Производство серной кислоты
 Скачать 36.34 Kb.
|
|
Производство серной кислоты Ежегодно в мире получают свыше 150 тонн серной кислоты, основное количество которой расходуют на производство минеральных удобрений и на очистку нефти и нефтепродуктов. Серная кислота также находит применение в металлургии, при получении красителей и лекарств, других кислот и солей, как окислитель и водоотнимающее средство в лабораторной практике. Схематично процесс производства серной кислоты можно выразить схемой:  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; - уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами. I. Сырьё, используемое для производства серной кислоты. Основное сырьё: сера - S серный колчедан (пирит) - FeS2 сульфиды цветных металлов - Cu2S, ZnS, PbS сероводород – H2S Вспомогательный материал: катализатор - оксид ванадия – V2O5 II. Подготовка сырья. Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2. 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. 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. 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. 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. Уравнение реакции первой стадии 4FeS2 + 11O2 t = 800°C→ 2Fe2O3 + 8SO2 + 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 Fe2O3 (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. Печной газ, полученный при обжиге пирита, содержит примеси: огарок Fe2O3, N2, O2, примеси Cu, Ag, Zn, соединения As, водяные пары. Поэтому вначале необходимо этот газ очистить от пыли. Это осуществляется при помощи 2 аппаратов: циклона и электрофильтра. Вначале газ направляют на очистку от крупной пыли в циклон. Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Газ подается сбоку в наружный цилиндр и перемещается сверху вниз по спирали. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам наружного цилиндра и падают в бункер, откуда затем удаляются. Очищенный газ по внутреннему цилиндру из аппарата уходит. Циклон – простой и экономичный аппарат, но он не очищает газ от мелких пылинок. От мелкой пыли газ очищают в электрофильтре. Он состоит из мелких сеток, между которыми протянута проволока . К ней подведен ток высокого напряжения(60000 В). При этом проволока заряжается «-», сетки «+» . газ поступает в камеру снизу. Под действием сильного электрического поля частицы пыли ионизируются и притягиваются к сеткам. Там они теряют свой заряд и падают вниз, в специальный бункер. Но газ еще насыщен водяным паром, поэтому далее его направляют в сушильную башню. Сушильная башня заполнена керамическими кольцами, чтобы увеличить площадь соприкосновения газа и концентрированной серной кислоты. Сернистый газ поступает в башню снизу, а сверху разбрызгивается концентрированная серная кислота (принцип противотока). Кислота, стекая по кольцам вниз, образует на их поверхности пленку. При этом площадь соприкосновения кислоты и газа многократно увеличивается. Очищенный газ подогревают в теплообменнике, используя тепло II стадии процесса: газовую смесь перед началом реакции окисления сернистого газа нужно нагреть, т.к. в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом помещают теплообменник. Горячий газ из контактного аппарата пропускают по трубам теплообменника, а между ними в противоположном направлении пропускают подогреваемую смесь газов. Таким образом происходит теплообмен между продуктами реакции и исходными веществами, поступающими в контактный аппарат. ВТОРАЯ СТАДИЯ – каталитическое окисление SO2 в SO3 кислородом в контактном аппарате. Уравнение реакции этой стадии: 2SO2 + O2 400-500°С,V2O5,p ↔2SO3 + Q Процесс желательно проводить при низких температурах. В то же время, если не прибегать к нагреванию, скорость реакции, то есть скорость достижения состояния равновесия, оказывается необычайно низкой. Окисление происходит с заметной скоростью только при температуре выше 400°C. Процесс проводят в контактном аппарате, представляющем собой цилиндр. В нем, на специальных полках, слоями размещен катализатор (V2O5). Между полками с катализатором размещаются трубки теплообменника. При этом одновременно решается проблема нагревания сернистого газа и охлаждения до необходимой температуры серного газа (принцип теплообмена). ТРЕТЬЯ СТАДИЯ - поглощение SO3 серной кислотой в поглотительной башне. nSO3 + H2SO4 → H2SO4·nSO3 Поглощение серного газа происходит в поглотительной башне, заполненной керамическими кольцами. Газ подается снизу, а сверху разбрызгивается 98% серная кислота. Поглощать серный газ водой нельзя, т.