Получение серной кислоты. Эффективные способы переработки сероводорода на нефтеперерабатывающих заводах (производство серной кислоты, элементной серы и др.)

H2SO4 ,лат. Acidum sulfuricum - сильная двухосновная кислота, молярная масса около 98 г/моль.

Чистая серная кислота - бесцветная едкая маслянистая жидкость без запаха, плотностью 1,84 г/см3, превращающаяся при 10,4°С в твёрдую кристаллическую массу. Температура кипения водных растворов серной кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании около 98% H2SO4.

Концентрированная серная кислота очень бурно реагирует с водой, так как при этом выделяется большое количество тепла (19 ккал на моль кислоты) вследствие образования гидратов. По этой причине следует всегда разбавлять серную кислоту, наливая её в воду, а не наоборот.

Серная кислота обладает высокой гигроскопичностью, то есть хорошо поглощает водные пары из воздуха, поэтому может применяться для осушения газов, не реагирующих с нею. Гигроскопичностью обьясняется и обугливание органических веществ, к примеру, сахара или дерева, при воздействии на них концентрированной серной кислотой. При этом образуются гидраты серной кислоты. Также из-за малой летучести её используют для вытеснения других, более летучих кислот из их солей.

Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно, а продукты реакции зависят от условий ее проведения и активности самого металла. Образует два ряда солей: средние — сульфаты и кислые — гидросульфаты, а также эфиры.

Разбавленная серная кислота взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода (H), с выделением Н2, окислительные свойства для нее нехарактерны.

В промышленности серная кислота получают двумя методами: контактный метод с использованием твердых катализаторов (контактов), и нитрозный — с оксидами азота. Сырьём служат сера, сульфиды металлов и т.п. Выпускается кислота нескольких сортов, в зависимости от чистоты и концентрации: аккумуляторная(самая чистая), техническая,башенная, купоросное масло, олеум(раствор серного ангидрида в серной кислоте).

Применение серной кислоты:

• Производство минеральных удобрений - самая крупная область применения
• Электролит в свинцовых аккумуляторах
• Производство синтетических моющих средств,красителей, пластмасс, фтороводорода и других реактивов
• Обогащение руд в горнодобывающей промышленности
• Очистка нефтепродуктов
• Металлообрабатывающая, текстильная, кожевенная и другие отрасли промышленности
• Производство лекарственных препаратов
• В пищевой промышленности зарегистрирована в качестве пищевой добавки E513
• Промышленный органический синтез

Применение серной кислоты в промышленности

Пищевая промышленность знакома с серной кислотой в виде пищевой добавки Е513. Кислота выступает в качестве эмульгатора. Данная пищевая добавка используется для изготовления напитков. С её помощью регулируется кислотность. Помимо пищи, Е513 входит в состав минеральных удобрений. Применение серной кислоты в промышленности имеет широкое распространение. Промышленный органический синтез использует серную кислоту для проведения следующих реакций: алкилирование, дегидратация, гидратация. С помощью данной кислоты восстанавливается необходимое количество смол на фильтрах, что используются на производстве дистилированной воды.

Применение серной кислоты в быту

Серная кислота в домашних условиях пользуется спросом среди автолюбителей. Процесс приготовления раствора электролита для автомобильного аккумулятора сопровождается добавление серной кислоты. Работая с данной кислотой следует помнить о правилах безопасности. В случае попадания кислоты на одежду или открытые участки кожи, стоит немедленно промыть их проточной водой. Серная кислота, которая разлилась на металл, может нейтрализоваться с помощью извести или мела. Заправляя автомобильный аккумулятор необходимо придерживаться некой последовательности: постепенно добавлять кислоту к воде, а не наоборот. Когда вода вступает в реакцию с серной кислотой происходит сильное нагревание жидкости, что может приводить к её разбрызгиванию. Поэтому стоит быть особо внимательным, чтобы жидкость не попала на лицо, или в глаза. Кислота должна храниться в плотно закрытой емкости. Важно, чтобы химическое вещество сохранялось в недоступном для детей месте.

