Производство серной кислоты
Серную кислоту в промышленности производят из серы, сульфидов металлов, сероводорода и др. Один из вариантов — производство серной кислоты из пирита (серного колчедана) FeS2.
Основные стадии получения серной кислоты :
- Сжигание или обжиг серосодержащего сырья в кислороде с получением сернистого газа.
- Очистка полученного газа от примесей.
- Окисление сернистого газа в серный ангидрид.
- Взаимодействие серного ангидрида с водой.
Рассмотрим основные аппараты, используемые при производстве серной кислоты из пирита (контактный метод):
| Аппарат | Назначение и уравнения реакций | |||
| Печь для обжига | 4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2 + Q Измельченный очищенный 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 о С | |||
| Циклон | Из печи выходит печной газ, который состоит из SO2, кислорода, паров воды и мельчайших частиц оксида железа. Такой печной газ очищают от примесей. Очистку печного газа проводят в два этапа. Первый этап — очистка газа в циклоне. При этом за счет центробежной силы твердые частички ссыпаются вниз. | |||
| Электрофильтр | Второй этап очистки газа проводится в электрофильтрах. При этом используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра). | |||
| Сушильная башня | Осушку печного газа проводят в сушильной башне – снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льется концентрированная серная кислота. | |||
| Теплообменник | Очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. | |||
| Контактный аппарат | 2SO2 + O2 ↔ 2SO3 + Q В контактном аппарате производится окисление сернистого газа до серного ангидрида. Процесс является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO3):
Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоев катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню. | |||
| Поглотительная башня |
| Вложение | Размер |
|---|---|
| pr-vo_sernoy_kislotyref-t.doc | 662 КБ |
Предварительный просмотр:
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
Отрадненская средняя общеобразовательная школа
РЕФЕРАТ
на тему
«Получение серной кислоты контактным и нитрозным методами»
ученица 11 класса Леонова Т
учитель химии и биологии
- Серная кислота: химические свойства и применение…………….4
- Сырьевая база для производства серной кислоты………………. 9
- Производство серной кислоты……………………………………. 11
- Контактный способ производства серной кислоты……………. 11
- Нитрозный способ производства серной кислоты……………….16
- Производство серной кислоты и охрана окружающей среды……20
Список использованной литературы………………………………………24
«Едва ли найдется другое, искусственно добываемое вещество, столь часто применяемое в технике, как серная кислота. Где нет заводов для ее добывания — немыслимо выгодное производство многих других веществ, имеющих важное технические значение»
Серная кислота является одним из важнейших компонентов в производстве многих товаров: минеральных удобрений, химических волокон, красителей, цветных металлов, резинотехнических изделий и пластмасс, всевозможных химикатов и бумажно-целлюлозных изделий.
О важном месте серной кислоты в мировой экономике говорит тот факт, что за четверть столетия ее производство выросло более чем в три раза и в настоящее время составляет более 200 млн. тонн в год. Потребление серной кислоты, наряду с потреблением нефти, черных и цветных металлов, является важнейшим индикатором, характеризующим экономическую мощь государства. Неслучайно крупнейшими потребителями серной кислоты являются США и Китай с долями, соответственно, 21% и 19%. Серная кислота является важнейшим продуктом основной химической промышленности, занимающейся производством неорганических кислот, щелочей, солей, минеральных удобрений и хлора. По разнообразию применения серная кислота занимает первое место среди кислот. Наибольшее количество ее расходуется для получения фосфорных и азотных удобрений. Будучи нелетучей кислотой, серная кислота используется для получения других кислот — соляной, плавиковой, фосфорной, уксусной и т. д. Много ее идет для очистки нефтепродуктов — бензина, керосина и смазочных масел — от вредных примесей. В машиностроении серной кислотой очищают поверхность металла от оксидов перед покрытием (никелированием, хромированием и др.). Серная кислота применяется в производстве взрывчатых веществ, искусственного волокна, красителей, пластмасс и многих других. Ее употребляют для заливки аккумуляторов. В сельском хозяйстве она используется для борьбы с сорняками (гербицид). Таким образом, по разнообразию применения серная кислота занимает первое место среди кислот.
1. Серная кислота: свойства и применение
Серная кислота – тяжелая бесцветная маслянистая жидкость, растворяющаяся в воде в любых соотношениях. Она гигроскопичная, нелетучая, без запаха, не проводит электрический ток. При температуре 10,3°C затвердевает, образуя кристаллы, похожие на лёд. Температура кипения составляет 296,2 ° С, при дальнейшем повышении температуры она разлагается. Плотность 1,83 г/мл (200 °С). Это молекулярное вещество, относящееся к сильным двухосновным кислотам. Растворы SO 3 в серной кислоте называют олеумом, они образуют два соединения H 2 SO 4 •SO 3 и H 2 SO 4 •2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 + SO 3 =H 2 S 2 O 7 .
