§ 38. Коксохимическое производство

Определения и обозначения

Коксование — нагревание каменного угля без доступа воздуха, при котором образуются твёрдый остаток и летучие продукты. Иными словами, уголь при высокой температуре разлагается, а не сгорает. Понятие помогает отличить процесс коксования от получения тепла при обычном сжигании топлива.

Кокс — пористый твёрдый продукт коксования, состоящий преимущественно из углерода и используемый главным образом в металлургии. Он остаётся в коксовой камере после удаления летучих продуктов. Знание свойств кокса объясняет, почему его направляют на металлургические предприятия.

Коксовый газ — смесь газообразных продуктов коксования, отделяемая от твёрдого кокса. Он не является чистым веществом: это смесь компонентов, образовавшихся при разложении угля. Термин нужен, чтобы не путать газовую часть с парами веществ, которые при охлаждении превращаются в жидкости.

Каменноугольная смола — жидкий продукт, выделяемый при охлаждении летучих продуктов коксования и содержащий органические вещества. Она образуется не в виде твёрдого остатка, а при охлаждении паров. Смола важна как сырьё для дальнейшего выделения и производства органических веществ.

Как это устроено

Сначала для коксования подбирают и измельчают каменный уголь, затем загружают его в камеры коксовой батареи. Подготовка нужна, чтобы сырьё было удобнее загружать и обрабатывать в камере. Коксование проводят в специальных закрытых камерах, поскольку доступ воздуха изменил бы характер процесса и привёл к горению.

Уголь нагревают до высокой температуры, не подавая воздух. При нагревании сложные органические вещества угля распадаются на более простые соединения, часть которых остаётся в твёрдом остатке, а часть становится летучей. Если бы присутствовал кислород, он вступал бы в реакцию с углём и поддерживал горение; поэтому отсутствие воздуха позволяет получить кокс.

В ходе процесса твёрдый остаток остаётся внутри камеры, а летучие продукты выходят из неё в виде смеси газов и паров. Такое разделение происходит благодаря различию агрегатного состояния продуктов при температуре коксования. Поэтому производство даёт не один продукт: твёрдый кокс отделяют от смеси, которую предстоит охладить и разделить.

Летучие продукты направляют на охлаждение. При снижении температуры пары некоторых веществ конденсируются, то есть переходят в жидкость, и так выделяются каменноугольная смола и другие жидкие продукты. Аммиачная вода и бензольные продукты также извлекаются при обработке летучей смеси; оставшуюся газообразную часть собирают как коксовый газ.

После разделения продукты направляют на разные производства в соответствии с их свойствами и составом. Прочный углеродистый кокс нужен металлургии, а горючий коксовый газ можно использовать как топливо. Смола и другие выделенные вещества ценны как сырьё для химической промышленности, поэтому утилизация летучей смеси повышает практическую ценность переработки угля.

Продукты коксования каменного угля

Таблица помогает проследить, где образуется каждый продукт и почему его направляют на определённое производство. При повторении сначала разделите продукты на твёрдый остаток и летучие вещества, затем сопоставьте их с применением.

Разбор задач

Задача 1. Назовите условия, при которых из каменного угля получают кокс, и объясните, почему уголь не сгорает.

1. Определяем, какое воздействие испытывает уголь: его нагревают до высокой температуры.

2. Уточняем атмосферу процесса: доступ воздуха исключён, поэтому кислород не поддерживает горение.

3. Делаем вывод: уголь разлагается на твёрдый остаток и летучие продукты, а не сгорает.

Ответ: кокс получают нагреванием каменного угля без доступа воздуха; уголь не сгорает, а разлагается.

Задача 2. Распределите продукты коксования на твёрдые и летучие, а летучие — на газообразные и выделяемые при охлаждении.

1. Сначала ищем продукт, который остаётся в коксовой камере: это твёрдый кокс.

2. Остальные продукты относятся к летучим, поскольку выходят из камеры с газами и парами.

3. После охлаждения часть компонентов конденсируется: к ним относятся смола и жидкие продукты, включая аммиачную воду. Газообразную часть называют коксовым газом; бензольные продукты извлекают при разделении летучей смеси.

Ответ: твёрдый продукт — кокс; летучие продукты включают газообразный коксовый газ и вещества, выделяемые при охлаждении или дальнейшей обработке смеси.

Задача 3. Укажите, какие продукты коксования направляют в металлургическое производство, используют как топливо и перерабатывают как химическое сырьё.

1. Сопоставляем назначение продуктов: металлургии необходим кокс, поэтому его относим к первой группе.

2. Для использования в качестве топлива выбираем коксовый газ.

3. Смолу, аммиачную воду и бензольные продукты относим к химическому сырью, так как их компоненты можно перерабатывать для получения химических веществ.

Ответ: кокс используют в металлургии, коксовый газ — преимущественно как топливо, а смолу, аммиачную воду и бензольные продукты направляют на химическую переработку.

Типичные ошибки

Считать коксование сжиганием угля — значит упускать условие процесса. Ошибка возникает из-за того, что в обоих случаях уголь нагревают. Проверьте себя вопросом: подают ли воздух? При коксовании его не подают, а уголь разлагается.

Называть кокс единственным продуктом — значит забывать о летучей смеси. Это представление возникает, если следить только за остатком в камере. Проверьте полную схему: помимо кокса, из камеры выходят газы и пары, которые затем разделяют.

Смешивать коксовый газ с парами смолы неправильно, потому что при охлаждении часть смеси конденсируется, а часть остаётся газообразной. Путаница появляется из-за того, что сначала компоненты выходят вместе. Чтобы проверить ответ, проследите, что происходит после охлаждения: жидкие продукты отделяются от газа.

Считать, что все продукты используют одинаково, — значит не учитывать их разные свойства. Кокс твёрдый, коксовый газ горючий, а жидкие продукты содержат химические вещества. Проверьте распределение по назначениям: кокс — металлургии, газ — в основном на топливо, остальные продукты — на химическую переработку.

Связь с другими темами

Для понимания коксования нужны знания о составе каменного угля и различии между горением и разложением при нагревании. Тема связана с химическими производствами: летучую смесь нужно охладить и разделить, а продукты переработать как сырьё. Кокс пригодится при изучении доменного производства чугуна и химии металлов, поскольку он используется в металлургии.

Что запомнить

• Коксование — нагревание каменного угля без доступа воздуха.

• Основной твёрдый продукт коксования — кокс.

• Летучие продукты отделяются от кокса и затем разделяются.

• При охлаждении летучей смеси выделяются жидкие продукты.

• Коксовый газ используют преимущественно как топливо.

• Продукты коксования служат сырьём для металлургии и химической промышленности.