Свойства и основные промышленные способы получения серной кислоты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Общие сведения о серной кислоте

1.1 Физические свойства

1.2 Химические свойства

Глава 2. Методы синтеза

2.1 Контактный способ

2.2 Нитрозный способ

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Актуальность: серная кислота - наиболее сильная и самая дешевая кислота. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. 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. Поэтому изучение ее свойств и способов получения актуально.

Цель: изучить свойства и основные промышленные способы получения серной кислоты

В связи с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Изучить физические и химические свойства серной кислоты.

2. Рассмотреть основные промышленные способы получения, изучить физико-химические основы синтеза (оптимальные условия, катализаторы и т.д.), изобразить технологические схемы производств.

Метод исследования: теоритический

Предмет исследования: общие сведения, методы синтеза, физико-химические основы синтеза, технологическая схема производства

Объект исследования: серная кислота



Глава 1. Физические и химические свойства серной кислоты

1.1 Физические свойства

Серная кислота - бесцветная едкая тяжелая маслообразная жидкость без запаха, плотность 1,84г/см³, смешивается с водой в любых соотношениях. Концентрированная серная кислота очень бурно реагирует с водой. По этой причине следует всегда разбавлять серную кислоту, наливая её в воду, а не наоборот. Неразбавленная серная кислота представляет собой ковалентное соединение. Её молекулы имеют тетраэдрическое строение. Эта кислота гигроскопична, то есть способна поглощать влагу из воздуха. Поэтому её используют для осушения газов, не реагирующих с нею, пропуская их через серную кислоту. Безводная серная кислота растворяет до 70% оксида серы(VI). При обычной температуре она не летуча и не имеет запаха. Температура кипения и температура замерзания серной кислоты зависит от ее состава, т.е. от количества воды. С водой она образует три соединения, которые называются кристаллогидратами. Их можно выделить при охлаждении кислоты соответствующей концентрации.

Кристаллогидраты выпадают в виде прозрачных кристалликов, похожих на лед. Температура плавления 100%-ной серной кислоты +10 ^оC, температура кипения +337 ^оC. Поэтому перевозить такую кислоту зимой нельзя - она переходит в твёрдое состояние. Нельзя её перевозить даже осенью или весной. От небольших количеств воды её температура плавления резко снижается. Серная кислота, содержащая всего 6,4% чистой воды, замерзает уже при -37.9^oC. Такую кислоту можно перевозить в любое время года. При дальнейшем увеличении содержания воды до 15% серная кислота начинает замерзать около +8^oC. Если же содержание воды увеличить до 25%, то кислота опять начинает замерзать при низкой температуре -41.0^оС. Таким образом, башенная кислота, содержащая 75% чистой серной кислоты, не боится самых сильных морозов, и её можно перевозить даже в самые холодные районы страны. Все кислоты в водных растворах диссоциируют на ионы.

Серная кислота относится к двухосновным кислотам, и её молекулы диссоциируют ступенчато. В концентрированных растворах отщепляется один ион водорода. Сила кислот характеризуется степенью диссоциации, которая показывает, насколько хорошо молекулы диссоциируют в водном растворе на ионы водорода и кислотные остатки:

H₂SO₄ - H⁺ + HSO₄^- - 2H⁺ + SO₄^2-

С этой точки зрения серная кислота является сильной. В разбавленных растворах сильные кислоты диссоциируют на ионы практически полностью, и простых молекул в растворе нет.

1.2 Химические свойства

1) Взаимодействие с металлами:

a) разбавленная серная кислота растворяет только металлы, стоящие в ряду напряжений левее водорода:

Zn⁰ + H₂⁺¹SO₄(разб) > Zn⁺²SO₄ + H₂^O

b) концентрированная H₂S⁺⁶O₄ - сильный окислитель; при взаимодействии с металлами (кроме Au, Pt) может восстанавливаться до S⁺⁴O₂, S⁰ или H₂S^-2 (без нагревания не реагируют также Fe, Al, Cr - пассивируются):

2Ag⁰ + 2H₂S⁺⁶O₄ > Ag₂⁺¹SO₄ + S⁺⁴O₂ + 2H₂O

8Na⁰ + 5H₂S⁺⁶O₄ >4Na₂⁺¹SO₄ + H₂S^-2 + 4H₂O

2) концентрированная H₂S⁺⁶O₄ реагирует при нагревании с некоторыми неметаллами за счет своих сильных окислительных свойств, превращаясь в соединения серы более низкой степени окисления, (например, S⁺⁴O₂):

