Chemistry Labs

工业与应用化学

H₂SO₄、NH₃（哈伯–博世法）、HNO₃、NaOH 的生产

通过四条基础工业路线，了解反应平衡、催化、分离和循环如何结合于连续化学制造。

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直觉从反应到工艺流程图

工厂不只是一个大型反应器。原料准备、热交换、催化转化、产品回收和循环必须作为耦合系统协同运行。以下四条路线具体展示这种系统视角。

中学阶段中学基础：配平反应式与守恒

配平工业反应方程式体现原子守恒，但它并不是完整工艺流程图。例如合成氨每消耗 1 mol 氮气需 3 mol 氢气；实际工厂还必须净化进料、移走热量并分离产品。

大学接触法：硫酸

硫黄燃烧生成 SO₂，再在钒催化剂上氧化为 SO₃。该反应放热且受平衡限制，转化器采用多段催化床并在段间冷却；将 SO₃ 吸收到浓硫酸中，可避免直接水合产生难处理的酸雾。

2 SOX2+OX2⇌2 SOX3,SOX3+HX2O→HX2SOX4\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3},\qquad \ce{SO3 + H2O -> H2SO4}

大学哈伯–博世法：合成氨

净化后的氮气和氢气在高温高压下通过铁基催化剂反应。合成反应放热，低温有利于平衡产率，而高温能加快接近平衡。工业操作需权衡两者，冷却冷凝氨并循环未反应气体。

NX2+3 HX2⇌2 NHX3,Qp=pNHX32pNX2pHX23\ce{N2 + 3H2 <=> 2NH3},\qquad Q_p=\frac{p_{\ce{NH3}}^2}{p_{\ce{N2}}p_{\ce{H2}}^3}

定义: 循环为何重要

单程不必转化全部原料。分离产品并回送未反应物，可提高总体利用率，而不必假设单次反应器通过就能完全转化。

大学奥斯特瓦尔德法与氯碱法

奥斯特瓦尔德法在铂铑网催化剂上将氨氧化为一氧化氮，再将 NO 氧化为 NO₂ 并吸收于水中制得硝酸。盐水电解在阳极生成氯气，在阴极室生成氢气和氢氧化钠；膜式电解槽可限制这些产物混合。

4 NHX3+5 OX2→4 NO+6 HX2O;2 NO+OX2→2 NOX2;2 NaCl+2 HX2O→2 NaOH+ClX2+HX2\ce{4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O};\quad \ce{2NO + O2 -> 2NO2};\quad \ce{2NaCl + 2H2O -> 2NaOH + Cl2 + H2}

科研研究前沿

参考文献

  • Shreve's Chemical Process Industries · George T. Austin, 1984
  • Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Ammonia · Ullmann's Editorial Board, 2012
  • The Catalytic Oxidation of Ammonia · R. J. Schoen, 1948
  • Chemistry and Technology of the Chlor-Alkali Industry · T. F. O'Brien, T. V. Bommaraju, F. Hine, 2005