Серная кис. Серная кислота: химические свойства, характеристики, получение серной кислоты на производстве

Серная кислота (H₂­SO₄) – это одна из сильнейших двухосновных кислот.

Если говорить о физических свойствах, то серная кислота выглядит как густоватая прозрачная маслянистая жидкость без запаха. В зависимости от концентрации, серная кислота имеет множество различных свойств и сфер применений:

• обработка металлов;
• обработка руд;
• производство минеральных удобрений;
• химический синтез.

История открытия серной кислоты

Контактная серная кислота имеет концентрацию от 92 до 94 процентов:

2SO₂ + O₂ = 2SO₂;

H₂O + SO₃ = H₂­SO₄.

Физические и физико-химические свойства серной кислоты

H₂­SO₄ смешивается с водой и SO₃ во всех соотношениях.

В водных растворах Н₂­SO₄ образует гидраты типа Н₂­SO₄·nH₂O

Температура кипения серной кислоты зависит от степени концентрации раствора и достигает максимума при концентрации больше 98 процентов.

Едкое соединение олеум представляет собой раствор SO₃ в серной кислоте.

При повышении концентрации триоксида серы в олеуме температура кипения понижается.

Химические свойства серной кислоты

При нагревании концентрированная серная кислота является сильнейшим окислителем, который способен окислять многие металлы. Исключение составляют лишь некоторые металлы:

• золото (Au);
• платина (Pt);
• иридий (Ir);
• родий (Rh);
• тантал (Та).

Окисляя металлы, концентрированная серная кислота может восстанавливаться до H₂S, S и SO₂.

Активный металл:

8Al + 15H₂­SO₄(конц.) → 4Al₂(SO₄)₃ + 12H₂O + 3H₂S

Металл средней активности:

2Cr + 4 H₂­SO₄(конц.)→ Cr₂(SO₄)₃ + 4 H₂O + S

Малоактивный металл:

2Bi + 6H₂­SO₄(конц.) → Bi₂(SO₄)₃ + 6H₂O + 3SO₂

С холодной концентрированной серной кислотой железо и не реагируют, поскольку покрываются оксидной пленкой. Этот процесс называется пассивация .

Реакция серной кислоты и H₂O

При смешении H₂­SO₄ с водой происходит экзотермический процесс: выделяется такое большое количество тепла, что раствор может даже закипеть. Проводя химические опыты, нужно всегда понемногу добавлять серную кислоту в воду, а не наоборот.

Серная кислота является сильным дегидрирующим веществом. Концентрированная серная кислота вытесняет воду из различных соединений. Ее часто используют в качестве осушителя.

Реакция серной кислоты и сахара

Жадность серной кислоты к воде можно продемонстрировать в классическом опыте - смешении концентрированной H₂­SO₄ и , который является органическим соединением (углеводом). Чтобы извлекать воду из вещества, серная кислота разрушает молекулы.

Для проведения опыта в сахар добавляют несколько капель воды и перемешивают. Затем осторожно вливают серную кислоту. Через короткий промежуток времени можно наблюдать бурную реакцию с образованием угля и выделением сернистого и .

Серная кислота и кубик сахара:

Помните, что работать с серной кислотой очень опасно. Серная кислота - едкое вещество, которое моментально оставляет сильные ожоги на коже.

вы найдете безопасные эксперименты с сахаром, которые можно проводить дома.

Реакция серной кислоты и цинка

Эта реакция достаточно популярна и является одним из самых распространенных лабораторных методов получения водорода. Если в разбавленную серную кислоту добавить гранулы цинка, металл будет растворяться с выделением газа:

Zn + H₂­SO₄ → Zn­SO₄ + H₂.

Разбавленная серная кислота реагирует с металлами, которые в ряду активности стоят левее водорода:

Ме + H₂­SO₄(разб.) → соль + H₂

Реакция серной кислоты с ионами бария

Качественной реакцией на и ее соли является реакция с ионами бария. Она широко распространена в количественном анализе, в частности гравиметрии:

H₂­SO₄ + Ba­Cl₂ → Ba­SO₄ + 2HCl

Zn­SO₄ + Ba­Cl₂ → Ba­SO₄ + Zn­Cl₂

Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!