С⁰ + 2H₂S⁺⁶O_4(конц) > C⁺⁴O₂ + 2S⁺⁴O₂ + 2H₂O

S⁰ + 2H₂S⁺⁶O_4(конц) > 3S⁺⁴O₂ + 2H₂O

2P⁰ + 5H₂S⁺⁶O_4(конц) > 5S⁺⁴O₂ + 2H₃P⁺⁵O₄ + 2H₂O

3) с основными оксидами:

CuO + H₂SO₄ > CuSO₄ + H₂O

CuO + 2H⁺ > Cu²⁺ + H₂O

4) с гидроксидами:

H₂SO₄ + 2NaOH >Na₂SO₄ + 2H₂O

H⁺ + OH^- > H₂O

H₂SO₄ + Cu(OH)₂ > CuSO₄ + 2H₂O

2H⁺ + Cu(OH)₂ > Cu²⁺ + 2H₂O

5) обменные реакции с солями:

BaCl₂ + H₂SO₄ > BaSO₄ + 2HCl

Ba²⁺ + SO₄^2- > BaSO₄

Образование белого осадка BaSO₄ (нерастворимого в кислотах) используется для идентификации серной кислоты и растворимых сульфатов.

Моногидрат (чистая, 100%-ая серная кислота) является ионизирующим растворителем, имеющим кислотный характер. В нём хорошо растворяются сульфаты многих металлов (переходя при этом в бисульфаты), тогда как соли других кислот растворяются, как правило, лишь при возможности их сольволиза (с переводом в бисульфаты). Азотная кислота ведет себя в моногидрате как слабое основание:

HNO₃ + 2 H₂SO₄ - H₃O⁺ + NO₂⁺ + 2 HSO₄^-

хлорная - как очень слабая кислота :

H₂SO₄ + HClO₄ - H₃SO₄⁺ + ClO₄^-

Фторсульфоновая и хлорсульфоновая оказываются кислотами несколько более сильными (HSO₃F > HSO₃Cl > HClO₄). Моногидрат хорошо растворяет многие органические вещества, имеющие в своём составе атомы с неподелёнными электронными парами (способными к присоединению протона). Некоторые из них могут быть затем выделены обратно в неизменённом состоянии путем простого разбавления раствора водой.

Концентрированная H₂SO₄ является довольно сильным окислителем, особенно при нагревании (восстанавливается обычно до SO₂). Например, она окисляет HI и частично HВr (но не HСl) до свободных галогенов. Окисляются ею и многие металлы - Cu, Hg и др. (тогда как золото и платина по отношению к H₂SO₄ устойчивы). Так взаимодействие с медью идёт по уравнению:

Cu + 2 H₂SO₄ > CuSO₄ + SO₂ + H₂O

Действуя в качестве окислителя, серная кислота обычно восстанавливается до SO₂. Однако наиболее сильными восстановителями она может быть восстановлена до S и даже H₂S. С сероводородом концентрированная серная кислота реагирует по уравнению:

H₂SO₄ + H₂S >2H₂O + SO₂ + S

Следует отметить, что она частично восстанавливается также газообразным водородом и поэтому не может применяться для его осушки.

Растворение концентрированной серной кислоты в воде сопровождается значительным выделением тепла (и некоторым уменьшением общего объёма системы). Моногидрат почти не проводит электрического тока. Напротив, водные растворы серной кислоты являются хорошими проводниками. Максимальной электропроводностью обладает приблизительно 30 %-ная кислота. Минимум кривой соответствует гидрату состава H₂SO₄·H₂O.

Выделение тепла при растворении моногидрата в воде составляет (в зависимости от конечной концентрации раствора) до 84 кДж/моль H₂SO₄. Напротив, смешиванием 66 %-ной серной кислоты, предварительно охлажденной до 0 °С, со снегом (1:1 по массе) может быть достигнуто понижение температуры, до -37 °С.

Изменение плотности водных растворов H₂SO₄ с её концентрацией (вес. %) дано ниже:

	5	10	20	30	40	50	60
15 °С	1,033	1,068	1,142	1,222	1,307	1,399	1,502
25 °С	1,030	1,064	1,137	1,215	1,299	1,391	1,494

	70	80	90	95	97	100
15 °С	1,615	1,732	1,820	1,839	1,841	1,836
25 °С	1,606	1,722	1,809	1,829	1,831	1,827

Как видно из этих данных, определение по плотности концентрации серной кислоты выше 90 вес. % становится весьма неточным.