Химические свойства серной кислоты во многом зависят от её
концентрации. В лабораториях и промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя это деление условно (четкую границу между ними провести нельзя).
Взаимодействие с металлами
Разбавленная серная кислота взаимодействует с некоторыми металлами, например с железом, цинком, магнием, с выделением водорода:
Fe + H 2 SО 4 = FeSO 4 + H 2 ↑
Некоторые малоактивные металлы, такие как медь, серебро, золото, с разбавленной серной кислотой не реагируют.
Концентрированная серная кислота является сильным окислителем. Она окисляет многие металлы. Продуктами восстановления кислоты
обычно является оксид серы (IV), сероводород и сера (H 2 S и S образуется в реакциях кислоты с активными металлами: магнием, кальцием, натрием, калием и др.). Примеры реакций:
Cu+2H 2 SO 4 =CuSO 4 +SO 2 +2H 2 O
Mg+2H 2 SO 4 =MgSO 4 +SO 2 +2H 2 O или
4Mg+5H 2 SO 4 =4MgSO 4 +H 2 S+4H 2 O
Серная кислота высокой концентрации (практически безводная) не взаимодействует с железом в результате пассивации металла. Явление пассивации связано с образованием на поверхности металла прочной сплошной пленки, состоящей из оксидов или других любых соединений, которая препятствует контакту металла с кислотой. Благодаря пассивации можно перевозить и хранить концентрированную серную кислоту в стальной таре. Концентрированная серная кислота пассивирует также алюминий, никель, хром, титан.
Взаимодействие с неметаллами
Концентрированная серная кислота может окислять неметаллы, например:
S + 2H 2 SO 4 = 3SO 2 + 2H 2 O
Окислительные свойства концентрированной серной кислоты могут также проявляться с некоторыми сложными веществами – восстановителями, например:
2KBr+2H 2 SO 4 =Br 2 +SO 2 +K 2 SO 4 +2H 2 O
Взаимодействие с основными оксидами и основаниями.
Серная кислота проявляет все типичные свойства кислот. Так, она реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами с образованием солей. Как двухосновная кислота H 2 SO 4 образует два типа солей: средние соли – сульфаты и кислые соли – гидросульфаты.
Примеры реакций:
Al 2 O 3 +3H 2 SO 4 =Al 2 (SO 4 ) 3 +3H 2 O — сульфат алюминия
2KOH+H 2 SO 4 =K 2 SO 4 +2H 2 O — сульфат калия
KOH+H 2 SO 4 =KHSO 4 +H 2 O — гидросульфат калия
Гидросульфаты образуются, когда кислота берётся в избытке. Многие соли серной кислоты выделяются из растворов виде кристаллогидратов, например: Al 2 (SO 4 ) 3 ∙18H 2 O; Na 2 SO 4 ∙10H 2 O
Взаимодействие с солями
С некоторыми солями кислота вступает в реакции обмена , например:
CaCO 3 + H 2 SO 4 = CaSO 4 + CO 2 + H 2 O
BaCl 2 + H 2 SO 4 = ВаSO 4 + 2HCl
Последняя реакция является качественной на серную кислоту и ее соли: об их присутствии в растворе судят по образованию белого осадка BaSO 4 , который практически не растворяется в концентрированной азотной кислоте.
Взаимодействие с водой.
При растворении в воде серная кислота активно взаимодействует с ней образуя гидраты:
nH 2 O + H 2 SO 4 = H 2 SO 4 ∙ nH 2 O , где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.