Применение серной кислоты в медицине

В медицине нашлось широкое применение солей серной кислоты. К примеру, магний сульфат назначается людям с целью достичь слабительного эффекта. Еще одним производным серной кислоты есть натрий тиосульфат. Лекарственное средство используется в роли противоядия в случае отправления следующими веществами: ртуть, свинец, галогены, цианид. Тиосульфат натрий вместе с соляной кислотой используется для лечения дерматологических заболеваний. Профессор Демьянович предложил союз этих двух препаратов для лечения чесотки. В виде водного раствора, натрий тиосульфат вводят людям, которые страдают аллергическими недугами.

Магния сульфат обладает широким спектром возможностей. Поэтому применяется врачами различных специальностей. В качестве спазмолитика магний сульфат вводят больным при гипертонической болезни. Если у человека присутствуют заболевания желчного пузыря, вещество вводится внутрь для улучшение желчеотделения. Применение серной кислоты в медицине в виде магния сульфата в гинекологической практике встречается часто. Гинекологи помогают роженицам посредством введения магния сульфата внутримышечно, таким способом они обезболивают роды. Помимо всех выше указанных свойств, магний сульфат обладает антисудорожным эффектом.

Применение серной кислоты в производстве

Серная кислота, области применение которой разнообразны, используется так же при производстве минеральных удобрений. Для более удобного сотрудничества, заводы,что занимаются производством серной кислоты и минеральных удобрений, в основном, расположены поблизости друг от друга. Этот момент создает непрерывное производство.

Применение серной кислоты в изготовлении красителей и синтетических волокон занимает второе место по распространенности после производства минеральных удобрений. Многие отрасли промышленности используют серную кислоту в некоторых процессах на производстве. Применение серной кислоты нашло спрос и в быту. Люди пользуются химическим веществом для обслуживания своих автомобилей. Приобрести серную кислоту возможно в магазинах, что имеют специализацию по продаже химических веществ, в том числе у нас по ссылке. Серная кислота транспортируется соответственно правилам перевозки подобного груза. Железнодорожный или автомобильный транспорт перевозит кислоту в соответствующих емкостях. В первом случае в качестве емкости выступает цистерна, во втором - бочка или контейнер.

Особенности применения и биологическая опасность

Серная кислота и близкие к ней продукты - чрезвычайно токсичные вещества, которым присвоен класс опасностиII. Их пары поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит. Предельно допустимая концентрация паров серной кислоты в воздухе рабочей зоны производственных помещений - 1 мг/м3 . Люди, работающие с токсичными кислотами, снабжаются спецодеждой и средствами личной защиты. Концентрированная серная кислота при неаккуратном обращении с ней может вызвать химический ожог.

При попадании серной кислоты внутрь немедленно после приема появляются резкие боли в области рта и всего пищеварительного тракта, сильная рвота с примесью сначала алой крови, а затем бурыми массами. Одновременно с рвотой начинается сильный кашель. Развивается резкий отек гортани и голосовых связок, вызывающий резкие затруднения дыхания. Зрачки расширяются, а кожа лица принимает темно-синий цвет. Отмечается падение и ослабление сердечной деятельности. Смерть наступает при дозе в 5 миллиграммов. При отравлении серной кислотой необходимо срочное промывание желудка и прием магнезии.

Серная кислота - двухосновная кислота, которая выглядит как маслянистая жидкость, и не имеет запаха. Химическое вещество кристаллизуется при температуре +10 °С. Твердое физическое состояние серная кислота приобретает когда находится в среде с температурой -20 °С. Когда серная кислота вступает в реакцию с водой - выделяется большое количество тепла. Области применения серной кислоты: промышленность, медицина, народное хозяйство.

