Промишленото развитие на страната може да се съди по количеството на сярна киселина, която консумира.

Юстис Либиг (1803-1873)

Годишното производство на сярна киселина в света надхвърля 100 милиона тона. Обединеното кралство представлява по-малко от 3% от производството си - от 3 до 3,5 милиона тона годишно. Около 28% от тази сума се изразходва за селскостопански нужди, включително за производство на торове. На фиг. 7.4 показва графика на използването на сярна киселина във Великобритания през 1981 г.

Фиг. 7.4. Използването на сярна киселина за различни нужди на икономиката на Обединеното кралство през 1981 г.

Приложения на сярна киселина

Торове. В икономиката на Обединеното кралство приблизително 26% от цялата сярна киселина се използва за производство на суперфосфатни торове (вж. Точка 15.3). Други 2% се използват за производството на амониев сулфат.

Почистващи препарати. Натриевите соли на неразклонен алкилбензол сулфонати се използват като основни активни компоненти на домашните синтетични детергенти. Сярна киселина или олеум се използват за производството на тези сулфонати.

Пигменти. Сярната киселина се използва в първия етап на процеса на получаване на сулфатен оксид.Титановият диоксид се използва като пигмент за бели бои.

Изкуствени тъкани. Сярна киселина се използва за получаване на капролактам от циклохексанон. Капролактамът е мономер, от който се получава найлон-6 полимер.

Съвременен процес на контакт

В момента сярната киселина се произвежда по целия свят чрез процес на контакт. Този процес включва три етапа.

1-ви етап. На този етап се получава серен диоксид: течната сяра се напръсква в горивната камера, където тя гори на въздух при температура от порядъка на 1000 ° C:

Въздухът, който влиза в камерата, трябва да е сух, за да се предотврати образуването на мъгла. Сярата се получава с помощта на процеса Frasch от находища в Полша, Мексико и САЩ (вж. Раздел 15.4). Свободната сяра се получава и като страничен продукт при преработката на нефт и пречистването на природен газ. Например френският или канадският природен газ съдържа до 25% сероводород.

Серен диоксид се получава също чрез изпичане на сулфидни минерали, например цинков сулфид или железен пирит:

Трябва да се отбележи, че и двата окислителни процеса, посочени тук, са необратими и екзотермични.

2-ри етап. На този етап се получава серен триоксид:

Тази реакция е обратима и екзотермична. Високият добив на серен триоксид се благоприятства от ниски температури и високо налягане. На практика този процес се осъществява при налягане, малко над атмосферното. Това е само за да се осигури добър поток на газ. Увеличението на производството в резултат на повишено налягане не оправдава допълнителните разходи.

Захранващият газ (смес от серен диоксид и кислород) се пропуска през каталитичен преобразувател, който се състои от редица слоеве, съдържащи катализатор оксид и промотори. Тъй като превръщането на серен диоксид в серен триоксид е екзотермична реакция, температурата на газа се повишава. Следователно газовете, напускащи всеки слой на преобразувателя, се преминават през топлообменници, където се охлаждат. Действието на топлообменника се основава на същия принцип като кондензатора Liebig, използван в химическите лаборатории. След преминаване през всеки реактор слой се увеличава делът на образувания серен триоксид. Температурата на каталитичните слоеве се поддържа на ниво не по-ниско от 400 ° С, тъй като при по-ниски температури катализаторът губи своята активност. Крайният добив за конвертора, съдържащ четири каталитични слоя, достига 98%.

3-ти етап. На този етап се извършва следният процес:

Въпреки това, директното усвояване на серен триоксид от вода не е възможно, тъй като водната пара над повърхността му образува стабилна мъгла от миниатюрни капчици сярна киселина. Следователно 98% сярна киселина се използва за абсорбиране на серен триоксид. Концентрацията му се увеличава до 99,5% (фиг. 7.5). След това киселината отново се разрежда с вода до 98%. Част от него се връща за усвояване, а останалата част се изпраща за съхранение. Ако позволим концентрацията на сярна киселина да надвиши 99,5%, тогава налягането на парата на серен триоксид става твърде високо и това предотвратява пълното им усвояване. В резултат на това се образува видима мъгла. Сярна киселина с концентрация 99,5% понякога се нарича "олеум" и се обозначава с формулата

Фиг. 7.5. 3-ти етап на процеса за получаване на сярна киселина начин за контакт  (процес на абсорбция).