Схема применения серной кислоты (рис.1)
Рисунок 1 — Основные направления использования серной кислоты
Серная кислота находит самое широкое применение. Самый крупный потребитель серной кислоты — производство минеральных удобрений. На 1 т Р2О5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH4)2SO4 — 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов, в металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, на металлообрабатывающих заводах серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Как известно, перед нанесением на металлические изделия электрическим методом никеля, хрома, меди их нужно тщательно очистить, протереть, обезжирить и, наконец, выдержать непродолжительное время в ванне с раствором серной кислоты. При этом она растворяет тончайший слой металла и с ним удаляются следы загрязнений. В то же время поверхность металла становится более шершавой: на ней появляются микроскопические углубления и выступы. Электролитические покрытия к такой поверхности лучше пристают и более прочно сцеплены с металлом. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. При переработке руд редких металлов большое значение имеет кислотный способ их расщепления. Обычно для этой цели используют наиболее дешевую нелетучую серную кислоту. Измельченную руду смешивают в определенной пропорции с серной кислотой и нагревают. Полученный раствор и осадок дальше перерабатывают химическим путем, исходя из химических свойств того элемента, который нужно выделить из раствора. На химическую переработку руд редких элементов расходуют тысячи тонн серной кислоты. Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефти и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота — необходимый компонент при получении многих красителей и лекарственных веществ. Широко применяются соли серной кислоты. Сульфат натрия (глауберова соль Nа2SO4 * 10Н2О) применяется для производства соды и в стекольной промышленности. Сульфат кальция распространен в природе в виде двуводного кристаллогидрата гипса (СаSO4 * 2Н2О) и безводной соли ангидрита (Са SO4). Ангидритовые вяжущие материалы получают путем обжига гипсового камня при повышенных температурах (600-700 оС) с различными добавками. При этом получают отделочный гипсовый цемент и кальцинированный гипс (экстрих-гипс). Эти материалы затвердевают значительно медленнее, чем полуводный гипс, и применяются для изготовления строительных растворов и бетонов малой прочности, а также искусственного мрамора, бесшовных настилов полов и др. Сульфат магния, или горькая соль (МgSO4*7Н2О) применяется в медицине как слабительное. Сульфат железа (II), или железный купорос (FеSO4*7Н2О) применяется для приготовления желтой кровяной соли (К4[Fе(СN)6]), чернил, для очистки воды и консервирования дерева. Сульфат меди, или медный купорос (СuSO4*5Н2О) применяется для борьбы с различными грибками — вредителями сельского хозяйства, для производства медных покрытий и получения различных соединений меди. Из растворов, содержащих сульфат трехвалентного металла (Fе3+, Аl3+, Сг3+) и сульфат одновалентного металла (К+, NН4+, Rb+), выкристаллизовываются двойные соли типа К2 SO4Al2(SO4)32*4H2O или КАl(SO4)3*12Н2О. Вместо калия и алюминия могут стоять в любом сочетании перечисленные элементы. Эти соединения называются квасцами. Квасцы существуют только в твердом виде. В растворе они ведут себя как две самостоятельные соли, т. е. как смесь сульфатов одно- и трехвалентных металлов. Разбавленные растворы серной кислоты и ее солей применяют в текстильной, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется для получения крахмала, патоки и ряда других продуктов. В электротехнике она используется в качестве электролита в аккумуляторах. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрации кислот. Наконец, серную кислоту применяют как компонент реакционной среды в процессах нитрования, в частности, при получении взрывчатых веществ.
- Сырьевая база для производства серной кислоты
Сырьем для производства серной кислоты могут быть различные серосодержащие вещества, но наибольшее практическое значение имеют колчедан, элементарная сера, сернистые газы цветной металлургии, сжигания угля, очистки нефти. Колчедан получают в основном как побочный продукт флотационного обогащения. Он имеет низкую себестоимость, хорошую транспортабельность, что делает его основным сырьем в сернокислотном производстве. Основу флотационного колчедана составляет пирит (FeS 2 ), содержащий до 45% железа и серу. В нем имеются также сульфиды мышьяка, селена и др., которые образуют газообразные соединения, попадают в сернистые газы и ухудшают их качество. Поэтому сернистые газы требуют дополнительной очистки, что усложняет технологическую схему производства. Достаточно распространенное сырье — элементарная сера. Она наиболее концентрированный серосодержащий ресурс. В результате более эффективны дальние перевозки, снижается расход сырья на выпуск единицы продукции более чем в 2 раза по сравнению с колчеданом. Процесс производства кислоты проще, требует меньших удельных капвложений, экологичнее. Чистая сера имеет достаточную тепловую способность (10000 кдж/кг), что позволяет при получении сернистого газа использовать ее не только как сырье для кислоты, но и как источник энергии в теплоэнергоблоках для собственных производственных целей и поставки другим потребителям (рис.1).Однако запасы элементарной серы в природе ограничены, асебестоимость ее добычи высокая. Это обусловливает повышенную стоимость конечного продукта по сравнению с кислотой, полученной из колчедана. Наиболее эффективное сырье для выпуска кислоты — сернистые газы цветной металлургии, очистки нефти, сероводород природного газа. Себестоимость тонны кислоты из них в 2,5 — 6 раз меньше, чем из элементарной серы и колчедана, сам процесс достаточно экологичен, а в окружающую среду в результате утилизации серы не попадают вредные соединения. Техногенные выбросы серы в атмосферу вдвое превышают ее мировую добычу в качестве сырья для промышленности. Значительные запасы серы в сульфатах — гипсе, ангидриде. Однако эти виды сырья менее эффективны из-за больших энергетических затрат в производстве.
Источник