Применение серной кислоты в промышленности

Пищевая промышленность знакома с серной кислотой в виде пищевой добавки Е513. Кислота выступает в качестве эмульгатора. Данная пищевая добавка используется для изготовления напитков. С её помощью регулируется кислотность. Помимо пищи, Е513 входит в состав минеральных удобрений. Применение серной кислоты в промышленности имеет широкое распространение. Промышленный органический синтез использует серную кислоту для проведения следующих реакций: алкилирование, дегидратация, гидратация. С помощью данной кислоты восстанавливается необходимое количество смол на фильтрах, что используются на производстве дистилированной воды.

Применение серной кислоты в быту

Серная кислота в домашних условиях пользуется спросом среди автолюбителей. Процесс приготовления раствора электролита для автомобильного аккумулятора сопровождается добавление серной кислоты. Работая с данной кислотой следует помнить о правилах безопасности. В случае попадания кислоты на одежду или открытые участки кожи, стоит немедленно промыть их проточной водой. Серная кислота, которая разлилась на металл, может нейтрализоваться с помощью извести или мела. Заправляя автомобильный аккумулятор необходимо придерживаться некой последовательности: постепенно добавлять кислоту к воде, а не наоборот. Когда вода вступает в реакцию с серной кислотой происходит сильное нагревание жидкости, что может приводить к её разбрызгиванию. Поэтому стоит быть особо внимательным, чтобы жидкость не попала на лицо, или в глаза. Кислота должна храниться в плотно закрытой емкости. Важно, чтобы химическое вещество сохранялось в недоступном для детей месте.

Применение серной кислоты в медицине

В медицине нашлось широкое применение солей серной кислоты. К примеру, магний сульфат назначается людям с целью достичь слабительного эффекта. Еще одним производным серной кислоты есть натрий тиосульфат. Лекарственное средство используется в роли противоядия в случае отправления следующими веществами: ртуть, свинец, галогены, цианид. Тиосульфат натрий вместе с соляной кислотой используется для лечения дерматологических заболеваний. Профессор Демьянович предложил союз этих двух препаратов для лечения чесотки. В виде водного раствора, натрий тиосульфат вводят людям, которые страдают аллергическими недугами.

Магния сульфат обладает широким спектром возможностей. Поэтому применяется врачами различных специальностей. В качестве спазмолитика магний сульфат вводят больным при гипертонической болезни. Если у человека присутствуют заболевания желчного пузыря, вещество вводится внутрь для улучшение желчеотделения. Применение серной кислоты в медицине в виде магния сульфата в гинекологической практике встречается часто. Гинекологи помогают роженицам посредством введения магния сульфата внутримышечно, таким способом они обезболивают роды. Помимо всех выше указанных свойств, магний сульфат обладает антисудорожным эффектом.

Применение серной кислоты в производстве

Серная кислота, области применение которой разнообразны, используется так же при производстве минеральных удобрений. Для более удобного сотрудничества, заводы,что занимаются производством серной кислоты и минеральных удобрений, в основном, расположены поблизости друг от друга. Этот момент создает непрерывное производство.

Применение серной кислоты в изготовлении красителей и синтетических волокон занимает второе место по распространенности после производства минеральных удобрений. Многие отрасли промышленности используют серную кислоту в некоторых процессах на производстве. Применение серной кислоты нашло спрос и в быту. Люди пользуются химическим веществом для обслуживания своих автомобилей. Приобрести серную кислоту возможно в магазинах, что имеют специализацию по продаже химических веществ, в том числе у нас по ссылке . Серная кислота транспортируется соответственно правилам перевозки подобного груза. Железнодорожный или автомобильный транспорт перевозит кислоту в соответствующих емкостях. В первом случае в качестве емкости выступает цистерна, во втором - бочка или контейнер.

Серная кислота, H 2 SO 4 , сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы (+6). При обычных условиях - тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике С. к. называют её смеси как с водой , так и с серным ангидридом . Если молярное отношение SO 3:Н 2 О меньше 1, то это водный раствор серной кислоты, если больше 1, - раствор SO 3 в С. к.

