Výroba technických plynů
VÝROBA TECHNICKÝCH PLYNU
Využití technických plynů je velmi rozmanité. Tyto plyny se používají v mnoha odvětvích. Získávají se zejména dělením vzduchu na jednotlivé složky. Základní metodu pro získání jednotlivých složek vzduchu objevil Carl von Linde před více než sto lety. Vzduch se stlačí, očistí od vodní páry, prachu a oxidu uhličitého a následně se prudce zchladí na extrémně nízkou teplotu. Poté se uvolněním zkapalní a následně se vícestupňovým destilačním procesem rozloží na kyslík, dusík, argon a ostatní vzácně plyny. V dnešní době existuje mnoho různých metod k přípravě technicky důležitých plynů a surovin pro jejich výrobu.
ACETYLEN (ETHIN)
Technicky se vyrábí rozkladem karbidu vápenatého s vodou:
CaC2 + 2 H2O = C2H2 + Ca(OH)2
Používají se 3 postupy: kapání vody na karbid po kapkách, noření karbidu do vody najednou (což se skoro vůbec nepoužívá) nebo vnášení karbidu do vody v malých dávkách. Poslední metoda se nejvíce využívá při velkovýrobě. Vyvinutý acetylen se musí pročistit pomocí oxidačních látek (např. oxid měďnatý) zejména od sirovodíků, amoniaku aj. Nakonec se čistí oxidem vápenatým kvůli odstranění chloru a kyseliny chlorovodíkové. V dnešní době se získává acetylen také jako vedlejší produkt při reakcích v petrochemii nebo pyrolýzou zemního plynu. Používá se k autogennímu sváření a řezání, k výrobě mnoha organických a technicky důležitých látek, zejména vodíku.
AMONIAK
Získává se zejména těmito cestami: suchou destilací z uhlí, syntézou prvků nebo z různých anorganických sloučenin.
1) Výroba suchou destilací z uhlí
Z plynů, které při této metodě vznikají se amoniak odstraní absorpcí vodou nebo kyselinou sírovou. Pomocí další destilace se z takto vzniklých amoniakových vod, které obsahují vázané soli amonné, získává technický nebo zkapalněný amoniak a síran amonný. Destilace, která se provádí v kolonové aparatuře, umožňuje snadný rozklad lehce rozložitelných amonných solí, u těžce rozložitelných solí se kvůli lepšímu rozkladu přidává tzv. vápenného mléko. Získaný amoniak se dočišťuje hydroxidem sodným, chladí kvůli kondenzaci vodní páry nebo filtruje přes dřevěné uhlí – podle účelu následného využití.
2) Výroba amoniaku syntézou prvků
Tato výroba se zakládá na slučování vodíku a dusíku. Nejznámější metodou této výroby je Haber – Boschova metoda, kdy se směs velmi pečlivě vyčištěných plynů vede za stálé cirkulace přes kontaktní látku (uran, hořčík, mangan, atd.) za vyšší teploty a tlaku neboť reakce za normální podmínek probíhá velmi neochotně.
3) Výroba z různých anorganických sloučenin
Malé množství amoniaku se získává z dusíkatého vápna, které se vyrábí z karbidu vápenatého v šamotových pecích. Amoniak vzniká působením vody na dusíkaté vápno za zvýšené teploty.
Žíháním směsi oxidu hlinitého s uhlíkovým práškem se připraví nitrid hlinitý, z kterého se poté amoniak získává pod tlakem rozkladem vodou:
2AlN + 6H2O = 2NH3 + 2Al(OH)3
4) Výroba kapalného amoniaku
Plynný amoniak se zbaví vlhkosti vedením přes oxid vápenatý a poté se ochlazením a současným stlačením zkapalní.
Tento plyn se používá k výrobě kyseliny dusičné, sody a čistících prostředků na kovy, dále pak v barvířství a farmacii.
FLUOR
Fluor se získává elektrolytickým rozkladem bezvodé kyseliny fluorovodíkové, která je obohacena o malé množství kyselého fluoridu draselného. Elektrolýza se provádí v platinové nebo měděné U-trubici. Plynný fluor se hromadí na anodě.
