Материал: Физические и химические свойства серной кислоты

Физические и химические свойства серной кислоты

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ФИЗИО-ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА

.1 Равновесная степень превращения

.2 Скорость реакции S02 в S03

.3 Окисление S02 на катализаторе в кипящем слое

ТЕХНОЛОГИЯ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

.1 Сырье для технологии

.2 Технологическая схема производства серной кислоты и ее описание

.3 Отходы в технологии серной кислоты и способы их утилизации

.4 Предельно-допустимые концентрации газов, паров и пыли в производстве серной кислоты

КОНСТРУКЦИЯ ОСНОВНОГО АППАРАТА

.1 Олеумный абсорбер

.2 Моногидратный абсорбер

.3 Технологические характеристики абсорберов

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ТЕХНОЛОГИИ

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Серная кислота - один из основных продуктов химической промышленности. Ее применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, не имеет цвета и запаха, при обычной температуре находится в жидком состоянии, в концентрированном виде не корродирует черные металлы. В то же время, серная кислота относится к числу сильных минеральных кислот, образует многочисленные устойчивые соли и дешева.

Химический состав серной кислоты выражается формулой H2SO4.

В технике под серной кислотой понимают любые смеси оксида серы с водой. Если на 1 моль SО3 приходится более 1 моль воды, то смеси являются водными растворами серной кислоты, а если менее - растворами серного ангидрида в серной кислоте (олеум) или дымящей серной кислотой.

Среди минеральных кислот серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Мировое производство ее за последние 25 лет выросло более чем в три раза и составляет в настоящее время более 160 млн. т в год.

Серная кислота используется для производства удобрений - суперфосфата, аммофоса, сульфата аммония и др. Значителен ее расход при очистке нефтепродуктов, а также в цветной металлургии, при травлении металлов. Особо чистая серная кислота используется в производстве красителей, лаков, красок, лекарственных веществ, некоторых пластических масс, химических волокон, многих ядохимикатов, взрывчатых веществ, эфиров, спиртов и т. п.

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 (1)+ 2 H2SO4 = 2SO2 + CO2 + 2H2O (2)S + H2SO4= SO2+ 2H2O + S (3)

Сильные восстановители превращают H2SO4в 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 (4)

Серная кислота образует соли - сульфаты (Na2SO4) и гидросульфаты (NaHSO4). Нерастворимы соли - PbSO4, CaSO4, BaSO4 и др.:

H2SO4+ BaCl2 = BaSO4 + 2HCl (5)

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:

H2SO4+ SO3=H2S2O7 (6)

Растворы SO3 в серной кислоте называются олеумом. Они образуют два соединения: H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3 [1]

По стандартам различают техническую и аккмуляторную серные кислоты.

Кислота серная техническая ГОСТ 2184-77

Техническая серная кислота разработана для производства удобрений, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, этилового спирта, анилиновых красителей и целого ряда других производств. По ГОСТ 2184-77 различают следующие виды технической серной кислоты:

·              контактную (улучшенную и техническую);

·              олеум (улучшенный и технический);

·              башенную;

·              регенерированную.

По физико-химическим показателям, необходимо чтобы серная кислота соответствовала нормам:

Кислота серная аккумуляторная ГОСТ 667-73

Концентрированная аккумуляторная серная кислота специализирована в качестве электролита для заливки свинцовых аккумуляторов после разбавления ее дистиллированной водой. По физико-химическим показателям, необходимо чтобы аккумуляторная серная кислота соответствовала нормам, указанным в таблице.

В данной работе рассматривается важнейшая задача работников сернокислотной промышленности, которая заключается в дальнейшем усовершенствовании производства путем использования передового опыта. внедрения прогрессивных приемов и методов работы, а также в разработке принципиально новых способов производства серной кислоты на основе последних достижений науки и техники.

Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО2 в SО3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы - снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО2.

серная кислота абсорбер

1.     
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

В современном производстве серной кислоты исходным сырьем является диоксид серы (сернистый ангидрид), кислород и вода, взаимодействие между ними протекает по суммарному стехиометрическому уравнению:

SО2 +1/2О2 +nН2О  Н2SО4+(n-1)Н2О+Q (7)

Этот процесс осуществляется двумя способами - нитрозным и контактным.

Нитрозный способ окисления SO2 до SO3 происходит в основном в жидкой фазе и основан на передаче кислорода с помощью оксидов азота. Оксиды азота, окисляя SO2 до SO3, восстанавливаются до NO, который снова окисляется кислородом газовой смеси как в жидкой, так и в газовой фазах.

Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ после очистки от пыли обрабатывается серной кислотой, в которой растворены оксиды азота, так называемой нитрозой. Диоксид серы поглощается нитрозой и затем окисляется оксидами азота по реакции

SO2 + N2O3 + Н2O = H2SO4 + 2NO (8)

Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и поэтому выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до диоксида NO2. Смесь оксидов азота NO и NO2 вновь поглощается серной кислотой и т. д. Оксиды азота, по существу, не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производственный цикл. Однако вследствие неполного поглощения их серной кислотой они частично уносятся отходящими газами; это составляет невозвратимые потери оксидов.

