Зачем избавляться от соединений серы и мышьяка?
Производство серной кислоты.
Производство серной кислоты как его понять, а тем более выучить?
Что ж. Начнем по порядку.
Напишем формулу серной кислоты – H2SO4.
Вспомним свойства серной кислоты – окислитель при нагревании, пассивирует железо, хром, алюминий в холодном состоянии, тяжелая маслянистая жидкость (плотность 1,84 г/см3). В промышленности получают концентрацией 92 – 94 %. Хорошо поглощает влагу. В разбавленном состоянии реагирует с металлами, стоящими до водорода в электрохимическом ряду напряжения металлов. При разбавлении серной кислоты выделяется колоссальное количество тепла.
Раньше серную кислоту называли купоросным маслом, а ее соли называются купоросами.
Сера в серной кислоте находится в степени окисления +6. Серной кислоте соответствует кислотный оксид – SO3.
Серную кислоту можно получить по реакции взаимодействия кислотного оксида с водой:
SO3 +H2O = H2SO4
Все эти свойства необходимо знать, чтобы подобрать материалы для оборудования и создать технологию.
Вернемся к формуле серной кислоты. Что мы видим: серная кислота состоит из трех элементов – серы, водорода и кислорода.
Значит для производства серной кислоты нам нужны вещества, содержащие эти элементы.
Сера: сера в природе встречается в самородном виде, входит в состав сульфидных руд металлов, а также входит в состав «болотного газа» - сероводорода, серу выделяют из нефти.
|
|
|
Водород: огромное количество водорода находится в составе воды.
Кислород: находится в виде газа в воздухе (21 % об), а также входит в состав воды.
Все вышеперечисленные вещества могут быть использованы для производства серной кислоты в качестве сырья.
В качестве серосодержащего сырья наибольшее применение получили пирит (серный колчедан FeS 2) и сера.
Интересный факт: а Вы знали, что пирит называли раньше – «золотом дураков». Такое вот яркое название для запоминания пирита!
Пирит – это дисульфид железа (+2). Как нам из него извлечь серу?
Можно его сжечь в токе кислорода воздуха:
Реакция такая:
4FeS2(тв.) + 11O2(газ) = 2Fe2O3(тв.) + 8SO2(газ) + Q
Надо помнить (NB!), что сера в степенях окисления -2, 0 окисляется только до серы с степени окисления +4, то есть получаем SO 2.
При данной реакции выделяется огромное количества тепла, вспоминаем, что все реакции с кислородом очень экзотермичны.
А теперь подключаем знания общей химии.
Смотрим на реакцию и анализируем ее.
1. Реакция протекает с большим выделением тепла (температура в печи может достигать более 1000 °С), если его не утилизировать это приведет к спеканию руды, да и какой материал аппарата выдержит такие температуры. Поэтому процесс ведут при температуре 700 -850 °С. Как отводить тепло для этого используют металлические трубы (змеевики), по которым подается вода. Вода, нагреваясь превращается в пар, при этом очень много тепла используется для испарения. Вспомним свойства воды у нее большая теплоемкость за счет образования водородных связей.
|
|
|
2. Реакция гетерогенная - реагирующие вещества находятся в разных агрегатных состояниях. Для увеличения скорости процесса необходимо измельчать твердые реагенты, что и делается на производстве. Руду измельчают до определенного размера (конечно предварительно удаляют пустую породу). Также для увеличения контакта фаз процесс ведут в так называемом «кипящем слое». Воздух или воздух, обогащенный кислородом, подают снизу печи вентилятором (газодувкой), при этом частички пирита за счет потока воздуха поднимаются вверх, омываются воздухом, тем самым достигается два эффекта: увеличивается поверхность контакта фаз и пирит не спекается в монолитную массу.
3. Для увеличения скорости реакции нужно увеличивать температуру (вспоминаем правило Вант-Гоффа). Здесь тепла достаточно, за счет самого процесса. Такие процессы называются автотермичными.
|
|
|
Вот мы и получили SO2 (печной газ, сернистый газ). Но не все так просто.
4. Для увеличения скорости процесса один из реагентов должен быть в избытке (Закон действующих масс) – и это кислород. Как мы поймем дальше он нам еще понадобится для окисления SO2 в SO3.
К сожалению, в руде содержаться и другие элементы, в частности селен и мышьяк, которые в виде оксидов тоже переходят в состав печного газа. Полученный печной газ содержит большое количество пыли (твердой фазы) – это частички пирита, оксида железа, а также пары воды (из сырья и воздуха).
Такой газ на окисление подавать нельзя. Это все равно, что варить блюдо из неощипанной и непотрошеной курицы.