Двойна абсорбция Контакт на сярна киселина

В контактната абсорбционна сярна киселина с единична абсорбция описаните по-горе процеси протичат на три етапа.

1-ви етап: получаване

Етап 2: 8% конверсия

3-ти етап: абсорбция в 98% с образуването на олеум.

В инсталация с двойна абсорбция на сярна киселина абсорбцията се извършва на 2-ри и 3-ти етап.

1-ви етап: получаване

2-ри етап:

а) трансформация

б) абсорбция с образуването на олеум - така наречената междинна абсорбция;

в) конверсията на оставащия краен добив се увеличава до 99,5%.

(вижте сканиране)

Фиг. 7.6. Преобразувателна верига в двойна контактна абсорбционна инсталация със сярна киселина.

Етап 3: крайна абсорбция в 98% с образуването на олеум.

Заводът за двойна абсорбция на сярна киселина постига 99,5% превръщане на серен диоксид в серен триоксид. Това ви позволява в крайна сметка да намалите емисиите на серен диоксид в атмосферата и следователно да намалите замърсяването на околната среда. Минималната ефективност на конверсията от 99,5% в момента е предпоставка за всички инсталации в процес на изграждане във Великобритания, които изгарят сяра.

На фиг. 7.6 показва диаграма на включването на междинен абсорбатор в конвертор на 2-ри етап на производство на сярна киселина в инсталация с двойно поглъщане. Захранващ газ, който съдържа приблизително 10% серен диоксид и 11% кислород, се въвежда в преобразувателя, където са разположени слоевете на катализатора. След преминаване през първия слой се постига 63% преобразуване на серен диоксид в серен триоксид. След преминаване през третия слой целият серен триоксид се отстранява и абсорбира в междинния етап на абсорбция. Непоглъщаните газове се рециклират, където се смесват с останалия серен диоксид и кислород за завършване на конверсията. След това серен триоксид, образуван след преминаване през четвъртия каталитичен слой, влиза в крайния абсорбер.

Така че, повторете отново!

1. а) За промишленото производство на амоняк се използва процесът Габер:

Азотът се получава от въздуха. Водородът се получава от вода и метан.

б) Първите седем етапа на съвременния процес на Хабер са проектирани да произвеждат синтетичен газ, който се осъществява на 8-ми етап. За това се използва железен катализатор. Оптимален добив и производителност се постигат при температура 400 ° С и налягане 250 атм.

в) Амонякът се използва за производство на торове, азотна киселина и много други продукти.

2. а) За промишлено производство на сярна киселина в момента се използва контактен процес, състоящ се от три етапа.

1-ви етап: получаване

2-ри етап: превръщане на серен диоксид в серен триоксид

Това превръщане се извършва с помощта на катализатор, който се използва като оксид. Процесът се провежда при налягане, малко над 1 атм, и при температура 400 ° С.

3-ти етап. Това е етап на абсорбция. Серният триоксид се абсорбира от 8-сярна киселина, образувайки олеум, т.е. 99,5% сярна киселина. Тогава олеумът се разрежда до 98% сярна киселина. Този процес може да бъде представен от уравнението

b) В инсталацията за двойна абсорбция на сярна киселина абсорбцията на серен триоксид се извършва на два етапа. Междинното усвояване се извършва на 2-ри етап на процеса, а крайното усвояване на 3-ти етап.

в) Сярна киселина се използва за производство на торове, бои, синтетични детергенти, изкуствени тъкани и много други продукти.

Сярна киселина се произвежда в големи количества в инсталации със сярна киселина.

I. Суровини, използвани за производството на сярна киселина:

II. Приготвяне на суровини.

Нека да проучим производството на сярна киселина от пирит FeS 2.

1) Смилане на пирит.

Преди употреба големи парчета пирит се натрошават в машини за раздробяване. Знаете, че когато смилате вещество, скоростта на реакцията се увеличава, защото повърхността на контакт на реагиращите вещества се увеличава.

2) Пречистване на пирит.

След смилането на пирита той се почиства от примеси (ганг и земя) чрез флотация. За да направите това, смачканият пирит се спуска в огромни резервоари с вода, смесва се, гангът изскача, след което гангът се отстранява.