Физические и химические свойства

100%-ная H 2 SO 4 (моногидрат, SO 3 ×H 2 O) кристаллизуется при 10,45 °С; t kип 296,2 °С; плотность 1,9203 г/см 3 ; теплоёмкость 1,62 дж/г (К . H 2 SO 4 смешивается с Н 2 О и SO 3 в любых соотношениях, образуя соединения:

H 2 SO 4 ×4H 2 O (t пл - 28,36°С), H 2 SO 4 ×3H 2 O (t пл - 36,31°С), H 2 SO 4 ×2H 2 O (t пл - 39,60°С), H 2 SO 4 ×H 2 O (t пл - 8,48 °С), H 2 SO 4 ×SO 3 (H 2 S 2 O 7 - двусерная или пиросерная кислота, t­ пл 35,15 °С), H 2 SO×2SO 3 (H 2 S 3 O 10 - трисерная кислота, t пл 1,20 °C).

При нагревании и кипении водных растворов С. к., содержащих до 70% H 2 SO 4 , в паровую фазу выделяются только пары воды. Над более концентрированными растворами появляются и пары С. к. Раствор 98,3%-ной H 2 SO 4 (азеотропная смесь) при кипении (336,5 °С) перегоняется полностью. С. к., содержащая свыше 98,3% H 2 SO 4 , при нагревании выделяет пары SO 3 .

Концентрированная серная кислота. - сильный окислитель. Она окисляет HI и НВг до свободных галогенов; при нагревании окисляет все металлы, кроме и платиновых металлов (за исключением Pd). На холоде концентрированная С. к. пассивирует многие металлы, в том числе РЬ, Cr, Ni, сталь , чугун . Разбавленная С. к. реагирует со всеми металлами (кроме РЬ), предшествующими водороду в ряду напряжении , например: Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + Н 2 .

Как сильная кислота С. к. вытесняет более слабые кислоты из их солей, например борную кислоту из буры:

Na2B 4 O 7 + H 2 SO 4 + 5H 2 O = Na 2 SO 4 + 4H 2 BO 3 , а при нагревании вытесняет более летучие кислоты, например:

NaNO 3 + H 2 SO 4 = NaHSO 4 + HNO 3 .

С. к. отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы - ОН. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной С. к. приводит к получению этилена или диэтилового эфира. Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и др. углеводов при контакте с С. к. объясняется также их обезвоживанием. Как двухосновная, С. к. образует два типа солей: сульфаты и гидросульфаты.

Получение

Первые описания получения «купоросного масла» (т. е. концентрированной С. к.) дали итальянский учёный В. Бирингуччо в 1540 и немецкий алхимик, чьи труды были опубликованы под именем Василия Валентина в конце 16 - начале17 вв. В 1690 французские химики Н. Лемери и Н. Лефевр положили начало первому промышленному способу получения С. к., реализованному в Англии в 1740. По этому методу смесь серы и селитры сжигалась в ковше, подвешенном в стеклянном баллоне, содержавшем некоторое количество воды. Выделявшийся SO3 реагировал с водой, образуя С. к. В 1746 Дж. Робек в Бирмингеме заменил стеклянные баллоны камерами из листового свинца и положил начало камерному производству С. к. Непрерывное совершенствование процесса получения С. к. в Великобритании и Франции привело к появлению (1908) первой башенной системы. В СССР первая башенная установка была пущена в 1926 на Полевском металлургическом заводе (Урал).

Сырьём для получения С. к. могут служить: сера, серный колчедан FeS2, отходящие газы печей окислительного обжига сульфидных руд Си, РЬ, Zn и других металлов, содержащие SO 2 . В СССР основное количество С. к. получают из серного колчедана. Сжигают FeS 2 в печах, где он находится в состоянии кипящего слоя . Это достигается быстрым продуванием воздуха через слой тонко измельченного колчедана. Получаемая газовая смесь содержит SO 2 , O 2 , N 2 , примеси SO 3 , паров Н 2 О, As 2 O 3 , SiO 2 и др. и несёт много огарковой пыли, от которой газы очищаются в электрофильтрах.