(серная кислота, IUPAC — дигидрогенсульфат, устаревшее название — купоросное масло) — соединение серы с формулой H 2 SO 4. Бесцветная маслянистая, очень вязкая и гигроскопическая жидкость. Серная кислота — одна из самых сильных неорганических кислот и очень едкой и опасной. Эта кислота образует два ряда солей: сульфаты и гидрогенсульфаты, в которых по сравнению с серной кислотой заменяются один или два атома водорода на катионы металлов. Серная кислота является одним из важнейших технических веществ в мире и лидирует по количеству производства. Она используется в основном в форме водных растворов для производства удобрений, а также других неорганических кислот.

История

(или старое название — купоросное масло) была известна с давних времен. Первые упоминания о ней можно найти в текстах алхимика Джабира ибн Хайянь 8-го века. Возможные методы производства описаны в трудах Альберта Великого (1200-1280) и Василия Валентина (1600). В основе этого метода лежит образование кислоты с хальканинту и квасцов. Устаревшее название происходит от устаревшей названия минералов из которых она приобреталась — купороса. Первые научные исследования с помощью серной кислоты провел Иоганн Рудольф Ґляубер. Он провел реакцию между серной кислотой и солью и получил соляную кислоту и соль, которая была названа в его честь — глауберова соль. Методы, в которых были использованы сульфаты, были очень сложными и дорогими. Для получения больших количеств этого вещества в 18-м веке разработали процесс, в котором использовалось сжигание серы и селитры в стеклянной таре. Так как стеклянные сосуды были очень хрупкими, то первая реакция была проведена в 1746 году Джоном Робак в свинцовых контейнерах. Серная кислота создана методом Джона Робака имела концентрацию только 35-40%. Позже улучшения метода французским химиком Жозефом Луи Гей-Люссаком и английским Джоном Гловером дало выход вещества 78% концентрации. Тем не менее, по некоторым красителей и других химических веществ требует более концентрированного продукта. В течение 18-го века серная кислота получалась сухой перегонкой минералов, процесс похож на оригинальные алхимические процессы. Пирит (дисульфид железа, FeS 2) нагревали в воздухе для получения железа (II) сульфат, FeSO 4, который окисляется при дальнейшем нагревании до железа (III) сульфат Fe 2 (SO 4) 3, который при нагревании до 480 ° С, разлагается до железа (III) оксид и триоксида серы, который может быть использован для получения серной кислоты в любой концентрации. В 1831 году британский купец Перегрин Филлипс запатентовал контактный процесс, который был гораздо более экономичный. Сегодня почти вся серная кислота в мире производится с использованием этого метода.

Нахождение в природе

Земля

Свободная серная кислота встречается в природе очень редко. В атмосфере она образуется из диоксида серы, который образуется при сгорании серосодержащих веществ или вулканических извержений. Диоксид серы окисляется гидроксильными радикалами и кислородом с образованием триоксида серы, который вступая в реакцию с атмосферной влагой образует кислоту. В кислотных дождях она выступает в разбавленном виде. Небольшое количество свободной серной кислоты также можно найти в некоторых вулканических источниках, которые называются сольфатары. Наибольшее количество серной кислоты в мире содержит озеро в кратере вулкана Иджен в Индонезии. В отличие от свободной кислоты, ее соли, в частности, сульфаты, встречается в природе гораздо чаще. Существует много различных минералов сульфатов. Среди них самыми известными и важными являются гипс (CaSO 4 · 2 H 2 O), барит (BaSO 4), Халькантит (CuSO 4 · 5 H 2 O) и глауберова соль (Na 2 SO 4 · 10 H 2 O).

Нахождение вне земли

Серная кислота находится за пределами Земли в верхних слоях атмосферы Венеры. Она образуется в результате фотохимических реакций диоксида серы и воды, которые образуют капли 80-85% кислоты. В более глубоких слоях, кислота распадается из-за высоких температуры снова на диоксид серы, и воду, которые поднимаясь вверх снова могут образовывать серную кислоту. Инфракрасные спектры которые были получены аппаратом Галилео показывают различные степени поглощений на спутнике Юпитера, которые были отнесены к одному или нескольким видам гидратов серной кислоты.

Производство

Сырьем для производства серной кислоты является элементарная сера которую получают в огромных кильскостях на нефте- и газовопереробних заводах, с сероводорода, с помощью процесса, который известен как процесс Клауса. Затем серу оксилюють до диоксида серы:

Реакция серы с кислородом

Еще одним источником диоксида серы является выплавки руд, содержащих серу. Примерами являются медные, цинковые и свинцовые сульфиды. Диоксид серы образуется при обжиге с кислородом воздуха.