CHLÓR
Chlór získáváme ze sloučenin chlóru chemickou cestou nebo elektrolyticky. Chemickou cestou ho můžeme získat sloučením oxidu manganičitého a chlorovodíku. Tímto způsobem se však získá nejvýše polovina chlóru. Dalším způsobem je rozklad chloridu hořečnatého, který se žíhá v proudu vzduchu. Získaný chlór bývá znečištěn malým množstvím chlorovodíku.
Elektrolytický způsob výroby se provádí rozkladem chloridů, kdy se na anodě vylučuje plynný chlór. Katodu tvoří většinou železné desky. Podle způsobu oddělení prostoru katody a anody známe 3 způsoby elektrolytické výroby chlóru: diafragmový, zvonový a rtuťový. Podle první - diafragmové metody probíhá elektrolýza v železné vaně, kdy jsou v pórovité nádobě z cementové hmoty uloženy elektrody. Z nasyceného roztoku chloridu sodného se chlór uvolňuje za nepřístupu vzduchu. Při druhém - zvonovém způsobu výroby vzniknou z koncentrovaného roztoku za pomoci cementových zvonů dvě vrstvy (spodní vrstva Na(OH) a vrstva nasycená chlórem) mezi nimiž je neutrální zóna. Ta je udržována regulací přívodu chloridu sodného a chlór odchází nad anodový prostor odkud je odváděn. Poslední – rtuťový způsob je velmi používaný. Rtuť tvoří spojnici mezi katodovou a anodovou komorou a tvoří vždy opačnou elektrodu.
Chlór se používá v organické syntéze, chemické výrobě (HCl, PVC), při výrobě papíru, v textilním průmyslu nebo při dezinfekci vody.
KYSLÍK
Chemické metody výroby kyslíku jsou téměř bezvýznamné pro velkovýrobu, protože se jimi vyrábí jen nepatrné množství. Kyslík vyrobený elektrolyticky obsahuje vždy trochu vodíku, který musí být odstraněn kvůli možné explozi.
V praxi se nejvíce k výrobě kyslíku a dusíku používá kapalný vzduch, který se vytváří za pomoci strojů s expandním ventilem nebo válcem. Díky rozdílné teplotě varu, se od sebe dusík a kyslík lehce oddělí frakční destilací. Destilace probíhá v rektifikačních věžích, kdy se dusík vypařuje a přechází do plynu a kyslík zůstává kapalný. Takto lze připravit čistý dusík a asi 80% kyslík. K výrobě 100% kyslíku je potřebná další rektifikační kolona.
Kyslík se používá při sváření kovů např. kyslíkovodíkovým plamenem, v lékařství, jako náplň do dýchacích přístrojů, při letování, sváření platiny apod.
DUSÍK
Chemickými způsoby se dusík vyrábí jen v malé míře. Existuje mnoho způsobů - přes peroxid barya, přes platinový azbest, přes rozžhavenou měď (odnímá kyslík a ponechává dusík) a mnoho dalších metod. Největší množství dusíku se však získává fyzikálními způsoby a to hlavně výše uvedenou destilací kapalného vzduchu.
Využívá se k výrobě amoniaku, kyseliny dusičné, dusíkatých hnojiv či k plnění žárovek. Používá se také k vytváření inertní atmosféry potřebné v chemických laboratořích. Kapalný dusík slouží jako chladící médium (např. v potravinářství).
OZÓN
Ozónovaný vzduch lze vytvořit několika způsoby. Chemické způsoby jsou nákladné a poskytují malý výtěžek. K přípravě větších množství slouží tzv. ozonátory, které vytvářejí ozón na základě působení elektrického výboje na vzduch nebo kyslík. Dalším způsobem získání ozónu je například elektrolýza 15% kyseliny sírové nebo působení UV paprsků na vzduch nebo kyslík.
Využívá se zejména pro sterilizaci vody a ke zkvalitnění vzduchu v uzavřených prostorech.