С. к. получают из SO 2 двумя способами: нитрозным (башенным) и контактным. Переработка SO 2 в С. к. по нитрозному способу осуществляется в продукционных башнях - цилиндрических резервуарах (высотой 15 м и более), заполненных насадкой из керамических колец. Сверху, навстречу газовому потоку разбрызгивается «нитроза» - разбавленная С. к., содержащая нитрозилсерную кислоту NOOSO 3 H, получаемую по реакции:

N 2 O 3 + 2H 2 SO 4 = 2 NOOSO 3 H + H 2 O.

Окисление SO 2 окислами азота происходит в растворе после его абсорбции нитрозой. Водою нитроза гидролизуется:

NOOSO 3 H + H 2 O = H 2 SO 4 + HNO 2 .

Сернистый газ, поступивший в башни, с водой образует сернистую кислоту: SO 2 + H 2 O = H 2 SO 3 .

Взаимодействие HNO 2 и H 2 SO 3 приводит к получению С. к.:

2 HNO 2 + H 2 SO 3 = H 2 SO 4 + 2 NO + H 2 O.

Выделяющаяся NO превращается в окислительной башне в N 2 O 3 (точнее в смесь NO + NO 2). Оттуда газы поступают в поглотительные башни, где навстречу им сверху подаётся С. к. Образуется нитроза, которую перекачивают в продукционные башни. Т. о. осуществляется непрерывность производства и круговорот окислов азота. Неизбежные потери их с выхлопными газами восполняются добавлением HNO 3 .

С. к., получаемая нитрозным способом, имеет недостаточно высокую концентрацию и содержит вредные примеси (например, As). Её производство сопровождается выбросом в атмосферу окислов азота («лисий хвост», названный так по цвету NO 2).

Принцип контактного способа производства С. к. был открыт в 1831 П. Филипсом (Великобритания). Первым катализатором была платина . В конце 19 - начале 20 вв. было открыто ускорение окисления SO 2 в SO 3 ванадиевым ангидридом V 2 O 5 . Особенно большую роль в изучении действия ванадиевых катализаторов и их подборе сыграли исследования советских учёных А. Е. Ададурова, Г. К. Борескова , Ф. Н. Юшкевича и др. Современные сернокислотные заводы строят для работы по контактному методу. В качестве основы катализатора применяются окислы ванадия с добавками SiO 2 , Al 2 O 3 , K 2 O, CaO, BaO в различных соотношениях. Все ванадиевые контактные массы проявляют свою активность только при температуре не ниже ~420 °С. В контактном аппарате газ проходит обычно 4 или 5 слоев контактной массы. В производстве С. к. контактным способом обжиговый газ предварительно очищают от примесей, отравляющих катализатор. As, Se и остатки пыли удаляют в промывных башнях, орошаемых С. к. От тумана H 2 SO 4 (образующейся из присутствующих в газовой смеси SO 3 и H 2 O) освобождают в мокрых электрофильтрах. Пары H 2 O поглощаются концентрированной С. к. в сушильных башнях. Затем смесь SO 2 с воздухом проходит через катализатор (контактную массу) и окисляется до SO 3:

SO 2 + 1/2O 2 = SO 3 .

SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4 .

В зависимости от количества воды, поступившей в процесс, получается раствор С. к. в воде или олеум .

В 1973 объём производства С. к. (в моногидрате) составлял (млн. т): СССР - 14,9, США - 28,7, Япония - 7,1, ФРГ - 5,5, Франция - 4,4, Великобритания - 3,9, Италия - 3,0, Польша - 2,9, Чехословакия - 1,2, ГДР - 1,1, Югославия - 0,9.