III. Химията на производството.

Получаването на сярна киселина от пирит се състои от три етапа.

ПЪРВИ ЕТАП - изпичане на пирит в пещ с "кипящ слой".

Уравнението на реакцията на първия етап

4FeS 2 + 11O 2 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

Смачканият пречистен влажен (след флотация) пирит се излива отгоре в пещта с "кипящ слой". Отдолу (принцип на противодействие) оставя въздухът, обогатен с кислород, да преминава за по-пълно изгаряне на пирита. Температурата в пещта достига 800 ° C. Пиритът се нагрява до червено и е в "суспендирано състояние" поради издухването на въздуха отдолу. Всичко изглежда като червено-гореща кипяща течност.

Поради топлината, генерирана в резултат на реакцията, температурата в пещта се поддържа. Излишната топлина се отклонява: тръбите с вода, която се нагрява, преминават по периметъра на пещта. Топлата вода се използва допълнително за централно отопление на съседни помещения.

Полученият железен оксид Fe 2 O 3 (шлака) не се използва при производството на сярна киселина. Но той се събира и изпраща в металургичен завод, където желязото се получава от железен оксид и неговите сплави с въглерод - стомана (2% въглерод С в сплавта) и чугун (4% въглерод С в сплавта).

По този начин, принципът на химическо производство - производство без отпадъци.

Пещният газ излиза от пещта, чийто състав е: SO 2, O 2, водна пара (пиритът беше мокър!) И най-малките частици пепел (железен оксид). Такъв газ от пещта трябва да се почиства от примеси от твърди частици пепел и водна пара.

Газът от пещта се почиства от твърди частици пепел на два етапа: в циклон (с помощта на центробежна сила, твърдите частици на шлака удрят стените на циклона и се изсипват) и в електростатични утаители (използвайки електростатично привличане, частиците на шлака се прилепват към електрифицирани плочи на електростатичния утаител с достатъчно натрупване при според собственото си тегло те се изсипват) сярната киселина се използва за отстраняване на водна пара в пещния газ (изсушаване на пещния газ) концентрирана киселина, който е много добър обезвлажнител, защото абсорбира вода.

Пещният газ се суши в сушилна кула - пещният газ се издига отдолу нагоре, а концентрираната сярна киселина тече отгоре надолу. На изхода на сушилната кула пещният газ не съдържа частици пепел или водна пара. Газът от пещта вече е смес от серен оксид SO2 и кислород O2.

ВТОРА ЕТАП - окисляване на SO 2 до SO 3 с кислород.

Течове в контактното устройство.

Реакционното уравнение за този етап е: 2SO 2 + O 2 2SO 3 + Q

Сложността на втория етап се състои във факта, че окисляването на един оксид в друг е обратимо. Следователно е необходимо да се изберат оптималните условия за протичане на пряката реакция (получаване на SO 3).

а) температура:

Директната реакция е екзотермична + Q, съгласно правилата за изместване на химическото равновесие, за да се измести равновесието на реакцията към екзотермична реакция, температурата в системата трябва да бъде понижена. Но, от друга страна, при ниски температури скоростта на реакцията намалява значително. Експерименталните химици са установили, че оптималната температура за директната реакция с максимално образуване на SO 3 е температура 400-500 ° С. Това е доста ниска температура в химическата промишленост. За да се увеличи скоростта на реакцията при такава ниска температура, в реакцията се въвежда катализатор. Експериментално е установено, че най-добрият катализатор за този процес е ванадиев оксид V 2 O 5.

б) налягане:

Директната реакция протича с намаляване на газовите обеми: 3V газове (2V SO 2 и 1V O 2) вляво и 2V SO 3 вдясно. Тъй като директната реакция протича с намаляване на обемите на газ, тогава, съгласно правилата за изместване на химичното равновесие, налягането в системата трябва да се увеличи. Следователно този процес се провежда при повишено налягане.

Преди сместа на SO2 и O2 да попадне в контактния апарат, тя трябва да се нагрее до температура 400-500 ° C. Загряването на сместа започва в топлообменника, който е инсталиран пред контактния апарат. Сместа преминава между тръбите на топлообменника и се загрява от тези тръби. Горещият SO 3 преминава от контактния апарат вътре в тръбите. Веднъж попаднал в контактния апарат, сместа от SO2 и O2 продължава да се нагрява до желаната температура, преминавайки между тръбите в контактния апарат.

