Кроме того, серная кислота применяется для производства некоторых кислот (фосфорной, соляной, уксусной), сульфатов, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, ядохимикатов, а также при производстве цветных и редких металлов, спиртов, эфиров. Серная кислота H2SO4 - сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы ( 6). Серная кислота проявляет все свойства сильных кислот: а) взаимодействует с основными оксидами, например: H2SO4 = CUSO4 H2O. б) с основаниями, например: NAOH H2SO4= Na2 SO4 2H2O. в) вытесняет другие кислоты из их солей, например те, которые слабее нее: H2SO4 = CASO4 CO2 H2O. или более летучие (обладающие температурами кипения ниже, чем у серной кислоты) : тв. Так, кислота серная техническая и олеум технический (ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов, в металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, на металлообрабатывающих заводах серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий.Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы. Около половины серной кислоты получают из серы, треть - из колчедана. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов. После охлаждения до температуры 450 ?С газ поступает на третий слой контактного аппарата, где степень превращения SO2 увеличивается до 94,0-94,5 %, а температура повышается до 470 °С. Использовано серы на образование диоксида серы SO2В курсовой работе рассмотрены теоретические аспекты производства серной кислоты из серного колчедана, произведен расчет материального и теплового баланса. В производстве H2SO4 соблюдены основные направления развития химической промышленности: технология малоотходная - переход сырья в целевой продукт достигает 99.9%; энергосберегающее, так как процесс обеспечивает свое энергосбережение. Поскольку процесс непрерывен, он обладает рядом достоинств: большое количество продукта с 1-го объема аппарата; высокая интенсивность процесса; исключение потерь тепла изза термодинамичности - нагрев-охлаждение; легкость автоматизации технологического процесса.
Введение
Серная кислота - важнейший продукт основой химической промышленности. Среди минеральных кислот, производимых химической промышленностью, серная кислота по объему производства и потребления занимает первое место. Объясняется это двумя причинами: ее дешевизной по сравнению со всеми другими кислотами, и ее свойствами. Серную кислоту применяют в различных отраслях народного хозяйства, поскольку она обладает комплексом особых свойств, облегчающих ее технологическое использование. Серная кислота не дымит, в концентрированном виде не корродирует черные металлы, способна образовывать многочисленные устойчивые соли и является дешевым сырьем для различных производств. Крупнейшим потребителем серной кислоты в настоящее время является промышленность фосфорных и азотных минеральных удобрений, таких как сульфат аммония, аммофос, суперфосфат и др. Простой суперфосфат получают обработкой апатитов и фосфоритов серной кислотой. Применение минеральных удобрений способствует повышению урожайности сельскохозяйственных культур и содержания в них полезных веществ. Кроме того, серная кислота применяется для производства некоторых кислот (фосфорной, соляной, уксусной), сульфатов, искусственных волокон, лаков, красок, пластмасс, моющих средств, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, ядохимикатов, а также при производстве цветных и редких металлов, спиртов, эфиров. Она расходуется на очистку нефтепродуктов, в качестве электролита в кислотных аккумуляторах, в машиностроении - на подготовку поверхности металлов при нанесении гальванических покрытий. В металлообрабатывающей промышленности серная кислота и ее соли применяют для травления стальных изделий. Прежде, чем найти применение веществу, сначала подробно изучают его физические и химические свойства. После этого становятся ясны границы использования вещества.
1.Аналитический обзор
1.1 Серная кислота: физико-химические свойства, применение
Физические свойства
Серная кислота H2SO4 - сильная двухосновная кислота, отвечающая высшей степени окисления серы ( 6). При обычных условиях концентрированная серная кислота - тяжелая маслянистая жидкость без цвета и запаха. В технике серной кислотой называют ее смеси как с водой, так и с серным ангидридом SO3. Реактивная серная кислота имеет обычно плотность 1,84 г/см3 и содержит около 95 % H2SO4. Затвердевает она лишь ниже минус 20 °С. Температура плавления моногидрата равна 10,37 °С при теплоте плавления 10,5 КДЖ/моль. В обычных условиях он представляет собой очень вязкую жидкость с весьма высоким значением диэлектрической проницаемости (e=100 при 25 °С). Стандартная энтальпия образования ДН=298 КДЖ/моль. Стандартная энергия Гиббса образования ДG=298 КДЖ/моль. Стандартная энтропия образования S=298 Дж/моль·K. Стандартная мольная теплоемкость Cp=298 Дж/моль·K.
Химические свойства
Серная кислота - сильная двухосновная кислота, диссоциация ее протекает по двум ступеням: SO4 = H HSO4 - первая ступень = H SO4 - вторая ступень.