Применение

Серная кислота - один из важнейших продуктов основной химической промышленности. Для технических целей выпускаются следующие сорта С. к.: башенная (не менее 75% H 2 SO 4), купоросное масло (не менее 92,5%) и олеум, или дымящая С. к. (раствор 18,5-20% SO 3 в H 2 SO 4), а также особо чистая аккумуляторная С. к. (92-94%; разбавленная водой до 26-31% служит электролитом в свинцовых аккумуляторах). Кроме того, производится реактивная С. к. (92-94%), получаемая контактным способом в аппаратуре из кварца или Pt. Крепость С. к. определяют по её плотности, измеряемой ареометром. Большая часть вырабатываемой башенной С. к. расходуется на изготовление минеральных удобрений. На свойстве вытеснять кислоты из их солей основано применение С. к. в производстве фосфорной, соляной, борной, плавиковой и др. кислот. Концентрированная С. к. служит для очистки нефтепродуктов от сернистых и непредельных органических соединений. Разбавленная С. к. применяется для удаления окалины с проволоки и листов перед лужением и оцинкованием, для травления металлических поверхностей перед покрытием хромом, никелем, медью и др. Она используется в металлургии - с её помощью разлагают комплексные руды (в частности, урановые). В органическом синтезе концентрированная С. к. - необходимый компонент нитрующих смесей и сульфирующее средство при получении многих красителей и лекарственных веществ. Благодаря высокой гигроскопичности С. к. применяется для осушки газов, для концентрирования азотной кислоты.

Техника безопасности

В производстве серной кислоты опасность представляют ядовитые газы (SO 2 и NO 2), а также пары SO 3 и H 2 SO 4 . Поэтому обязательны хорошая вентиляция, полная герметизация аппаратуры. С. к. вызывает на коже тяжёлые ожоги, вследствие чего обращение с ней требует крайней осторожности и защитных приспособлений (очки, резиновые перчатки, фартуки, сапоги). При разбавлении надо лить С. к. в воду тонкой струей при перемешивании. Приливание же воды к С. к. вызывает разбрызгивание (вследствие большого выделения тепла).

Литература:

• Справочник сернокислотчика, под ред. Малина К. М., 2 изд., М., 1971;
• Малин К. М., Аркин Н. Л., Боресков Г. К., Слинько М. Г., Технология серной кислоты, М., 1950;
• Боресков Г. К., Катализ в производстве серной кислоты, М. - Л., 1954;
• Амелин А. Г., Яшке Е. В., Производство серной кислоты, М., 1974;
• Лукьянов П. М., Краткая история химической промышленности СССР, М., 1959.

И. К. Малина.

Где нет заводов для ее добывания - немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение”

Д.И. Менделеев

Серная кислота применяется в разнообразных производствах химической промышленности:

• минеральных удобрений, пластмасс, красителей, искусственных волокон, минеральных кислот, моющих средств;
• в нефтяной и нефтехимической промышленности:

• в цветной металлургии:

• в черной металлургии:

• в целлюлозно-бумажной, пищевой и легкой промышленности (для получения крахмала, патоки, отбеливания тканей) и т.д.

Производство серной кислоты

Серную кислоту в промышленности производят двумя способами: контактным и нитрозным.

Контактный способ производства серной кислоты

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах.

В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

Получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;

I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты.

Основное сырьё

сера - S

серный колчедан (пирит) - FeS 2

сульфиды цветных металлов - Cu 2 S , ZnS , PbS

сероводород – H 2 S

Вспомогательный материал

Катализатор - оксид ванадия – V 2 O 5

II. Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS 2 .

1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.

2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

III . Основные химические процессы:

4 FeS 2 + 11 O 2 t = 800° C → 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 + Q или сжигание серы S + O 2 t ° C → SO 2

2SO 2 + O 2 400-500° С ,V2O5 , p ↔ 2SO 3 + Q

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . Технологические принципы:

Принцип непрерывности;

Принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;

Принцип безотходного производства;

Принцип теплообмена;

Принцип противотока (“кипящий слой”);

Принцип автоматизации и механизации производственных процессов.

V . Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи →поступление оксида серы ( IV ) и кислорода в очистительную систему →в контактный аппарат →подача оксида серы ( VI ) в поглотительную башню.

VI . Охрана окружающей среды:

1) герметичность трубопроводов и аппаратуры

2) газоочистительные фильтры

VII . Химизм производства :

ПЕРВАЯ СТАДИЯ - обжиг пирита в печи для обжига в "кипящем слое".

Для получения серной кислоты используют, в основном,флотационный колчедан - отход производства при обогащении медных руд, содержащих смеси сернистых соединений меди и железа. Процесс обогащения этих руд происходит на Норильской и Талнахской обогатительных фабриках, которые и являются основными поставщиками сырья. Это сырье является более выгодным, т.к. серный колчедан добывают, в основном, на Урале, и, естественно, доставка его может быть очень дорогостоящей. Возможно использование серы , которая также образуется при обогащении руд цветных металлов, добываемых на рудниках. Поставщиками серы являются также ТОФ и НОФ. (обогатительные фабрики).

Уравнение реакции первой стадии

4FeS 2 + 11O 2 t = 800°C → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в "кипящем слое". Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета. В “кипящем слое” не слеживаются даже самые мелкие частицы пирита. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро. Если раньше для обжига пирита требовалось 5-6 часов, то теперь - всего несколько секунд. Притом, в “кипящем слое” можно поддерживать температуру 800°С.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe 2 O 3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).

Таким образом, выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Из печи выходит печной газ , состав которого: SO 2 , O 2 , пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз). Для удаления мелких частиц смесь направляем в электрофильтры, где идет очищение под действием тока высокого напряжения ~ 60000 В (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.

На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO 2 и кислорода О 2 .

ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO 2 в SO 3 кислородом в контактном аппарате.

Уравнение реакции этой стадии:

2 SO 2 + O 2 400-500°С, V 2 O 5 ,p ↔ 2 SO 3 + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO 3).

Из уравнения следует, что реакция обратимая, а, значит, на этой стадии необходимо поддерживать такие условия, чтобы равновесие смещалось в сторону выхода SO 3 , иначе нарушится весь процесс. Т.к. реакция идет с уменьшением объема (3 V ↔2 V ), то необходимо повышенное давление. Повышают давление до 7-12 атмосфер. Реакция экзотермическая, поэтому, учитывая принцип Ле-Шателье, при высокой температуре этот процесс вести нельзя, т.к. равновесие сдвинется влево. Начинается реакция при температуре = 420 градусов, но благодаря многослойности катализатора (5 слоев), мы можем ее повышать до 550 градусов, что значительно ускоряет процесс. Катализатор используют ванадиевый (V 2 O 5). Он дешевый, долго служит (5-6 лет), т.к. наиболее устойчив к действию ядовитых примесей. Кроме того, он способствует сдвигу равновесия вправо.

Смесь (SO 2 и O 2) нагревается в теплообменнике и движется по трубам, между которыми в противоположном направлении проходит холодная смесь, которую надо нагреть. В результате происходит теплообмен : исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.

ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO 3 серной кислотой в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO 3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде: SO 3 + H 2 O →H 2 SO 4 . Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H 2 SO 4 ·nSO 3 .

Уравнение реакции этого процесса:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 ·nSO 3

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Безводная серная кислота представляет собой тяжелую, вязкую жидкость, которая легко смешивается с водой в любой пропорции: взаимодействие характеризуется исключительно большим экзотермическим эффектом (~880 кДж/моль при бесконечном разбавлении) и может привести к взрывному вскипанию и разбрызгиванию смеси, если воду добавлять к кислоте; поэтому так важно всегда использовать обратный порядок в приготовлении растворов и добавлять кислоту в воду, медленно и при перемешивании.

Некоторые физические свойства серной кислоты приведены в таблице.