Температурата от 400-500 ° С в контактния апарат се поддържа чрез отделяне на топлина в реакцията на превръщането на SO 2 в SO 3. Веднага след като сместа от серен оксид и кислород достигне до каталитичните слоеве, започва окисляването на SO 2 до SO 3.

Образуваният серен оксид SO 3 напуска контактния апарат и влиза в абсорбционната кула чрез топлообменник.

ТРЕТИ ЕТАП - поглъщане на SO 3 от сярна киселина.

Тече в абсорбционна кула.

Защо серен оксид SO 3 не се абсорбира от вода? В крайна сметка би могло да се разтвори серен оксид във вода: SO 3 + H 2 O H 2 SO 4. Факт е обаче, че ако водата се използва за абсорбиране на серен оксид, сярната киселина се образува под формата на мъгла, състояща се от малки капчици сярна киселина (серен оксид се разтваря във вода с отделянето на голямо количество топлина, сярната киселина се нагрява толкова, че кипи и се превръща в пара ). За да не образувате сярна киселина мъгла, използвайте 98% концентрирана сярна киселина. Два процента от водата е толкова малка, че загряването на течността ще бъде слабо и неопасно. Серен оксид е много разтворим в тази киселина, образувайки олеум: H 2 SO 4 · nSO3.

Уравнението на реакцията на този процес е nSO 3 + H 2 SO 4 H 2 SO 4 · nSO 3

Полученият олеум се излива в метални резервоари и се изпраща в склад. Тогава резервоарите се пълнят с олеум, влаковете се формират и изпращат до потребителя.

Опазване на околната среда

свързани с производството на сярна киселина.

Основната суровина за производството на сярна киселина е сярата. Той е сред най-разпространените бройки химически елементи  на нашата планета.

Производството на сярна киселина протича на три етапа. На първия етап се получава SO2 чрез изгаряне на FeS 2, след това SO 3, след което на третия етап се получава сярна киселина.

Научно-технологичната революция и свързаният с това интензивен растеж на химическото производство причинява значителни отрицателни промени в околната среда. Например, сладководни отравяния, замърсяване на земната атмосфера, унищожаване на животни и птици. В резултат светът се оказа в хватката на екологична криза. Вредните емисии на сулфатните растения трябва да се оценяват не само от въздействието на съдържащия се в тях серен оксид върху зоните, разположени в близост до растението, но и да вземат предвид други фактори - увеличаване на броя на случаите на респираторни заболявания на хора и животни, смърт на растителност и потискане на неговия растеж, унищожаване на конструкции от варовик и мрамор, т.е. повишено корозивно износване на металите. По вина на "киселите" дъждове паметниците на архитектурата (Тадж Макал) са повредени.

В зоната до 300 км от източника на замърсяване (SO 2), сярна киселина представлява опасност, в зоната до 600 км. - сулфати. Сярна киселина и сулфати забавят растежа на селскостопанските култури. Подкиселяването на водните тела (през пролетта, когато снегът се топи, причинява смъртта на яйца и млади риби. В допълнение към екологичните щети има и икономически щети - огромни количества се губят всяка година, когато почвата се деоксидира.

Помислете за химичния метод за почистване на най-често срещаните газообразни замърсители. Известни са повече от 60 метода. Най-обещаващите методи се основават на абсорбцията на серен оксид от варовик, разтвор на сулфит - амониев хидросулфит и алкален разтвор на натриев алуминат. Интерес представляват и каталитичните методи за окисляване на серен оксид в присъствието на ванадиев оксид.

От особено значение е пречистването на газове от примеси, съдържащи флуор, които дори в малки концентрации влияят неблагоприятно върху растителността. Ако газовете съдържат флуороводород и флуор, те се прекарват през колони с противоток на дюзата по отношение на 5-10% разтвор на натриев хидроксид. Следните реакции се проявяват в рамките на една минута:

F 2 + 2NaOH-\u003e O 2 + H 2 O + 2NaF

HF + NaOH-\u003e NaF + H20;

Полученият натриев флуорид се обработва за регенериране на натриев хидроксид.