Реакция при обжига сульфида цинка

В 1999 году в Европе было выжжено около 3 млн тонн пирита для производства серной кислоты. В Азии эта цифра больше, поскольку и запасы его больше. Для бедных ресурсами странах, которые не имеют ни серы, ни сульфидных руд, существует процесс Мюллера-Кюне. В этом процессе диоксид серы образуется при обжиге гипса и угля в печи. Этот процесс можно сделать прибыльным, если в печь добавлять песок и глину для образования цемента качестве побочного продукта. Для дальнейшего производства требуется серный ангидрид. При низких температурах реакция проходит медленно, так как требует сравнительно редких в газовой фазе тройных столкновений, а при высоких равновесие смещено в сторону разложения серного ангидрида. Поэтому для проведения этой реакции нужны катализаторы. На ранних порах использовали платину, позже перешли на ванадиевый ангидрид V 2 O 5 или ванадаты щелочных металлов KVO 3.

Окисления диоксида серы до триоксида

Триоксида серы разбавляется в воде сразу же: из-за слишком бурную начальную реакцию в контакте с водой образуется пленка тумана серной кислоты, препятствует дальнейшей реакции. Сначала его вводят в концентрированную серную кислоту, этот раствор называют — олеумом. Затем олеум растворяют в воде до образования серной кислоты.

Растворение серного ангидрита в концентрированной серной кислоте по созданию дисульфатнои кислоты Растворения дисульфатнои кислоты в воде

В последние годы производство серной кислоты возросло в основном в Китае, в то время как в европейских странах, производство сократилось.

В домашних условиях небольшие количества разбавленной серной кислоты можно получить электролизом раствора медного купороса с свинцовым анодом (напряжение должно быть выше 2 В из-за большого перенапряжения выделения кислорода на двуокиси свинца, который образуется на поверхности анода, но не более 5 В, чтобы не перегревать) .

Физические свойства

Почти вся 99% серная кислота теряет SO 3 при кипении с образованием 98,3% кислоты. 98% кислота является стабильной при хранении, и обычно также называется концентрированной. Другие концентрации используются для различных целей. Данные о различных концентрации:

Химически чистая серная кислота представляет собой тяжелую бесцветную маслянистую жидкость. Продают, как правило, 96,5% — ный водный раствор плотностью 1,84 г / см 3 или так называемый «олеум», то есть раствор SO 3 в H 2 SO 4. В воде H 2 SO 4 растворяется очень хорошо (смешивается с водой в неограниченных количествах). При этом выделяется тепло, и раствор очень сильно нагревается (вплоть до кипения воды). Поэтому при добавлении воды к концентрированной серной кислоты последняя разбрызгивается вследствие быстрого преобразования воды в пар. Поэтому при разведении концентрированной H 2 SO 4 надо кислоту вливать в воду (а не наоборот!) Тонкой струей при тщательном перемешивании раствора стеклянной палочкой. Концентрированная серная кислота как и чистая вода плохо проводит ток вследствие малой дисоциациии, удельная электропроводность 1,044 · 10 -2 S / см

Химические свойства

Диссоциация в водном растворе идет в несколько этапов:

Первый этап диссоциации; K 2 = 2.4 x 6 октября (сильная кислота)

Это значение кислотности взятое в качестве основного при определении суперкислот.

Вторая стадия дисоциациии; K 1 = 1,0 x 10 -2

Серная кислота разрушает также много органических веществ, в частности углеводы — дерево, бумага, хлопчатобумажные ткани, сахар и тому подобное. Разрушение этих веществ объясняется тем, что концентрированная серная кислота отнимает от них водород и кислород в виде воды, а углерод остается в виде пористого угля. При действии разбавленной серной кислоты на металлы, которые в электрохимическом ряду активности металлов расположены слева водорода, выделяется водород. Концентрированная серная кислота обладает сильным окислительный эффект и способна реагировать, при нагревании, даже с благородными металлами, такими как медь, ртуть и серебро, хотя при этом она не взаимодействует с железом. Поэтому для перевозки концентрированной серной кислоты используются железные цистерны.

