведения при нагревании полимеры делятся на

термопластичные и термореактивные. Полимеры, свойства и строение которых

после нагревания и последующего охлаждения не изменяются, называются

термопластичными, так как эти полимеры, обладая обратимой пластичностью,

при нагревании размягчаются, становятся вязкожидкими, а при охлаждении

затвердевают, не изменяя своих свойств. Они могут перерабатываться

многократно. К термопластичным полимерам относятся полимеры с линейной

и разветвленной структурой. Полимеры, которые при нагревании или

178

охлаждении изменяют структуру, необратимо теряя способность плавиться и

растворяться, называются термореактивными. Эти полимеры могут

обрабатываться однократно.

По происхождению полимеры делятся на природные и синтетические.

Экономически наиболее эффективны синтетические полимеры, получаемые

полимеризацией или поликонденсацией. Полимеризацией называется процесс

образования высокомолекулярных соединений из ненасыщенных

низкомолекулярных веществ (мономеров), при этом не происходит образование

каких-либо побочных продуктов.

Поликонденсацией называется процесс образования высокомолекулярных

соединений не менее чем из двух мономеров, проходящий с выделением

низкомолекулярных продуктов (вода, хлористый водород и т. д.). Для того

чтобы мономеры могли участвовать в процессе поликонденсации, они должны

иметь несколько функциональных групп ОН, NH

, СООН. В реакцию

поликонденсации вступают двухатомные спирты (этилен, гликоль),

двухосновные кислоты (адипиновая кислота, фталевые кислот), диамины

(гексаметилендиамин) и др.

Поликонденсация является ступенчатым процессом, происходящим в

результате последовательного присоединения одной молекулы к другой.

Полимеры широко используют как исходный материал для изготовления

пластических масс, пленок, волокон, каучуков, клеев, лаков и т. д.

Доступность сырьевой базы, передовые технологические процессы,

лежащие в основе производства полимеров, в том числе малоотходная,

малоэнергоемкая и безотходная технология, возможность полной

автоматизации производства, низкая трудоемкость и сравнительно низкая

себестоимость, высокая производительность труда на предприятиях отрасли в

сочетании с высокими физическими, химическими и механическими

свойствами полимеров вызывают необходимость ускоренного развития

промышленности полимеров как важного создателя материальных ценностей и

источника химизации в социалистическом производстве.

Промышленность полимеров во всем мире развивается ускоренными

темпами по сравнению с производством многих других видов продукции.

Производство (в тыс. т.) синтетических смол, пластических масс,

химических волокон и нитей в СССР и некоторых капиталистических странах

приведено в табл. 14.3.

Таблица 14.3

Cтраны I960 г 1970 г. I980 г.

СССР

293/211

1481/623

3637/1176

США

2827/773

8900/2240

16497/3900

Великобритания

559/268

1450/590

2342/560

ФРГ

981/298

4425/707

6787/857

179

Япония 554/551 5063/1515 7518/1850

Примечание. B числителе — синтетические смолы и пластические массы, в знаменателе —

химические волокна и нити.

Пластмассы, их свойства, значение и применение в народном хозяйстве

Пластические массы (пластмассы, пластики) — это материалы, содержащие

в качестве основного компонента полимер, который при определенных

температуре и давлении приобретает пластичность, а затем затвердевает,

сохраняя форму при эксплуатации В одних случаях пластмассы состоят в

основном из полимера, в других — представляют собой сложные композиции

(кроме полимера содержат наполнители, пластификаторы, вспомогательные

вещества и т. д.).

Полимер является основой, определяющей характерные свойства

композиции. Выбор состава композиции зависит от свойств основного

полимера и способности его совмещаться с добавками, заданных физико-

механических свойств и качеств композиции (твердость, горючесть,

морозостойкость), а также от способности перерабатываться.

Добавки к полимеру могут существенно изменить его первоначальные

физико-механические свойства; плотность, прочность, электро- и

теплопроводность и т. д. По своему агрегатному состоянию полимеры могут

быть жидкими (растворы, эмульсии, вязкие массы) и твердыми (гранулы,

порошки, куски).

Широкое применение пластических масс определяется их ценными

физическими и химическими свойствами, высокими технико-экономическими

показателями. Для органических полимеров и пластмасс на их основе

характерна низкая плотность (от 0,9 до

1,2 г/см

), поэтому пластмассы

обладают наибольшей среди конструкционных материалов прочностью,

отнесенной к плотности. Низкая плотность является очень важным свойством

для применения материалов в авиа-, авто-, ракето- и судостроении. Многие

пластмассы отличаются высокой химической стойкостью, некоторые из них

(полиолефины, поливинилхлорид и особенно фторопласт) находят применение

в химическом машиностроении, в ракетостроении, для защиты oт коррозии

металлов.

Полимеры и пластмассы на их основе обладают высокими

диэлектрическими свойствами; неполярные полимеры (полиолефины,

фторопласт) являются непревзойденными диэлектриками и широко

применяются в электро-, радиотехнике и радиоэлектронике.

Пластмассы имеют низкую теплопроводность (в 70—220 раз ниже

теплопроводности стали), что позволяет их использовать в качестве

теплоизоляторов. Многие пластмассы обладают достаточной механической

прочностью, гибкостью, морозостойкостью и теплостойкостью (например,

фторопласт может применяться при температурах от -269 до +260°С),

прекрасными фрикционными и антифрикционными свойствами. Ценными

180

являются оптические свойства некоторых пластмасс (полиметилметакрилат,

полистирол, поликарбонаты), а также способность некоторых видов

синтетических полимеров (ионообменные смолы) поглощать из водных

растворов ионы химических соединений, которые затем удаляются при

регенерации ионитов.

Пластмассы отличаются от большинства природных материалов

возможностью изменения свойств в весьма широком диапазоне и способностью

легко перерабатываться в изделия многими способами: литьем под давлением,

прессованием, экструзией и др.

Пластмассы широко применяются в машиностроении, приборостроении,

авиа- и автостроении, в электро- и радиотехнике, промышленности средств

связи, в капитальном строительстве, в легкой, пищевой, химической

промышленности, для производства товаров широкого потребления и в

сельском хозяйстве.

Наибольшее значение в мировом производстве имеют пластмассы на основе

полимеризации. Так, до

ля полимеризационных пластмасс в СССР в 1980 г.

составила 40% от всего производства пластмасс.

К пластмассам полимеризационного типа (термопластам) относятся такие

соединения, как полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол и др.

Полиэтилен (-CH

-CH

, получают полимеризацией из этилена как при

высоком давлении (100 МПа) в газовой фазе, так и при низком давлении в

растворе. Он характеризуется высокой прочностью, хорошими

диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, невысокой

стоимостью. Применяется для производства труб, антикоррозионных покрытий,

изготовления деталей в машиностроении, радиотехнике, электротехнике,

упаковочной пленки и тары.

Поливинилхлорид

получается полимеризацией хлористого винила суспензионным или

эмульсионным способом; сырьем служит ацетилен. Это высокопрочный,

негорючий, химически стойкий и механически прочный полимер. Высокие

технико-экономические показатели наряду с ценными свойствами делают его

одним из ведущих в мировом производстве пластмасс.

Полистирол

также важный для народного хозяйства полимер, получаемый различными

методами полимеризации; отличается хорошими механическими, химическими