к. над ней всегда находится пар, который образует с серным газом поглотительных башнях, по устройству напоминающих сушильные. При этом используют очень устойчивый сернокислый туман, который не поглощается водой. Процесс осуществляют в специальных принцип противотока – пары серного ангидрида подаются снизу, а навстречу ему сверху течет серная кислота. Продуктом взаимодействия концентрированной серной кислоты с серным ангидридом является олеум – раствор серного ангидрида в серной кислоте. В отличие от концентрированной серной кислоты олеум сильно дымит – из него выделяется серный ангидрид. При растворении олеума в воде образуется серная кислота. Олеум хранят и перевозят в стальных цистернах – при комнатной температуре сталь устойчива к действию концентрированной серной кислоты и серного ангидрида. Химические свойства серной кислоты: H2SO4 — сильная двухосновная кислота, одна из самых сильных минеральных кислот, из-за высокой полярности связь Н – О легко разрывается. 1) В водном растворе серная кислота диссоциирует, образуя ион водорода и кислотный остаток: H2SO4 = H+ + HSO4—; HSO4— = H+ + SO42-. Суммарное уравнение: H2SO4 = 2H+ + SO42-. 2) Взаимодействие серной кислоты с металлами: Разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода: Zn0 + H2+1SO4(разб) → Zn+2SO4 + H2 3) Взаимодействие серной кислоты с основными оксидами: CuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O 4) Взаимодействие серной кислоты с гидроксидами: H2SO4 + 2NaOH → Na2SO4 + 2H2O H2SO4 + Cu(OH)2 → CuSO4 + 2H2O 5) Обменные реакции с солями: BaCl2 + H2SO4 → BaSO4↓ + 2HCl Образование белого осадка BaSO4 (нерастворимого в кислотах) используется для обнаружения серной кислоты и растворимых сульфатов (качественная реакция на сульфат ион). Особые свойства концентрированной H2SO4 : 1) Концентрированная серная кислота является сильным окислителем; при взаимодействии с металлами (кроме Au, Pt) восстанавливаться до S+4O2, S0 или H2S-2 в зависимости от активности металла. Без нагревания не реагирует с Fe, Al, Cr – пассивация. При взаимодействии с металлами, обладающими переменной валентностью, последние окисляются до более высоких степеней окисления, чем в случае с разбавленным раствором кислоты: Fe0 →Fe3+, Cr0 →Cr3+, Mn0 →Mn4+,Sn0 →Sn4+ Активный металл 8 Al + 15 H2SO4(конц.)→4Al2(SO4)3 + 12H2O + 3H2S 4│2Al0 – 6e— → 2Al3+ — окисление 3│ S6+ + 8e → S2– восстановление 4Mg+ 5H2SO4 → 4MgSO4 + H2S + 4H2O Металл средней активности 2Cr + 4 H2SO4(конц.)→ Cr2(SO4)3 + 4 H2O + S 1│ 2Cr0 – 6e →2Cr3+— окисление 1│ S6+ + 6e → S0 – восстановление Металл малоактивный 2Bi + 6H2SO4(конц.)→ Bi2(SO4)3 + 6H2O + 3SO2 1│ 2Bi0 – 6e → 2Bi3+ – окисление 3│ S6+ + 2e →S4+ — восстановление 2Ag + 2H2SO4 →Ag2SO4 + SO2 + 2H2O 2) Концентрированная серная кислота окисляет некоторые неметаллы как правило до максимальной степени окисления, сама восстанавливается до S+4O2: С + 2H2SO4(конц) → CO2 + 2SO2 + 2H2O S+ 2H2SO4(конц) → 3SO2 + 2H2O 2P+ 5H2SO4(конц)→5SO2 + 2H3PO4 + 2H2O 3) Окисление сложных веществ: Серная кислота окисляет HI и НВг до свободных галогенов: 2 КВr + 2Н2SO4 = К2SО4 + SO2 + Вr2 + 2Н2О 2 КI + 2Н2SО4 = К2SO4 + SO2 + I2 + 2Н2О Концентрированная серная кислота не может окислить хлорид-ионы до свободного хлора, что дает возможность получать НСl по реакции обмена: NаСl + Н2SO4(конц.) = NаНSO4 + НСl Серная кислота отнимает химически связанную воду от органических соединений, содержащих гидроксильные группы. Дегидратация этилового спирта в присутствии концентрированной серной кислоты приводит к получению этилена: С2Н5ОН = С2Н4 + Н2О. Обугливание сахара, целлюлозы, крахмала и др. углеводов при контакте с серной кислотой объясняется также их обезвоживанием: C6H12O6 + 12H2SO4 = 18H2O + 12SO2↑ + 6CO2↑. Получение серной кислоты Серную кислоту получают окислением серы (S) сначала до оксида серы (сернистого газа SO2), а затем окислением сернистого газа до триоксида серы (сернистого ангидрида SO3) (на рисунке слева): S + O2 → SO2 - сернистый газ - с удушливым запахом серы. SO2 + O2 → SO3. Эта химическая реакция производится на катализаторе (оксиде ванадия V2O5). Вещество SO3 - сернистый ангидрид - очень гигроскопичное кристаллическое прозрачное вещество, жадно поглощающее воду с образованием серной кислоты: SO3 + H2O → H2SO4 |