Содержание 
 

 

Введение

     Серная  кислота – наиболее сильная и  самая дешевая кислота. Среди  минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не разрушает черные металлы, в то же время является одной из самых сильных кислот, в широком диапазоне температур (от –40…-20 до 260 – 336,5⁰С) находится в жидком состоянии. Она широко используется в производстве минеральных удобрений, различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и т.д. Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и других отраслях промышленности, используется в качестве водоотталкивающего и осушающего средства, применяется в процессах нейтрализации, травления и т.д. Наиболее важные области применения серной кислоты отражены на схеме.

     Еще в XIII веке серную кислоту получали в  незначительных количествах термическим  разложением железного купороса FeSO₄ , поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом, хотя уже давно серная кислота не производится из купороса.

     В настоящее время серная кислота  производится двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в  конце ХIХ и начале ХХ века. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). Первой стадией сернокислотного производства по любому методу является получение диоксида серы при сжигании сернистого сырья. После очистки диоксида серы (особенно в контактном методе) ее окисляют до триоксида серы, который соединяют с водой с получением серной кислоты. Окисление SO₂ в SO₃ в обычных условиях протекает крайне медленно. Для ускорения процесса применяют катализаторы.

     В настоящее время контактным методом  получают концентрированную серную кислоту, олеум и 100% серный ангидрид.

     Одновременно  с увеличением объема производства серной кислоты расширяется ассортимент  продукции сернокислотных заводов, организуется выпуск особо чистой кислоты, 100% SO₂, высококачественного олеума и кислоты, а также увеличивается производство новых продуктов на основе SO₂. Кроме олеума, концентрированной серной кислоты и аккумуляторной кислоты, отечественные заводы выпускают также более чистую контактную кислоту улучшенного качества (для производства искусственного волокна, титановых белил и др.), чистый олеум, химически чистую и реактивную серную кислоту.

     Исходным веществом для производства серной кислоты служит сернистый ангидрид SO₂, который получают обжигом различного серосодержащего сырья. Переработка сернистого ангидрида в серную кислоту заключается в его окислении и присоединении воды:

     2SO₂ + O₂ = 2SO₃;

     SO₃ + H₂O = H₂SO₄.

     Скорость взаимодействия сернистого ангидрида с кислородом в обычных условиях очень мала. Поэтому в промышленности эту реакцию проводят либо в присутствии катализатора – контактный метод производства серной кислоты, – или же в качестве окислителя (передатчика кислорода) применяют нитрозу – нитрозный метод производства серной кислоты.

     Основным сырьем для получения сернистого ангидрида и, следовательно, серной кислоты являются флотационный колчедан, содержащий пирит FeS₂, элементарная сера (S) и отходящие газы цветной металлургии, содержащие SO₂. Из флотационного колчедана получают 45 % серной кислоты, из серы – 25 %, из отходящих газов – 25 % и из разного сырья – 5 %.

     На практике для окисления сернистого ангидрида используют контактный метод, по этому методу получают 85 % всей серной кислоты.

     За  последние годы в процессе производства серной кислоты внесены существенные улучшения. Широко применяется обжиг  колчедана в кипящем слое и сжигание серы в циклонной печи, значительно увеличивается использование тепла, выделяющегося при обжиге сырья, и на других стадиях производства серной кислоты. Непрерывно повышается производительность башенных сернокислотных систем в результате поддержания оптимального технологического режима, разработанного на основе исследований; интенсивность башенных систем достигает 250 кг/м³ в сутки. Освоен контактно-башенный процесс производства серной кислоты, при котором расход HNO₃ составляет 6 – 7 кг на 1 тонну H₂SO₄.

     Целью данной работы является изучение стадии сжигания серы 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

 

       В качестве сырья для производства серной кислоты применяют элементарную серу, серный колчедан, серосодержащие промышленные отходы.

       Серный  колчедан содержит от 35 до 50% серы. Совместно  с серным колчеданом часто залегают сульфидные руды, которые подвергаются обжигу, в результате чего образуется значительное количество сернистых газов. Их так же целесообразно использовать для производства серной кислоты.

       В последнее время в качестве сернокислотного  сырья используют сероводородные газы, образующиеся при переработке нефти, коксовании углей, а также получаемые при очистке природного газа.

       Наиболее  удобным сырьем сернокислотного производства является сера, выделяемая из самородных руд или из побочных продуктов ряда производств (газовая сера). Однако стоимость серы значительно выше, чем колчедана; кроме того, сера необходима для производства резины, спичек, сероуглерода, ядохимикатов, лекарственных препаратов и т.д. [7].

     Элементарную  серу получают из самородных руд (природных  месторождений) или из газов, содержащих SО₂ либо H₂S. Сера, полученная из газов, называется газовой серой.

     Сера  - ценное сырье для получения серной кислоты, так как при сжигании ее образуется концентрированный газ с высоким содержанием SО₂ и кислорода. Газ этот чистый (в самородной сере содержатся незначительные количества мышьяка), при обжиге серы не остается огарка, поэтому схема переработки этого вида сырья на серную кислоту упрощается и является более экономичной. До 50% осей элементной серы в мире расходуется на производство серной кислоты. Остальные 50% потребляют сельское хозяйство, целлюлозно-бумажная и другие отрасли промышленности.

     В последние годы особенно возрос объем производства серы из природных газов, содержащих сероводород (например, во Франции и Канаде).

     Относительная атомная масса серы 32,064. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Она существует в двух кристаллических формах — ромбической и моноклинной:

     Температура кипения серы 444,6° С. При нагревании сера плавится, плавление сопровождается увеличением объема. При 120°С расплавленная сера легкоподвижна, при 190°С это темно-коричневая вязкая масса, а при 400° С расплав становится снова легкоподвижным. Это связано с изменением структуры молекул при изменении температуры.