Безводная H 2 SO 4 — замечательное соединение с необычно высокой диэлектрической проницаемостью и очень высокой электропроводностью, которая обусловлена ионной автодиссоциацией (автопротолизом) соединения, а также эстафетным механизмом проводимости с переносом протона, обеспечивающим протекание электрического тока через вязкую жидкость с большим числом водородных связей.

Таблица 1. Физические свойства серной кислоты.

Получение серной кислоты

Серная кислота — самый важный промышленный химикат и самая дешевая из производимых в большом объеме кислот влюбой стране мира.

Концентрированную серную кислоту («купоросное масло») сначала получали нагреванием «зеленого купороса» FeSO 4 ×nH 2 O и расходовали в большом количестве на получение Na 2 SO 4 и NaCl.

В современном процессе получения серной кислоты используется катализатор, состоящий из оксида ванадия(V) с добавкой сульфата калия на носителе из диоксида кремния или кизельгура. Диоксид серы SO 2 получают сжиганием чистойсеры или при обжиге сульфидной руды (прежде всего пирита или руд Си, Ni и Zn) в процессе извлечения этихметаллов.Затем SO 2 окисляют до триоксида, а потом путем растворения в воде получают серную кислоту:

S + O 2 → SO 2 (ΔH 0 — 297 кДж/моль);

SO 2 + ½ O 2 → SO 3 (ΔH 0 — 9,8 кДж/моль);

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH 0 — 130 кДж/моль).

Химические свойства серной кислоты

Серная кислота - сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело:

H 2 SO 4 ↔H + + HSO 4 — .

Диссоциация по второй ступени

HSO 4 — ↔H + + SO 4 2-

протекает в меньшей степени. Константа диссоциации серной кислоты по второй ступени, выраженная через активности ионов, K 2 = 10 -2 .

Как кислота двухосновная, серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли серной кислоты называются сульфатами, а кислые - гидросульфатами.

Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов (клетчатка, сахар и т.д.), при действии на них концентрированной серной кислоты. Серная кислота отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля.

Концентрированная серная кислота, особенно горячая, — энергичный окислитель. Она окисляет HI и HBr (но не HCl) до свободных галогенов, уголь - до CO 2 , серу - до SO 2 . Указанные реакции выражаются уравнениями:

8HI + H 2 SO 4 = 4I 2 + H 2 S + 4H 2 O;

2HBr + H 2 SO 4 = Br 2 + SO 2 + 2H 2 O;

C + 2H 2 SO 4 = CO 2 + 2SO 2 + 2H 2 O;

S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O.

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости от её концентрации. Разбавленная серная кислота окисляет своим ионом водорода. Поэтому она взаимодействует только с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений только до водорода, например:

Zn + H 2 SO 4 = ZnSO 4 + H 2 .

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль PbSO 4 нерастворима.

Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий (концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например с медью, кислота восстанавливается до SO 2:

Cu + 2H 2 SO 4 = CuSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как диоксид, так и свободная сера и сероводород. Например, при взаимодействии с цинком могут протекать реакции:

Zn + 2H 2 SO 4 = ZnSO 4 + SO 2 + 2H 2 O;

3Zn + 4H 2 SO 4 = 3ZnSO 4 + S↓ + 4H 2 O;

4Zn + 5H 2 SO 4 = 4ZnSO 4 + H 2 S + 4H 2 O.

Применение серной кислоты

Применение серной кислоты меняется от страны к стране и от десятилетия к десятилетию. Так, например в США в настоящее время главная область потребления H 2 SO 4 — производство удобрений (70%), за ним следуют химическое производство, металлургия, очистка нефти (~5% в каждой области). В Великобритании распределение потребления по отраслям иное: только 30% производимой H 2 SO 4 используется в производстве удобрений, зато 18% идет на краски, пигменты и полупродукты производства красителей, 16% на химическое производство, 12% на получение мыла и моющих средств, 10% на производство натуральных и искусственных волокон и 2,5% применяется в металлургии.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1