Переработка SO2 в серную кислоту по нитрозному способу осуществляется в продукционных башнях - цилиндрических резервуарах (высотой 15 м и более), заполненных насадкой из глиняных колец. Сверху, навстречу газовому сгустку разбрызгивается "нитроза" - разбавленная серная кислота, содержащая нитрозилсерную кислоту NOOSO3H, получаемую по реакции:

O3 + 2 H2SO4 = 2 NOOSO3H + H2O (9)

Окисление SO2 окислами азота происходит в растворе после его абсорбции нитрозой. Водой нитроза гидролизуется:

H + H2O = H2SO4 + HNO2 (10)

Сернистый газ, поступивший в башни, с водой образует сернистую кислоту:

+ H2O = H2SO3 (11)

Взаимодействие HNO2 и H2SO3 приводит к получению серной кислоты:

2 HNO2 + H2SO3 = H2SO4 + 2 NO + H2O (12)

Выделяющаяся NO преобразуется в окислительной башне в N2O3 (поточнее в консистенция NO + NO2). Оттуда газы поступают в поглотительные башни, где навстречу им сверху подаётся серная кислота. Появляется нитроза, которую перекачивают в продукционные башни. Таковым образом осуществляется непрерывность производства и круговорот окислов азота. Неизбежные утраты их с выхлопными газами восполняются добавлением HNO3.

Серная кислота, получаемая нитрозным методом, имеет недостаточно высшую концентрацию и содержит вредные примеси (к примеру, As). Её создание сопровождается выбросом в атмосферу окислов азота ("лисий хвост", названный так по цвету NO2).

В нижней части башен скапливается 76 % серная кислота, естественно, в большем количестве, чем ее было затрачено на приготовление нитрозы (ведь добавляется «новорожденная» серная кислота).

Недочет башенного способа в том, что приобретенная кислота имеет концентрацию только 76 % (при большей концентрации плохо идет гидролиз нитрозилсерной кислоты). Концентрирование же серной кислоты упариванием представляет дополнительную трудность. Преимущество этого способа в том, что примеси находящиеся в SO2, не влияют на ход процесса, так что начальный SO2 довольно очистить от пыли, т.е. механических загрязнений.

Раньше нитрозный процесс осуществляли в свинцовых камерах, потому он назывался камерным способом, В настоящее время этот способ, как малопроизводительный, не применяется. Вместо него применяют башенный способ, по которому все основные и промежуточные процессы переработки SO2 протекают не в камерах, а в башнях, заполненных насадкой и орошаемых серной кислотой [4].

Контактный метод. Открытие Филлипсом в Англии в 1831 г. возможности окисления SO2 кислородом на поверхности твердого платинового катализатора получило широкое применение только в 70-х годах XIX столетия. Столь позднее освоение объясняется, во-первых, тем, что платиновый катализатор быстро терял свою активность; а, во-вторых, тем, что в то время не было потребителей олеума.

В 70-х годах, благодаря работам Книтча, была установлена причина снижения активности платины: присутствие мышьяка в сернистом газе при обжиге колчедана; им же найден способ очистки обжигового газа от катализаторного яда.

В настоящее время большую часть серной кислоты в мире вырабатывают контактным методом. Рост производства серной кислоты контактным методом определяется более высокий, техническим уровнем, обусловлен потребностью в чистой и концентрированной кислоте, возможностью автоматизации процесса, а также снижения содержания оксидов серы в выхлопных газах до предельно допустимых концентраций (ПДК). Контактный процесс получения серной кислоты в мире осуществляется двумя методами:

·        методом одинарного контактирования (ОК) со степенью окисления S02 в S03, равной 97,5-98%, и выбросом в атмосферу выхлопных газов, содержащих SO2 и SО3, выше предельно допустимой концентрации (ПДК), что потребовало дополнительных затрат на сооружение в таких системах отделения очистки;

·        методом двойного контактирования (ДК) и двойной абсорбции (ДА). В системах ДК - ДА степень окисления SO2 в SO3 составляет 99,7-99,8%, что соответствует достижению предельно допустимой концентрации SО2 и SO3 в выхлопных газах.

Производство серной кислоты контактным методом по системе ДК состоит из стадий:

)        подготовка сырья;

)        получение диоксида серы

4FeS2 + 11O2 →2Fe2O3 + 8SO2 + 3415 Q (t = 800°C) (13)

либо 3FeS2 + 8O2 →Fe3O4 + 6SO2 + Q (14)

или сжигание серы S + O2 → SO2 (15)

)       
очистка газа;

)        окисление сернистого ангидрида

2SO2 + O2 ↔2SO3 + Q (400-500°С, кат-р V2O5) (16)

)        абсорбция SO3

+ H2O → H2SO4 + Q (17)

)        очистка выхлопных газов.

При получении серной кислоты по системе ДК - ДА шестая стадия отсутствует[1].

Мне понравился контактный метод технологии серной кислоты, как самый эффективный (достигается высокая степень превращения) и более благоприятный с точки зрения экологии (выбросы соответствуют нормам ПДК и ПДВ.)

.        КИНЕТИКА И МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА

Химизм процесса:

·        сжигание серы

·        окисление SО2 до SО3

·        абсорбция SО3

Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО2 в SО3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы - снизить выбросы в окружающую среду вредного компонента SО2.