Содержание 
 

 

Введение

     Серная  кислота – важнейший продукт  основой  химической промышленности. Среди минеральных кислот она  по объему производства и потребления занимает первое место, поэтому изучение свойств и методов получения серной кислоты весьма актуально.

     Серную  кислоту применяют в различных  отраслях народного хозяйства, поскольку  она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не корродирует черные металлы, способна образовывать многочисленные устойчивые соли и является дешевым сырьем для различных производств.

     Крупнейшим  потребителем серной кислоты в настоящее время является промышленность фосфорных и азотных минеральных удобрений, таких как сульфат аммония, аммофос, суперфосфат и др. Простой суперфосфат получают обработкой апатитов и фосфоритов серной кислотой. Применение минеральных удобрений способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и содержания в них полезных веществ.

     Кроме того, серная кислота применяется  для производства некоторых кислот (фосфорной, соляной, уксусной), сульфатов, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, ядохимикатов, а также при производстве цветных и редких металлов, спиртов, эфиров.  Она расходуется на очистку нефтепродуктов, в качестве электролита в кислотных аккумуляторах, в машиностроении – на подготовку поверхности металлов при нанесении гальванических покрытий.  В металлообрабатывающей промышленности серная кислота и ее соли применяют для травления стальных изделий [5].

     Целью данной работы является изучение стадии обжига серного колчедана при производстве серной кислоты.

 

1 Серная кислота:  применение, свойства

1.1 Применение серной  кислоты и олеума 

       Области применения серной кислоты и олеума весьма разнообразны. Значительная часть  ее используется в производстве минеральных  удобрений (30 – 60%),  производстве красителей (2 – 16%), химических волокон (5 – 15%), в металлургии (2 – 3%). Она применяется для различных технологических целей в текстильной, пищевой и других отраслях промышленности и народного хозяйства (рисунок 1.1).  

       

Рисунок 1.1 – Применение серной кислоты

1.2 Физические свойства  серной кислоты

       Безводная серная кислота – бесцветная тяжелая, маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, способная вызывать ожоги кожи.  Плотность при 20°С 1,84 г/см³. Температура кристаллизации 10,37°С. Температура кипения моногидрата 296,2°С. При нагревании выше температуры кипения начинает разлагаться:

       H₂SO₄ → SO₃ + H₂O

       Смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях, образуя гидраты H₂SO₄·nH₂O, где n = 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Вследствие образования гидратов при разбавлении водой происходит сильное разогревание серной кислоты.

       Температура кипения серной кислоты зависит от ее концентрации. С повышением концентрации водной серной кислоты температура кипения ее возрастает и достигает максимума 336,5°С при концентрации 98,3%, что соответствует азеотропному составу, после чего снижается (таблица 1.1) [1]. 

       Таблица 1.1

       

1.3 Химические свойства  концентрированной  серной кислоты

       Концентрированная серная кислота является сильным  окислителем. Окисляет HI и частично НВг до свободных галогенов, углерод – до СО₂, S – до SO₂, окисляет многие металлы. Проведение окислительно-восстановтельных реакций с участием H₂SO₄ обычно требует нагревания. Часто продуктом восстановления является SO₂:

       S + 2 H₂SO₄ = 3SO₂ ↑+ 2H₂O

       C + 2 H₂SO₄ = 2SO₂ ↑+ CO₂ ↑+ 2H₂O

       H₂S + H₂SO₄ = SO₂ ↑+ 2H₂O + S↓

       Сильные восстановители превращают H₂SO₄ в S или H₂S.

       Концентрированная серная кислота при нагревании реагирует  почти со всеми металлами (исключая Au, Pt, Be, Bi, Fe, Mg, Co, Ru, Rh, Os, Ir), например:

       Cu + 2 H₂SO₄ = CuSO₄  + SO₂ ↑+ 2H₂O

       Серная  кислота образует соли – сульфаты (Na₂SO₄) и гидросульфаты (NaHSO₄). Нерастворимы соли – PbSO₄, CaSO_4, BaSO₄ и др.:

       H₂SO₄ + BaCl₂ = BaSO₄↓ + 2HCl

       Холодная серная кислота пассивирует железо, поэтому ее перевозят в железной таре. Безводная серная кислота хорошо растворяет SO₃ и реагирует с ним, образуя пиросерную кислоту, получающуюся по реакции:

       Н₂SO₄ + SO₃=H₂S₂O₇

       Растворы SO₃ в серной кислоте называются олеумом. Они образуют два соединения: H₂SO₄·SO₃ и H₂SO₄·2SO₃ [5].