OXID SIŘIČITÝ
Tento plyn můžeme získat spalováním síry proudem vzduchu v jednoduché peci nebo pražením sulfidů: železnatého, zinečnatého, měďnato – železnatého a olovnatého. Po rozdrcení pomocí drtičů a roztřídění pomocí sít se zahřívají na vysokou teplotu za nepřístupu vzduchu. Pro pražení práškového materiálu a kusového materiálu se používají dvě rozdílné pece, které se liší způsobem vytápění. Oxid siřičitý můžeme dále získat z plynárenských čisticích hmot, kdy se po očištění od amonných solí praží v mechanické třístupňové peci. Takto vzniklý plyn musí být očištěn od prachu a to buď mechanickou filtrací, propíráním nebo elektrostaticky pomocí zavedené elektrody, která na sebe prach přitahuje.
Kapalný oxid siřičitý se získává odpařením z kyseliny siřičité, následným odstraněním vodní páry a zkapalněním v kompresním stroji.
Oxid siřičitý se používá jako chladící médium, v cukrovarech nebo celulózkách.
OXID UHLIČITÝ
Tento plyn samovolně unika ze zemského povrchu, a proto je možné ho získat (ve velmi čisté podobě) pomocí plynojemů. Dalším způsobem výroby je rozklad uhličitanů teplem nebo kyselinami. Nejčastěji pak tepelným rozkladem uhličitanu vápenatého v šachtové peci, kde se spalováním koksu uvolňuje teplo, které rozkládá uhličitan vápenatý na oxid uhličitý a vápník. Podobným způsobem se získává oxid uhličitý také z uhličitanu hořečnatého. Ten může sloužit v dalším způsobu, a to při jeho rozkladu kyselinou sírovou. Vzniklý oxid uhličitý se čistí propráním roztokem manganistanu draselného, chloridem železitým a dřevěným uhlím. Je možné ho získat také při kvašení v pivovarnictví, ale je nutné ho několikrát přečistit. To je nutné i u získávání z plynů bohatých na oxid uhličitý, a to zejména při spalování plynného koksu předehřátým vzduchem.
Stejně jako dusík lze oxid uhličitý využít k vytvoření inertní atmosféry, dále pro náplň do „sněhových“ hasicích přístrojů, k výrobě sody Solvayovým způsobem nebo při výrobě nápojů.
VODÍK
Existuje mnoho způsobů získávání vodíku. Rozpouštěním některých kovů (např. železo, zinek) ve zředěných kyselinách (sírové, chlorovodíkové) pomocí Kippova přístroje lze připravit vedle vzniklých solí jen menší množství vodíku. Naopak reakcí hydroxidu sodného s hliníkem nebo křemíkem se kdysi získával vodík ve velkém množství hlavně pro náplň do vzducholodí. Dnes se získává vodík zejména při zpracování ropy v rafinériích.
Působením vody na kovy a nekovy můžeme vodík získat buď působením vodní páry na železo při vysoké teplotě nebo vedením vodní páry přes rozžhavený uhlík či přes síru také za vysoké teploty. V elektrolytické výrobě je možné získat velmi čistý vodík z alkalického elektrolytu v několika různých elektrolyzérech. Nejvíce vodíku se však elektrolyticky získává při výrobě chlóru. Rozkladem za vysoké teploty lze kyslík získat z acetylenu, methanu, svítiplynu nebo petroleje. Z tzv. vodního plynu můžeme vodík získat buď frakční destilací (podobně jako u kyslíku a dusíku) nebo chemicky vedením směsi vodního plynu a páry přes oxid vápenatý. Získaný vodík je velmi čistý. Posledním způsobem je reakce hydridů (zejména hydrid vápníku) na vodu.
Využívá se k řezání a sváření kovů, k docílení vysokých teplot, jako redukční činidlo, k výrobě amoniaku či ke ztužování olejů.
Pokud není vyvinutý plyn určen k bezprostřednímu použití, uchovává se a dopravuje v ocelových tlakových lahvích. Ty jsou opatřeny barevnými pruhy, které určují konkrétní plyn obsažený v lahvi.
Při zpracování textu bylo použito následující literatury:
1) Andrlík K.: Základy chemické výroby; nakladatel Josef Hokr, 1947
2) Večeřa Z.: Chemie pro všechny; nakladatelství technické literatury, Praha 1990
3) Honza J., Mareček A.: Chemie pro čtyřletá gymnázia 1. díl; nakladatelství Olomouc, 1998
PŘIDEJTE SVŮJ REFERÁT
Tisknout -
Poslat(@) -
Uložit->Moje referáty -
Přidat referát