При кипячении разбавленного раствора серной кислоты из него отгоняется вода, причём температура кипения повышается вплоть до 337 °С, когда начинает перегоняться 98,3 % H₂SO₄. Напротив, из более концентрированных растворов улетучивается избыток серного ангидрида. Пар кипящей при 337 °С серной кислоты частично диссоциирован на H₂O и SO₃, которые вновь соединяются при охлаждении. Высокая температура кипения серной кислоты позволяет использовать её для выделения при нагревании легколетучих кислот из их солей (например, HCl из NaCl).

серный кислота синтез производство



Глава 2. Методы синтеза

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.

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.

В контактном методе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид осуществляется на твердых контактных массах. Благодаря усовершенствованию контактного способа производства, себестоимость более чистой и высококонцентрированной контактной серной кислоты лишь незначительно выше, чем башенной. В настоящее время свыше 90% всей кислоты производится контактным способом. В качестве катализаторов контактного процесса теперь применяется термически стойкая ванадиевая контактная масса (в виде гранул и колец) с пониженной температурой зажигания. Проведены работы по освоению процесса окисления SO₂ в кипящем слое катализатора. Важным усовершенствованием является двойное контактирование, при котором обеспечивается высокая степень окисления SO₂ на катализаторе (до 99,8%) и потому исключается необходимость в дополнительной санитарной очистке отходящих газов. Внедряется процесс конденсации H₂SO₄, заменяющий абсорбцию серного ангидрида. Также для производства серной кислоты используют ангидрид или безводный сульфат кальция CaSO₄, гипс или двуводную соль CaSO₄•2H₂O и фосфогипс, представляющий собой отход производства концентрированных фосфорных удобрений (смесь гипса, соединений фтора, окислов фосфора, SO₂ и других примесей).

В нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление SO₂ происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным. Сущность нитрозного метода состоит в том, что обжиговый газ обрабатывается серной кислотой, в которой растворены окислы азота. Сернистый ангидрид обжигового газа поглощается нитрозой, и затем окисляется окислами азота по реакции:



SO₂ + N₂O₃ + H₂O> H₂SO₄ + 2NO.

Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется, а затем частично окисляется кислородом до NO₂. Смесь NO и NO₂ вновь поглощается H₂SO₄.

Промышленность выпускает три вида товарной серной кислоты:

Башенная кислота: С=75%, t_крист= -29,5 ^оC

Контактная кислота: С=92,5%, t_крист= -22,0 ^оC

Олеум: С=20% своб. SO₃, t_крист= +2 ^оC

2.1 Контактный способ

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

Основное сырьё: сера - S, серный колчедан (пирит) - FeS₂, сульфиды цветных металлов - Cu₂S, ZnS, PbS, сероводород - H₂S.

Вспомогательный материал: катализатор - оксид ванадия - V₂O_5.

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.

Основные химические процессы:

4FeS₂ + 11O₂ ^{t = 800°C}> 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

или сжигание серы :

S + O₂ ^t°C> SO₂

2SO₂ + O₂ ^{400-500°С,V2O5,p}-2SO₃ + Q

SO₃ + H₂O > H₂SO₄ + Q

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.

Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи >поступление оксида серы (IV) и кислорода в очистительную систему >в контактный аппарат >подача оксида серы (VI) в поглотительную башню.

Охрана окружающей среды:

1) герметичность трубопроводов и аппаратуры

2) газоочистительные фильтры



Процесс состоит из трех стадий:

1.Обжиг пирита. Получение оксида серы (II). Очистка печного газа. Уравнение реакции первой стадии:

4FeS₂ + 11O₂ > 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^оС. Пирит раскаляется до красна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

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 в сплаве) и чугун ( ? 4% углерода в сплаве).Таким образом выполняется принцип химического производства - безотходность производства.

Очистка печного газа. Из печи выходит печной газ, состав которого: SO₂, O₂, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа - в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне - снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO₂ и кислорода О₂.

2. Окисление SO₂ в SO₃ кислородом. Процесс протекает в контактном аппарате. Уравнение реакции этой стадии:

2SO₂ + O₂ - 2SO₃ + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):

а) температура. Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO₃ является температура 400-500^оС. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором по качеству и себестоимости для этого процесса является оксид ванадия(V) V₂O₅.