Реакция меди с концентрированной серной кислотой

Применение

Серная кислота является очень важным товаром химической промышленности и является индикатором ее промышленной мощности. Мировое производство в 2004 году составило около 180 млн тонн, при следующем географическом распределении: Азия 35%, Северная Америка 24%, Африка 11%, Западная Европа 10%, Восточная Европа и Россия 10%, Австралия и Океания 7%, Южная Америка 7 %. Большая часть производимой кислоты (~ 60%) расходуется на производство удобрений, суперфосфата фосфата аммония, сульфатов, сульфата аммония. Около 20% используется в химической промышленности для производства моющих средств, синтетических смол, красителей, фармацевтических препаратов, инсектицидов, антифриза, а также для различных технических процессов. Около 6% используют для производства пигментов, красок, эмалей, типографских красок. Используется также как осушитель газов.

Электролит

Серная кислота действует как электролит в свинцово-кислотных аккумуляторах:

На аноде:

Pb + 3 SO2-4 ⇌ PbSO 4 + 2 e —

На катоде:

PbO 2 + 4 H + + SO2-4 + 2 e — ⇌ PbSO 4 + 2 H 2 O

Pb + PbO 2 + 4 H + + 2 SO2-4 ⇌ 2 PbSO 4 + 2 H 2 O

Катализатор

Серная кислота используется, также, для других целей в химической промышленности. Например, она кислотным катализатором для преобразования циклогексанона окси в капролактам, который используется для изготовления капрона. Она используется для изготовления соляной кислоты из соли. Серная кислота используется в нефтеперерабатывающей промышленности, в качестве катализатора реакции изобутана и изобутилена, для образования изооктана, соединения, имеет эталонное октановое число, и пригодной для создания высокооктанового бензина без металлосодержащих присадок.

Безопасность

Серная кислота едкая, хотя из-за значительной вязкость ожог может произойти за время достаточно для смывания кислоты, попавшей на кожу. В этом смысле более опасны олеум и хлорсульфоновая кислота, которые могут быстро наносить сильные ожоги. По коррозионными свойствами менее опасна чем соляная или азотная кислоты поскольку менее летучее и не очень активный окислитель при обычных температурах. Наиболее опасно попадание на открытые слизистые оболочки. Попадание в глаза может произойти при попытке разбавления концентрированной кислоты доливанием к ней воды (прямое нарушение правил обращения с концентрированной серной кислотой), при этом вода закипает и разбрызгивается вместе с кислотой. Пораженные участки промывают большим количеством воды и 5% раствором питьевой соды.

Изображения по теме

Сегодня получение серной кислоты производится в основном двумя промышленными способами: контактным и нитрозным. Контактный способ более прогрессивен и в России он применяется более широко, чем нитрозный, то есть башенный.

Получение серной кислоты начинается с обжига сернистого сырья, например, В специальных колчеданных печах получается так называемый обжиговый газ, в котором содержится около 9 % сернистого ангидрида. Эта стадия одинакова как для контактного, так и для нитрозного способа.

Далее необходимо окислить полученный сернистый ангидрид в серный. Однако предварительно его нужно очистить от ряда примесей, которые мешают дальнейшему процессу. Обжиговый газ очищают от пыли в электрофильтрах или в циклон-аппаратах, а затем подают его в устройство, содержащее твердые контактные массы, где диоксид серы SO 2 окисляется в серный ангидрид SO 3 .

Эта экзотермическая реакция обратима - повышение температуры приводит к разложению образовавшегося серного ангидрида. С другой стороны, при понижении температуры скорость прямой реакции очень мала. Поэтому температуру в контактном аппарате поддерживают в пределах 480 о С, регулируя ее скоростью прохождения газовой смеси.

В дальнейшем при контактном способе образуется при соединении серного ангидрида с водой.

Нитрозный способ характеризуется тем, что окисляется Получение серной кислоты по этому методу запускается образованием сернистой кислоты при взаимодействии из обжигового газа с водой. В дальнейшем полученная сернистая кислота окисляется азотной кислотой, что приводит к образованию монооксида азота и серной кислоты.

Эта реакционная смесь подается в специальную башню. При этом, регулируя поток газа, добиваются, чтобы в газовой смеси, попадающей в поглотительную башню, диоксид и монооксид азота содержался в соотношении 1:1, что необходимо для получения азотистого ангидрида.

Наконец, при взаимодействии серной кислоты и азотистого ангидрида образуется NOHSO 4 - нитрозилсерная кислота.

