Реферат: Производство серной кислоты
<i/>.
Серную кислоту производят в больших количествах насернокислотных заводах.
I.Сырьё, используемое для производства серной кислоты:
1. Самородная сера S 2.Пирит (серный колчедан) FeS2
3.Сероводород H2S
4.Сульфиды цветных металлов ZnS, Cu2S
II. Подготовка сырья.
Разберём производство серной кислоты из пирита FeS2.
1) Измельчение пирита.
Перед использованием большие куски пирита измельчают вдробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакцииувеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновенияреагирующих веществ.
2) Очистка пирита.
После измельчения пирита, его очищают от примесей(пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускаютв огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затемпустую породу удаляют.
III. Химизм производства.
Производство серной кислоты из пирита состоит из трёхстадий.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
ПЕРВАЯ СТАДИЯ — обжиг пирита в печи для обжига в«кипящем слое».
Уравнение реакции первой стадии
t =800°C
4FeS2 + 11O2/>2Fe2O3 + 8SO2 + Q
/>
Измельчённыйочищенный 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 дляобжига достигает 800°С. Пирит раскаляется до красна и находится в«подвешенном состоянии» из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже этовсё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.
Засчёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура впечи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы сводой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центральногоотопления рядом стоящих помещений.
Образовавшийсяоксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислотыне используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, накотором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом — сталь (2% углерода С в сплаве) и чугун (4% углерода С в сплаве).
Такимобразом выполняется принцип химического производства — безотходностьпроизводства.
/>
Изпечи выходит печной газ, состав которого: SO2, O2, парыводы (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такойпечной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
Очисткапечного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа — в циклоне(используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенкициклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическоепритяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинамэлектрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаютсявниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используютсерную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем,поскольку поглощает воду.
/>
Осушкупечного газа проводят в сушильной башне — снизу вверх поднимается печной газ, асверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильнойбашни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газтеперь представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.
ВТОРАЯ СТАДИЯ — окисление SO2 в SO3кислородом.
Протекает в контактном аппарате.
Уравнение реакции этой стадии: 2SO2 + O2/>2SO3+ Q
Сложностьвторой стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другойявляется обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протеканияпрямой реакции (получения SO3).
/>
а)температура:
Прямаяреакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химическогоравновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторонуэкзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, сдругой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает.Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальнойтемпературой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO3является температура 400-500°С. Это достаточно низкая температура в химическихпроизводствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкойтемпературе в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили,что наилучшим катализатором для этого процесса является оксид ванадия V2O5.
б)давление:
Прямаяреакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO2и 1V O2), а справа — 2V SO3. Раз прямая реакция протекаетс уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химическогоравновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят приповышенном давлении.
Преждечем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, еёнеобходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается втеплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходитмежду трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубокпроходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактныйаппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужнойтемпературы, проходя между трубками в контактном аппарате.
Температура400-500°С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты вреакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксидасеры и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2в SO3.
Образовавшийсяоксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменникпопадает в поглотительную башню.
ТРЕТЬЯ СТАДИЯ — поглощение SO3 сернойкислотой.
Протекаетв поглотительной башне.
/>
Апочему оксид серы SO3 не поглощают водой? Ведь можно было бы оксидсеры растворить в воде: SO3 + H2O />H2SO4. Нодело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуетсясерная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты(оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, сернаякислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того,чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-нуюконцентрированную серную кислоту. Два процента воды — это так мало, чтонагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошорастворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4·nSO3.
Уравнениереакции этого процесса nSO3 + H2SO4/>H2SO4·nSO3
Образовавшийсяолеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумомзаполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.
Охрана окружающей среды,
связанная с производством серной кислоты.
Основнымсырьем для производства серной кислоты, является сера. Она относится к числунаиболее распространенных числу химических элементов на нашей планете.
Производствосерной кислоты происходит в три стадии на первой стадии получают SO2, путем обжига FeS2, затем SO3, послечего на третьей стадии получают серную кислоту.
Научно-техническая революция и связанный с нейинтенсивный рост химического производства, вызывает существенные негативныеизменения в окружающей среде. Например отравление пресных вод, загрязнениеземной атмосферы, истребление животных и птиц. В результате мир оказался втисках экологического кризиса. Вредные выбросы сернокислых заводов следуетоценивать не только по действию содержащегося в них оксида серы нарасположенные вблизи предприятия зоны, но и учитывать другие факторы — увеличение количества случаев респираторных заболеваний человека и животных,гибель растительности и подавление ее роста, разрушение конструкций изизвестняка и мрамора, повышение коррозионного износа металлов. По вине “кислых”дождей повреждены памятники архитектуры (Тадж-Макал).
Взоне до 300 км от источника загрязнения (SO2) опасность представляет серная кислота, в зоне до 600км. — сульфаты. Серная кислота и сульфаты замедляют рост с/х культур.Закисление водоемов (весной при таянии снега, вызывает гибель икр и молоди рыб.Помимо экологического ущерба налицо экономический ущерб — громадные суммыкаждый год теряются при раскисление почв.
Рассмотримхимические метода отчистки от наиболее распространенных газообразныхзагрязняющих воздух веществ. Известно более 60 методов. Наиболее перспективныметоды, основанные на поглощение оксида серы известняком, раствором сульфита — гидросульфита аммония и щелочным раствором алюмината натрия. Интерес такжепредставляют каталитические методы окисления оксида серы в присутствии оксидаванадия.
Особоезначение имеет очистка газов от фторсодержащих примесей, которые даже внезначительной концентрации вредно влияют на растительность. Если в газахсодержится фтороводород и фтор, то их пропускают через колоны с насадкойпротивотоком по отношению к 5-10% раствору гидроксида натрия. В течении однойминуты протекают следующие реакции:
F2+2NaOH-> O2+H2O+2NaF
HF+NaOH->NaF+H2O;
Образующийсяфторид натрия обрабатывают для регенерации гидроксида натрия:
2NaF+CaO+H2O->CaF2+2NaOH