б) давление. Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO₂ и 1V O₂), а справа - 2V SO₃. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении (7-12 атм.). Прежде чем смесь SO₂ и O₂ попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO₃ из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO₂ и О₂ продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате. Температура 400-500^оС в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO₂ в SO₃. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO₂ в SO₃.

Образовавшийся оксид серы SO₃ выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

3. Абсорбция серного ангидрида. Процесс протекает в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO₃ не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:

SO₃ + H₂O > H₂SO₄

Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды - это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H₂SO₄·nSO₃.

Уравнение реакции этого процесса:

nSO₃ + H₂SO₄ > H₂SO₄·nSO₃

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Поглощение трехокиси серы серной кислотой -- гетерогенный процесс. Первой его стадией является перенос молекул трехокиси серы к поверхности жидкой фазы. Далее, процесс протекает на поверхности и в объеме жидкой фазы. Протекает также реакция в газовой фазе между трехокисью серы и парами воды с образованием парообразной серной кислоты, которая конденсируется на поверхности жидкой фазы. При значительном пересыщении газовой фазы парами серной кислоты происходит ее конденсация в объеме, т. е. образуется туманообразная серная кислота, почти не улавливаемая поглощающими жидкостями. Поэтому для поглощения трехокиси серы нельзя применять воду или разбавленные водные растворы серной кислоты. Для того чтобы избежать образования тумана и добиться высокой степени связывания трехокиси серы, ее поглощают азеотропной смесью, содержащей 98,3% H₂SO₄ и 1,7% Н₂О.

Давление паров воды над такой смесью ниже, чем над любым более разбавленным раствором. Над более концентрированными растворами давление паров серной кислоты выше.

Трехокись серы и водяной пар в газовой фазе реагируют почти мгновенно. Поглощение же трехокиси серы жидкостями протекает относительно медленно, и скорость его определяется в значительной степени скоростью переноса молекул SO₃ к поверхности жидкой фазы. Скорость переноса возрастает с увеличением линейной скорости газа.

Скорость поглощения трехокиси серы зависит от концентрации кислоты. Максимальный коэффициент скорости поглощения достигается при применении 98,3%-ной кислоты. Понижение концентрации кислоты ведет к уменьшению коэффициента скорости поглощения. Скорость поглощения SО₃ 20%-ным олеумом значительно меньше, чем 98,3% -ной кислотой. С повышением температуры коэффициенты скорости поглощения уменьшаются.

Рис.1. Принципиальная схема получения серной кислоты контактным методом: 1-компрессор; 2-подаваемый пирит (FeS₂)

2.2 Нитрозный способ

Процесс производства серной кислоты при помощи окислов азота включает ряд параллельно и последовательно протекающих реакций. Поэтому до рассмотрения отдельно протекающих реакций целесообразно ознакомиться с общим ходом процесса в современной башенной системе.

Общий ход процесса в башенной системе. На рис. 2 показана схема пятибашенной системы, применяемая при малой запыленности газа.

В производстве серной кислоты по нитрозному методу, в отличие от контактного, обжиговый газ не подвергается дополнительной очистке. В этом нет надобности, так как триокись мышьяка, селен и др. вредные примеси не влияют на течение процесса. Обжиговый газ поступает непосредственно из огарковых электрофильтров с температурой 350^оС. Газ проходит последовательно через все пять башен. В первой, второй, четвертой, пятой башнях газ проходит снизу вверх противотоком с жидкостями, орошающими эти башни. Третья башня обычно не орошается. Все башни, кроме третьей, заполнены кольцевой насадкой.

Образование серной кислоты происходит в первой и второй башнях - продукционных. Третья башня - окислительная - предназначена для окисления окиси азота. В четвертых и пятых башнях (поглотительных) окислы азота поглощаются серной кислотой.

Впервой башне получается продукционная 75 %-ная так называемая башенная кислота. Часть вытекающей из башни кислоты после охлаждения в водяном холодильнике перекачивается на склад, часть же поступает на орошение пятой башни. В башенных системах можно производить так же купоросное масло(?92%-ная серная кислота).

В пятой башне трехокись азота поглощается серной кислотой с образованием нитрозилсерной кислоты и воды:

N₂O₃ + 2H₂SO₄ > 2NOHSO₄ + H₂O + Q (1)

Нитрозилсерная кислота при пятой обыкновенной температуре - кристаллическое вещество белого цвета. Она хорошо растворяется в серной кислоте и в ее водных растворах. Раствор нитрозилсерной кислоты в водном растворе серной кислоты называется нитрозой. Содержание нитрозилсерной кислоты в растворе - так называемая нитрозность кислоты, условно выражается эквивалентным весовым содержанием азотной кислоты или трехокиси азота.