Образовавшаяся нитрозилсерная кислота подается в продукционную башню, где она, разлагаясь водой, выделяет азотистый ангидрид:

2NOHSO 4 + Н 2 O = N 2 O 3 + 2Н 2 SO 4,

который и окисляет сернистую кислоту, образовавшуюся в башне.

Окись азота, выделившаяся в результате реакции, вновь возвращается в окислительную башню и вступает в новый цикл.

В настоящее время в России получение серной кислоты производится в основном контактным способом. Нитрозный метод используется редко.

Применение серной кислоты весьма широко и разнообразно.

Большая ее часть идет на производство химических волокон и минеральных удобрений, она необходима в производстве лекарственных веществ и красителей. С помощью серной кислоты получают этиловый и другие спирты, моющие средства и ядохимикаты.

Ее растворы применяются в текстильной, пищевой промышленности, в процессах нитрования и для производства Кислота серная аккумуляторная служит электролитом для заливки в свинцовые аккумуляторы, которые широко используются в транспорте.

Серная кислота H 2 SO 4 , молярная масса 98,082; бесцветная маслянистая без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18°С pK a 1 - 2,8, K 2 1,2·10 -2 , pK a 2 1,92; длины связей в S=O 0,143 нм, S-ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит с разложением, образуя (98,3% H 2 SO 4 и 1,7% Н 2 О с температурой кипения 338,8°С; см. также табл. 1). Серная кислота , отвечающая 100%-ному содержанию H 2 SO 4 , имеет состав (%): H 2 SO 4 99,5%, HSO 4 - 0,18%, H 3 SO 4 + 0,14%, H 3 О + 0,09%, H 2 S 2 O 7 0,04%, HS 2 O 7 0,05%. Смешивается с и SO 3 во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на Н + , HSO 4 - и SO 4 2- . Образует H 2 SO 4 ·n H 2 O, где n =1, 2, 3, 4 и 6,5.

растворы SO 3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H 2 SO 4 ·SO 3 и H 2 SO 4 ·2SO 3 . Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции: Н 2 SO 4 +SO 3 =H 2 S 2 O 7 .

Получение серной кислоты

Сырьем для получения серной кислоты служат: S, сульфиды металлов, H 2 S, отходящие теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Основные стадии получения серной кислоты : 1) сырья с получением SO 2 ; 2) SO 2 до SO 3 (конверсия); 3) SO 3 . В промышленности применяют два метода получения серной кислоты , отличающихся способом окисления SO 2 , - контактный с использованием твердых катализаторов (контактов) и нитрозный - с оксидами азота. Для получения серной кислоты контактным способом на современных заводах применяют ванадиевые катализаторы, вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V 2 O 5 обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии щелочных металлов, причем наибольшее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К 2 S 2 О 7 · V 2 О 5 , 2К 2 S 2 O 7 · V 2 O 5 и K 2 S 2 O 7 ·V 2 O 5 , разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.

Схему окисления SO 2 в SO 3 можно представить следующим образом:

На первой стадии достигается равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.

Производство серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующих стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной серной кислотой до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О 2 = SO 2 + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO 2 , охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO 2 9-10% по объему при 420°С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO 2 + V 2 O 2 = SO 3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках. Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO 3 , при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый и 98%-ной серной кислотой : SO 3 + Н 2 О = Н 2 SO 4 + 130,56 кДж. Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты , нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой , и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.

1 - серная печь; 2 - котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4 - пусковая топка; 5, 6 - теплообменники пусковой топки; 7 - контактный аппарат; 8 - теплообменники; 9 - олеумный абсорбер; 10 - сушильная башня; 11 и 12 - соответственно первый и второй моногидратные абсорберы; 13 - сборники кислоты.

1 - тарельчатый питатель; 2 - печь; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклоны; 5 - электрофильтры; 6 - промывные башни; 7 - мокрые электрофильтры; 8 - отдувочная башня; 9 - сушильная башня; 10 - брызгоуловитель; 11 - первый моногидратный абсорбер; 12 - теплообменники; 13 - контактный аппарат; 14 - олеумный абсорбер; 15 - второй моногидратный абсорбер; 16 - холодильники; 17 - сборники.

1 - денитрационная башня; 2, 3 - первая и вторая продукционные башни; 4 - окислительная башня; 5, 6, 7 - абсорбционные башни; 8 - электрофильтры.