Значит, проводим очистку газа. Ее обычно проводят в 2 стадии в 3-х аппаратах.
Первая стадия – сухая очистка. Избавляемся от пыли, сначала в циклонах за счет центробежных сил (степень очистка примерно 80 %), затем в электрофильтрах. На электроды подают постоянный электрический ток. В электрическом поле частички электризуются (приобретают заряд) и осаждаются на электродах.
Вторая стадия –мокрая очистка. Здесь в больших полых башнях, внутри которых находятся керамические кольца происходит очистка сернистого газа от паров воды (вспоминаем водоотнимающие свойства серной кислоты) и от оксидов мышьяка и селена, остаточного содержания пыли.
|
|
|
Как это происходит?
На самом деле их несколько промывные и сушильные. В промывных удаляется пыль, оксиды селена и мышьяка, а сушильной баше происходит осушка сернистого газа.
Сверху в башню подается концентрированная серная кислота (в сушильной 98 %), а снизу подается газ. Получается противоток.
Зачем избавляться от соединений серы и мышьяка?
Соединения серы и мышьяка являются каталитическими ядами для катализатора окисления диоксида серы в триоксид серы.
Осушенный сернистый газ выходит сверху подается на подогрев в теплообменник.
Теплообменник (обмен теплом) – цилиндрический аппарат внутри которого находятся металлические трубки. Сернистый газ омывает трубки охлаждает их, а сам нагревается. По трубкам идет окисленный газ из контактного аппарата.
Следующая стадия - это окисление сернистого газа с получением SO3, т.к. именно из него можно получить серную кислоту.
Окисления SO2 в SO3 протекает по реакции:
2SO2(газ) + О2(газ) = 2SO3(газ) + Q
Что надо знать по данной реакции:
1. Реакция протекает в газовой фазе, но на твердом катализаторе (V2O5).
Катализатор можно представить в виде оранжево-желтых макарошек.
Надо помнить (NB!), что катализатор - это вещества, ускоряющие скорость реакции, но не влияющие смещение равновесия. Катализатор не расходуется в реакции.
2. Реакция протекает с большим выделением тепла – реакция экзотермическая.
3. Реакция равновесная и протекает с уменьшением количества газообразных продуктов (3 моля реагентов и 2 моля продукта).
Эти знания нам позволят определить оптимальные условия проведения процесса.
С точки зрения принципа Ле-Шателье – смещения химического равновесия:
1. Реакция экзотермическая значит, необходимо отводить тепло. Для этого у нас есть теплообменник – охлаждаем SO3, нагреваем сернистый газ.
2. Надо увеличивать давление, т.к. реакция идет с уменьшением количества газообразных веществ.
3. Надо увеличивать концентрацию кислорода (он у нас в избытке подается на стадии обжига колчедана).
С точки зрения увеличения скорости:
1. У данной реакции большая энергия активации, нужен катализатор. Применяется оксид ванадия (+5). Катализатор работает в интервале 450 – 500 °С. Он снижает свою активность (отравляется при наличии в газе пыли, соединений мышьяка и селена).
2. Реакция газовая – повышение давления тоже будет увеличивать скорость реакции.
3. Избыток кислорода приводит к увеличению скорости реакции.
И последняя стадия – поглощение триоксида серы. Реакция простая ее уже писали вначале вебинара:
SO3 +H2O = H2SO4 + Q
Вопрос чем поглощать SO3?
На самом деле поглощение ведут в 2 стадии в башнях. И поглощение ведут не водой, концентрированной серной кислотой. В первой башне кислотой с концентрацией – 98 %, а во второй – кислотой с концентрацией 80 %.
Почему так?
Сначала вспомним, растворы содержат два вещества воду и собственно серную кислоту.
При разбавлении кислоты выделяется много тепла, также как и при растворении SO3 в воде.
Разбавленные растворы очень коррозионно активны.
Но самое главное если применять чистую воду за счет тепла реакции выделяется много тепла, и кислота превращается в туман серной кислоты, который тяжело уловить.
И что мы получаем: туман серной разбавленной серной кислоты, который тяжело улавливается и разрушает все на своем пути.
Поэтому SO3 поглощают (абсорбируют) серной кислотой 98 %. При этом сначала взаимодействует SO3 с водой (в кислоте 2 % воды) и получается 100 % - ная серная кислота, а затем в этой кислоте растворяется дальше SO3 с получением сернокислотного олеума. Олеум – это раствор SO3 в 100 % серной кислоте - Н2SO4*SO3.
Оставшееся количество SO3 поглощается в так называемом моногидратном абсорбере.
Дата добавления: 2020-12-12; просмотров: 58; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!