Вытекающая из пятой башни нитроза подается на орошение четвертой башни, где она еще более обогащается нитрозилсерной кислотой. Сюда же подается частично денитрованная кислота из второй башни.

Нитроза из четвертой башни направляется на орошение первой и второй продукционных башен. В этих башнях, в отличие от поглотительных, поддерживаются такие условия, при которых реакция (1) протекает в обратном направлении, т.е. происходит гидролиз нитрозилсерной кислоты с освобождением трехокиси азота:



2NOHSO_{4 +} H₂O > N₂O₃ + 2H₂SO₄ (1?)

Образование серной кислоты происходит преимущество в жидкой фазе в результате взаимодействия растворенных двуокиси серы и трехокиси азота, что может быть представлено следующими уравнениями:

SO₂ + H₂O > H₂SO₃ + Q (2)

N₂O₃ + H₂O > 2HNO₂ + Q (3)

H₂SO₃ + 2HNO₂ > H₂SO₄ + 2NO + H₂O + Q (4)

Небольшая часть двуокиси серы окисляется непосредственно в газовой фазе:

SO₂ + NO₂ > SO₃ + NO (5)

и трехокись серы реагирует с водой:

SO₃ + H₂O > H₂SO₄ (6)

Образующая окись азота частично окисляется здесь же в башнях кислородом; высшие окислы азота вновь принимают участие в образовании серной кислоты.

Газ, выходящий из второй башни, содержит выделившиеся в газовую фазу окислы азота, преимущественно в виде NO. Необходимо, чтобы на входе в четвертую башню газ содержал окислы азота в степени окисления, соответствующей NO + NO₂. Для этого и установлена окислительная башня, в которой протекают реакции:

2NO + O₂ > 2NO₂ + Q (7)

NO + NO₂ > N₂O₃ + Q (8)

Образование серной кислоты, окисление окиси азота и поглощение окислов азота протекают с выделением значительного количества тепла. Обжиговый газ также приносит в систему много тепла. Для поддержания оптимального температурного режима необходим отвод тепла з башенной системы .Для этого вытекающие из башен кислоты охлаждают в водяных холодильниках.

Наряду с перемещением кислот из башни в башню осуществляется циркуляция их в башнях II, IV и V. Часть кислоты, вытекающей из башни, вновь подается после охлаждения на орошение той же башни. Благодаря этому удается поддерживать в башнях заданные температуры и полностью смачивать поверхность кольцевой насадки.

Транспортирование жидкостей в башенной системе осуществляется при помощи насосов. Тяга создается в системе вентилятором, установленным между четвертой и пятой башнями.

Физико - химические основы нитрозного процесса

Взаимодействия трехокиси азота и серной кислоты. При нитрозном процессе окислы азота все время соприкасаются с серной кислотой и взаимодействуют с ней.

Окись азота не реагирует с серной кислотой и мало растворима в ней, в нитрозах она растворяется несколько лучше. Двуокись азота реагирует с серной кислотой по схеме:

2NO₂ + H₂SO₄ > HNO₃ + NOHSO₄ (9)

Если в газовой фазе наряду с двуокисью азота содержится также и окись азота, то очень быстро протекает реакция(8). Равновесные концентрации трехокиси азота в газовой фазе малы, однако скорость поглощения ее водными растворами серной кислоты значительно больше, чем двуокиси азота. В растворах серной кислоты, содержащих 73% H₂SO₄ и более, реакция(9) практически не протекает. Основной является реакция:

N₂O₃ + 2H₂SO₄ > 2NOHSO₄ + H₂O + Q (1)

При понижении температуры равновесие смещается вправо, при повышении - влево. Если для поглощения трехокиси азота применяется 75%-ная кислота или близкая к ней по концентрации, то равновесие почти полностью смещается вправо при понижении температуры до 30-40. При повышении же температуры до 80-100 давление окислов азота над нитрозой возрастает в 10 и более раз.

Состояние равновесия зависит от концентрации водного раствора серной кислоты, применяемого для поглощения окислов азота*. Вода является одним из продуктов реакции, поэтому с повышением ее содержания в исходном водном растворе серной кислоты равновесие смещается в левую сторону. Концентрированные растворы серной кислоты лучше поглощают трехокись азота.