1.4 Химические свойства  разбавленной серной  кислоты

       Окислительные свойства для разбавленной серной кислоты  нехарактерны. Разбавленная серная кислота обладает химическими свойствами, характерными для всех кислот: взаимодействует с основаниями, с основными и амфотерными оксидами, с солями:

       H₂SO₄ + 2NaOH = Na₂SO₄ + 2H₂O

       H₂SO₄ + CaO = Ca SO₄ + H₂O

       H₂SO₄ + СaCO₃ = Ca SO₄ + CO₂ ↑+ H₂O

       При взаимодействии разбавленной серной кислоты  с металлами, стоящими в ряду стандартных электродных потенциалов левее водорода, образуются соли серной кислоты (сульфаты) и выделяется водород:

       Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

       Свинец  не растворяется в разбавленной серной кислоте вследствие образования  на его поверхности нерастворимого сульфата свинца [6].

2.Выбор и обоснование источников сырья

 

     Для получения серной кислоты используют серу или содержащие серу соединения, из которых может быть получен  сернистый ангидрид.

     Один  из распространенных видов сырья  для получения серной кислоты — пирит, или серный колчедан   FeS₂.

       Встречается соединение серы с двумя металлами, например с медью  и железом (халькопирит). Серу содержат      сульфаты: гипс     (сульфат   кальция), мирабилит (сульфат натрия), глауберит (сульфат  натрия и кальция)    и др. Сера есть в угле, нефти, горючих и топочных газах.

     Много серы в виде сернистого ангидрида  имеется в составе отходящих газов металлургических печей. Сера содержится и в сероводороде, получающемся при коксовании угля или содержащемся в генераторном газе, газах нефтепереработки, попутных нефтяных газах и природном газе. Иногда для производства серной кислоты используют отходы некоторых производств, применяющих серную кислоту. Это кислые гудроны, травильные растворы, фосфогипс и др.

     В разных странах соотношение различных видов сырья, применяемого для производства серной кислоты, неодинаково. Большинство стран в качестве основного сырья использует серный колчедан, в США серную кислоту получают преимущественно из серы. Следует, од-, нако, отметить, что доля колчедана в общем балансе се-русодержащего сырья уменьшается из-за все более широкого использования серы.

     Серный  колчедан

     Основные  залежи колчедана имеются в России (главным образом на Урале), в Испании, Японии, Канаде, Индии, Португалии, Италии, Норвегии.

     Серный  колчедан FeS₂ содержит 53,4% S и 46,6% Fe.

     Существуют  следующие сорта колчедана: рядовой, флотационный и пиритный концентрат. Рядовой колчедан добывают в рудниках в виде кусков размером 50— 400 мм. Флотационный колчедан получается как отход при флотационном обогащении руд, содержащихся в качестве примесей к рядовому колчедану. Пиритный концентрат получают при вторичной флотации колчедана с отделением пустой породы.

     Флотационный  метод обогащения основан на различной смачиваемости зерен отдельных минералов водой. Частицы несмачиваемого (гидрофобного) минерала, не преодолевая сил поверхностного натяжения воды, остаются на ее поверхности. Частицы смачиваемого (гидрофильного) материала обволакиваются пленкой жидкости и увлекаются на дно аппарата. Минерал, плавающий на поверхности, снимают, отделяя от руды.

     Флотацию  проводят во флотационных машинах различного типа. Процесс флотации заключается в смешивании раздробленного колчедана с водой и флотореагентами — пенообразующими веществами (деготь, хвойные масла и др.)» и продувании воздуха. Гидрофобные частицы отделяемой примеси колчедана (например, медь) прилипают к воздушным пузырькам и всплывают с ними (это концентрат), а колчедан осаждается на дно (флотационный колчедан, или флотохвосты). Вторичная флотация флотохвостов с применением другого флотореагента дает пиритный концентрат. Пиритный концентрат часто называют тоже флотационным колчеданом.

     Перед отправкой потребителю флотационный колчедан высушивают до содержания в нем влаги 3,8%.

     Серный  колчедан может содержать примеси  соединений меди, цинка, свинца, мышьяка, никеля, кобальта, селена, висмута, теллура, кадмия, карбонаты и сульфаты кальция и магния, а также золото и серебро. Содержание селена составляет до 220 г/т, золота до 4 г/т, серебра до 40 г/т, мышьяка до 0,4%, фтора до 0,02%.

     Флотационный  колчедан содержит те же примеси, но в  меньших концентрациях. Средние  данные о химическом составе флотационного  колчедана, поступающего на сернокислотные заводы, следующие:

     В качестве сырья для серной кислоты может «быть применен также углистый колчедан. Он получается путем отделения от углей (сортировкой и грохочением) и содержит до 18% углерода (именно с этим связано его название).

3. Синтез и анализ ХТС

     Первой  стадией процесса является окисление сырья с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы.

                          4FeS₂ +11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂                             (I)