Производство серной кислоты из сульфидов металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующих операций. Обжиг FeS 2 производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS 2 + 11О 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + 13476 кДж. Обжиговый газ с содержанием SO 2 13-14%, имеющий температуру 900°С, поступает в котел, где охлаждается до 450°С. Очистку от пыли осуществляют в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые 40%-ной и 10%-ной серной кислотой . При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты , образующегося в промывных башнях, предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне, перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO 2 , его газодувкой подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ подогревается до 420°С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии конверсии. SO 2 , окисленный на 92-95% в SO 3 , идет на первую стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от SO 3 . Далее газ с содержанием SO 2 ~ 0,5% поступает на вторую стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно газ нагревается в другой группе теплообменников до420 °С благодаря теплу газов, идущих со второй стадии катализа. После отделения SO 3 на второй стадии абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.

Степень превращения SO 2 в SO 3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO 3 99,97%. Производство серной кислоты осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO 2 в SO 3 не превышает 98,5%. Перед выбросом в атмосферу газ очищают от оставшегося SO 2 (см. ). Производительность современных установок 1500-3100 т/сут.

Сущность нитрозного метода (рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают так называемой нитрозой - серной кислотой , в которой растворены оксиды азота. SO 2 поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO 2 + N 2 O 3 + Н 2 О = Н 2 SO 4 + NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до NO 2 . Смесь NO и NO 2 вновь поглощается серной кислотой и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производственный цикл, вследствие неполного поглощения их серной кислотой они частично уносятся отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO 2 .

Аппаратурное оформление башенного нитрозного процесса несложно: SO 2 перерабатывается в 7-8 футерованных башнях с керамической насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым окислительным объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты служит электрофильтр. Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO 3 . Для сокращения выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO 2 между продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки SO 2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания оксидов азота. Недостаток нитрозного метода - низкое качество продукции: концентрация серной кислоты 75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.

Для уменьшения возможности кристаллизации серной кислоты при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные сорта серной кислоты , концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации. Содержание серной кислоты в технических сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0, олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. Серную кислоту хранят в стальных резервуарах объемом до 5000 м 3 , их общая емкость на складе рассчитана на десятисуточньй выпуск продукции. Олеум и серную кислоту перевозят в стальных железнодорожных цистернах. Концентрированную и аккумуляторную серную кислоту перевозят в цистернах из кислотостойкой стали. Цистерны для перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.

Определяют серную кислоту колориметрически и фотометрически, в виде взвеси BaSO 4 - фототурбидиметрически, а также кулонометрическим методом.

Применение серной кислоты

Серную кислоту применяют в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения различных минеральных кислот и солей, химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности. Ее используют в промышленном органическом синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования ( и промежуточные продукты в производстве красителей), алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На 1 т Р 2 О 5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты , а на 1 т (NH 4) 2 SO 4 - 0,75 т серной кислоты . Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Мировое производство серной кислоты в 1987 достигло 152 млн. тонн.

Серная кислота и олеум - чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т.д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м 3 , в атмосферном 0,3 мг/м 3 (максимальная разовая) и 0,1 мг/м 3 (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Промышленный выпуск серной кислоты начался в XV веке – тогда это вещество носило название «купоросное масло». На сегодняшний день является востребованным веществом, которое повсеместно используется в промышленности. Если на заре открытия серной кислоты вся потребность человечества в этом веществе составляла несколько десятков литров, то сегодня счёт идёт на миллионы тонн в год.

Чистая серная кислота (формула H2SO4) в концентрации 100% представляет собой густую бесцветную жидкость. Главное её свойство – высокая гигроскопичность, сопровождающаяся высоким выделением тепла. К концентрированным относятся растворы от 40% — они могут растворить палладий или серебро. В меньшей концентрации вещество менее активно и вступает в реакцию, например, с медью или латунью.

В чистом виде H2SO4 встречается в природе. Например, в Мёртвое озеро на Сицилии серная кислота сочится из дна: в этом случае сырьём для неё вступает пирит из земной коры. Также небольшие капли серной кислоты часто оказываются в земной атмосфере после крупных извержений вулканов, в таком случае H2SO4 может служить причиной существенных изменений климата.

Получение серной кислоты.

Несмотря на наличие серной кислоты в природе, основная её часть производится промышленным способом.