С повышением содержания нитрозилсерной кислоты в нитрозе возрастает давление оксидов азота. Оно приблизительно прямо пропорционально содержанию нитрозилсерной кислоты.

Таким образом, для того чтобы сместить равновесие в сторону образования нитрозилсерной кислоты, нужно вести поглощение окислов азота при более низких температурах, применяя более концентрированную серную кислоту минимальной нитризности. Для достижения более полного поглощения окислов на орошение пятой башни должна подаваться малонитрозная кислота. Что касается концентрации серной кислоты, то при условии, что на орошение пятой башни подается продукционная кислота из первой башни, не представляется возможным использовать этот фактор для смещения равновесия. В башенной системе циркулирует 75 - 77 %-ная кислота.

Растворение в нитрозе азотной кислоты резко повышает давление окислов азота.

Нитрозилсерная кислота не реагирует с двуокисью серы, и участие ее в процессе образования серной кислоты возможно только в результате гидролиза.

Взаимодействие трехокиси азота с серной кислотой является гетерогенным процессом, скорость которого в зависимости от условий определяется скоростью химической реакции или скоростью диффузии реагентов через пограничные пленки. Скорость переноса молекул из объема газа к поверхности жидкой фазы растет с увеличением до некоторого предела линейной скорости газового потока. При дальнейшем увеличении скорости газового потока скорость переноса остается неизменной. Например, для 75%-ной кислоты при 20-60 изменение скорости тока газа влияет на скорость поглощения трехокиси азота только при скорости менее 0,5м/сек. Очевидно, при этих условиях скорости переноса и химической реакции становятся близкими по величине.

С повышением концентрации раствора серной кислоты скорость поглощения трехокиси азота растет. Коэффициент скорости поглощения сохраняет приблизительно постоянное значение при возрастании нитрозности кислоты до2,5% N₂O₃. Так как давление окислов азота над нитрозой при низких температурах очень мало, последнюю поглотительную башню можно орошать кислотой с некоторым содержанием трехокиси азота ( до 0,5% N₂O₃ ).



Заключение

Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это и тем, что она самая дешевая из всех кислот, а также ее свойствами. 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 єС до 260-336,5 єС) находится в жидком состоянии. Области применения серной кислоты чрезвычайно обширны. Существенная ее часть используется как полупродукт в различных отраслях химической промышленности, прежде всего для получения минеральных удобрений, а также солей, кислот, взрывчатых веществ. Серная кислота применяется и при производстве красителей, химических волокон, в металлургической, текстильной, пищевой промышленности и т. д.

В производстве H₂SO₄ соблюдены основные направления развития химической промышленности:

1. Технология малоотходная - переход сырья в целевой продукт достигает 99,9 %.

2. Энергосберегающее, так как процесс обеспечивает сам свое энергосбережение.

Эта химическая технология обладает рядом функций:

1. Рациональное использование сырья и энергии.

2. Масштабность и дешевизна.

Поскольку процесс непрерывен, он обладает рядом достоинств:

1. Большое количество продукта с 1 объема аппарата - высокая интенсивность процесса.

2. Исключение потерь тепла из-за термодинамичности - нагрев - охлаждение.

3. Легкость автоматизации.

Также процесс учитывает основные принципы химической технологии:

1. Наибольшая интенсивность процесса;

2. Наилучшее использование сырья;

3. Наибольшее использование энергии.

ВЫВОД: процесс экономичен, многотоннажен, прост, эффективен, хорошо отработан в производстве.



Список использованной литературы

1.С.И. Вольфкович, В.В. Егоров, Д.А. Эпштейн. Общая химическая технология. - Ленинград «Государственное научно-техническое издательство химической литературы», Том 2., 1953. - 633 с.

2. Учебник для химико-технологических специальностей ВУЗов под редакцией проф. И.П. Мухленова. Общая химическая технология. Часть 2 « Важнейшие химические производства» - М., 1984. - 288 с.

3. А.М. Кутепов, Т.И. Бондарева, М.Г. Беренгартен. Общая химическая технология. Издание второе исправленное и дополненное. - М. «Высшая школа»,1990. - 520 с.

4. Н.Л. Глинка. Общая химия. - 30-е изд., испр. - М., 2003. - 728 с.

5.Амелин А.Г., Яшке Е.В. Производство серной кислоты. - 2-е изд. - М.,1980. - 245 с.

Размещено на Allbest.ru

...