第2章-化工導論2011

第二章

無機化工

無機化學工業(yè)是相對于有機化學工業(yè)而言的龐大工業(yè)部門，它是發(fā)展最早的化工部門，在推動化工技術的發(fā)展上作出過重要的貢獻。例如在過去，曾以硫酸產量的多少為標志，來衡量一個國家化學工業(yè)的發(fā)達程度，但現在已讓位給乙烯了。2-1、無機化工的特點1、無機化工發(fā)展歷史長，對人類生存和科技發(fā)展具有積極的推動作用和影響。2、無機化工產品是重要的基本化工原料，產量大，通用性強。

3、與有機化工產品相比，品種相對較少，生產過程相對簡單。4、新型無機化工產品不斷出現，有些是高科技產品，如鋰離子電池材料等。2-2、無機化工原料

無機化學工業(yè)的原料來源很廣，大致可分五大類：空氣、水、化學礦物、化石燃料（煤、石油、天然氣等）及生物質資源。一、酸、堿（三酸、兩堿）二、化肥（氮肥、磷肥、鉀肥）三、無機鹽產品（電池原料、水處理劑等）四、無機非金屬材料（先進陶瓷、炭材料、人造金剛石等）五、工業(yè)氣體2-3、主要無機化工產品和用途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化學肥料，主要是用于生產磷銨、重過磷酸鈣、硫銨等，約消耗硫酸產量的一半。在化學工業(yè)中，硫酸是生產各種硫酸鹽的原料，是塑料、人造纖維、染料、油漆、制藥等生產中不可缺少的化工原料，在農藥、除草劑、殺鼠劑的生產中也都需要硫酸。在石油的精煉過程中使用大量硫酸作為洗滌劑，以除去石油產品中的不飽和烴和硫化物等雜質。有機合成工業(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，產量僅次于硫酸。工業(yè)產品分為濃硝酸（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。主要生產方法有氨堿法（即索爾維法）、侯氏聯合制堿法和天然堿加工法等。目前，世界上生產的純堿中，用索爾維法生產的約占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用于生產化學品，約5%用于生產紙漿和造紙，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是應用最廣的化學物質之一。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，長期使用不會惡化土壤）；合成氨

氨是一種含氮化合物，是化學工業(yè)中產量最大的產品之一。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合肥料，如氨與二氧化碳合成尿素。尿素

尿素的化學名稱為碳酰二胺，分子式為(NH2)2CO。尿素是一種不含污染的高效氮肥，還可用作動物飼料添加劑，其理論氮含量為46.6%，不僅對世界農業(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。同時它在醫(yī)藥、紡織、造紙、染和環(huán)境保護等方面都得到應用，，對人類的生產和生活產生著中的影響。2-3-4、無機鹽產品

無機鹽工業(yè)泛指以礦物為原料生產的、由金屬離子或銨離子與酸根離子組成的物質，幾乎包括除三酸（硫酸、硝酸、鹽酸）、兩堿（燒堿、純堿）和無機非金屬材料以外的所有無機化學品。2-3-4、無機鹽產品1、電池工業(yè)原料鋅-錳電池-----用氯化鋅和氯化銨作電解質，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。二次鋰離子電池R6-----普通鋅-錳電池（5號）R20-----普通鋅-錳電池（1號）LR6-----堿性鋅-錳電池（5號）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、無機非金屬材料1、先進陶瓷（精細陶瓷或特種陶瓷）

結構陶瓷----利用其熱、機械、化學功能，具有耐熱、耐磨損、高強度、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----碳纖維及其復合材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、導熱、熱膨脹系數小等一系列優(yōu)異性能。它們既作為結構材料承載負荷，又作為功能材料發(fā)揮作用。

石墨的理想層面結構熱處理過程中炭前軀體的結構變化圓形碳纖維碳纖維增強機翼螺旋狀炭纖維

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。近年出現新的低壓合成方法：熱絲化學氣相沉積法（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。

富勒烯是含碳物質在特定的條件下，經氣化后使氣相中的碳原子簇進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構，可在內外表面進行反應，得到各種功能化的衍生物。有望在超導材料、半導體材料、醫(yī)用材料、磁性材料、催化劑、化學化工等領域得到應用。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。其抗張強度是高強合金鋼的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、氫氣儲存等用途。

性質

碳納米管

比較

尺寸 直徑0.6-1.8納米 電子束光刻50納米寬抗張強度 450億Pa 高強合金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 鉬絲每微米50-100伏,壽命短熱穩(wěn)定性 真空中2800攝氏度 芯片導線600-1000度熔化單壁納米碳管的性質碳納米管

用導電大分子碳制作的超細導線2-3-6、稀土材料

稀土元素具有獨特的物理和化學性質，在煉鋼、石油催化裂化、永磁材料和玻璃、陶瓷等國民經濟的各個領域中有著廣泛的應用。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性質，所以稀土元素和過度金屬能夠構成磁性優(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、二氧化硫等在內的工業(yè)上用來作為原料，或在生產中使用（例如作置換用或儀表用）的氣體。實際上它們多作為某種化工產品生產裝置的組成部分出現，如一氧化碳和氫的制備，是合成氨生產的重要組成部分，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、氙等稀有氣體以獨立的工廠存在。但近年來，作為精細化工的一部分，出現了專門制備包括高純氮、氧和其他高純氣體的工廠。2-4、典型產品生產工藝2-4-1、接觸法生產硫酸工藝（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、純堿生產工藝（氨堿法）1、煅燒生成生石灰和二氧化碳；

2、消化反應生成石灰乳；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），經過高溫下的煅燒，分解和排出二氧化碳所得的產物，其主要成分是氧化鈣（CaO）。其化學反應式如下：CaCO3→CaO+CO2（2）消化反應生成石灰乳煅燒后的生石灰呈塊狀，使用時使其與水發(fā)生反應并分散在水中，形成石灰乳。這一反應過程稱作石灰的消化，是放熱反應，它的化學反應式如下：CaO+H2O→Ca(OH)2純堿生產工藝（氨堿法）（3）石灰乳分解母液中NH4Cl生成NH3石灰乳與氯化銨（NH4Cl）反應生成氨（NH3），并由蒸氨塔將氨蒸出。該反應是氨減法生產純堿的五個主要反應即一組閉合循環(huán)反應中的一個：Ca(OH)2+2NH4Cl→CaCl2+2NH3↑+2H2O（4）鹽水碳酸化反應生成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氣體反應，生成碳酸氫鈉。其化學反應式如下：NaCl+NH3+CO2+H2O→NaHCO3↓+NH4Cl純堿生產工藝（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中過濾，得到的濾餅經過反復洗滌，然后進行煅燒，使碳酸氫鈉分解而得到純堿。其反應過程如下：2NaHCO3→Na2CO3+H2O+CO22-4-3合成氨生產工藝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，進行合成反應。合成氨生產工藝煤、焦炭水蒸氣

造氣脫硫

CO變換

脫CO2

CO+H2OCO2+H2

N2+H2NH3

C+H2O