Наиболее распространённым на сегодня является контактный способ производства: он позволяет снизить вред для окружающей среды и получить продукт, максимально подходящий всем потребителям. Менее популярен нитрозный метод производства, подразумевающий окисление оксидом азота.

В качестве сырья при контактном производстве выступают следующие вещества:

• Сера;
• пирит (серный колчедан);
• оксид ванадия (используется в качестве катализатора);
• сульфиды различных металлов;
• сероводород.

Перед началом производственного процесса сырьё проходит подготовку, в ходе которой в первую очередь в специальных дробильных машинах измельчается колчедан. Это позволяет ускорить реакцию благодаря увеличению площади соприкосновения активных веществ. Затем пирит очищается: для этого его погружают в большие ёмкости с водой, при этом примеси и пустая порода всплывают на поверхность, после чего их убирают.

Само производство можно разделить на несколько стадий:

1. Очищенный после измельчения колчедан загружается в печь, где происходит его обжиг при температуре до 800 градусов. Снизу в камеру подаётся воздух по принципу противотока, благодаря чему перит находится в подвешенном состоянии. Раньше такой обжиг проходил в течение нескольких часов, а сейчас процесс занимает несколько секунд. Отходы в виде оксида железа, образовавшиеся в процессе обжига, удаляются и отправляются на металлургические предприятия. В ходе обжига выделяются газы SO2 и O2, а также пары воды. После очистки от мельчайших частиц и паров воды получается кислород и чистый оксид серы.
2. На втором этапе под давлением происходит экзотермическая реакция, в которой участвует ванадиевый катализатор. Старт реакции происходит при температуре 420 градусов, но для большей эффективности она может быть поднята до 550 градусов. В ходе реакции происходит каталитическое окисление и SO2 превращается в SO
3. Третий производственный этап заключается в поглощении SO3 в поглотительной башне, в результате чего образуется олеум H2SO4, который разливается в цистерны и оправляется потребителям. Избыток тепла в ходе производства используется для отопления.

В России ежегодно производится около 10 миллионов тонн H2SO4. При этом основными производителями выступают компании, которые также являются её основными потребителями. В основном, это предприятия, выпускающие минеральные удобрения, например, «Аммофос», «Балаковские минудобрения». Так как колчедан, выступающий основным сырьём, является отходом обогатительных предприятий, то его поставщики это Талнахская, а также Норильская обогатительные фабрики.

В мире лидерами по производству H2SO4 являются Китай и США, ежегодно выпускающие соответственно 60 и 30 миллионов тонн вещества.

Применение серной кислоты.

Мировая промышленность ежегодно потребляет около 200 миллионов тонн серной кислоты для производства множества видов продукции. По объёмам использования в промышленности среди всех кислот она занимает первое место.

1. Производство удобрений. Главным потребителем серной кислоты (около 40%) является производство удобрений. Именно поэтому заводы, производящие H2SO4 строят поблизости заводов, выпускающих удобрения. Иногда они являются частями одного и того же предприятия с общим циклом производства. В этом производстве используется чистая кислота 100% концентрации. На производство тонны суперфосфата, или аммофоса, чаще всего использующихся в сельском хозяйстве, уходит около 600 литров серной кислоты.
2. Очистка углеводородов. Производство бензина, керосина, минеральных масел также не обходится без серной кислоты. Эта индустрия потребляет ещё около 30% всей производимой в мире H2SO4, которая в данном случае используется для очистки в процессе переработки нефти. Также ей обрабатывают скважины при добыче нефти и увеличивают октановое число топлива.
3. Металлургия. Серная кислота в металлургии применяется для очистки листового металла, проволоки и всевозможных заготовок от ржавчины, окалины, а также для восстановления алюминия в процессе производства цветных металлов. Используется для травления металлических поверхностей перед покрытием их никелем, хромом или медью.
4. Химическая промышленность. При помощи H2SO4 производится множество органических и неорганических соединений: фосфорной, плавиковой и других кислот, сульфата алюминия, который используется в целлюлозно-бумажной промышленности. Без неё невозможно производство этилового спирта, лекарств, моющих средств, инсектицидов и других веществ.

Область применения H2SO4 поистине огромна и невозможно перечислить все способы её промышленного использования. Она также применяется для очистки воды, производства красителей, в качестве эмульгатора в пищевой промышленности, при синтезе взрывчатых веществ и для многих других целей.