В концентрированных растворах диссоциация серной кислоты по второй ступени незначительна.
Серная кислота - сильнейшее дегидратирующее (водоотнимающее) вещество. Она поглощает влагу из воздуха (гигроскопична), отнимает воду от кристаллогидратов:
Серная кислота проявляет все свойства сильных кислот: а) взаимодействует с основными оксидами, например: H2SO4 = CUSO4 H2O. б) с основаниями, например: NAOH H2SO4= Na2 SO4 2H2O. в) вытесняет другие кислоты из их солей, например те, которые слабее нее: H2SO4 = CASO4 CO2 H2O. или более летучие (обладающие температурами кипения ниже, чем у серной кислоты) : тв. H2SO4 (конц). = NAH SO4 HNO3 - при нагревании.
В окислительно-восстановительных реакциях разбавленная серная кислота проявляет свойства обычной кислоты (неокислитель) - при этом восстанавливаются ионы Н , например:
Fe H2SO4 (разб). = Fe SO4 H2.
Разбавленная H2SO4 не взаимодействует с металлами, стоящими в ряду напряжений правее водорода. Концентрированная серная кислота - кислота-окислитель, при этом восстанавливается сера ( 6). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода: Cu 2 H2SO4 (конц). = Cu SO4 SO2 2H2O и металлы, стоящие левее водорода, при этом сера восстанавливается до степени окисления 4, 0 и -2: Zn 2 H2SO4 = Zn SO4 SO2 2H2O (1,12) 3Zn 4 H2SO4 =
= 3Zn SO4 S 4H2O;
Zn 5 H2SO4 = 4Zn SO4 H2S 4H2O.
Железо, алюминий, хром концентрированной серной кислотой пассивируются (не реагируют), однако при сильном нагревании реакция начинается, например: 2Fe 6 H2SO4 = Fe2(SO4)3 3SO2 6H2O.
Концентрированная серная кислота окисляет неметаллы, например: C 2H2SO4 = CO2 2SO2 2H2O (1,16) S 2 H2SO4 = 3SO2 2H2O.
Концентрированная серная кислота окисляет также сложные вещества, например HI и HBR: 2HBR H2SO4 = Br2 SO2 2H2O;
Серную кислоту выпускают нескольких сортов. Они отличаются концентрацией и количеством примесей. Для производства медицинских препаратов, особо чистых реактивов, для заливки аккумуляторов требуется чистая кислота. При травлении металлов, в производстве суперфосфата можно воспользоваться кислотой, имеющей некоторые загрязнения. Экономически это выгодно. Такая кислота более дешевая.
Сернокислотная промышленность выпускает так называемый олеум, используемый при производстве некоторых органических препаратов, взрывчатых веществ. Олеум представляет собой раствор серного ангидрида в серной кислоте. Сорта олеума различаются по концентрации серного ангидрида в серной кислоте. Для некоторых особых целей выпускают олеум, содержащий серного ангидрида до 60 %. Так, кислота серная техническая и олеум технический (ГОСТ 2184-77) применяются в производстве различных солей, кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, взрывчатых веществ, минеральных удобрений, в качестве водоотнимающего и осушающего средства, в процессах нейтрализации, травления и многих других. Эти продукты не горючи и относятся к веществам 2-го класса токсичности.
Серная кислота находит самое широкое применение. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На 1 т Р2О5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH4)2SO4 - 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Серная кислота также используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов, в металлургии серную кислоту применяют для обнаружения микротрещин в готовой продукции, на металлообрабатывающих заводах серную кислоту используют в цехах гальванопокрытий. Как известно, перед нанесением на металлические изделия электрическим методом никеля, хрома, меди их нужно тщательно очистить, протереть, обезжирить и, наконец, выдержать непродолжительное время в ванне с раствором серной кислоты. При этом она растворяет тончайший слой металла и с ним удаляются следы загрязнений. В то же время поверхность металла становится более шершавой: на ней появляются микроскопические углубления и выступы. Электролитические покрытия к такой поверхности лучше пристают и более прочно сцеплены с металлом. Также серная кислота необходима для переработки различных руд и ископаемых. При переработке руд редких металлов большое значение имеет кислотный способ их расщепления. Обычно для этой цели используют наиболее дешевую нелетучую серную кислоту. Измельченную руду смешивают в определенной пропорции с серной кислотой и нагревают. Полученный раствор и осадок дальше перерабатывают химическим путем, исходя из химических свойств того элемента, который нужно выделить из раствора. На химическую переработку руд редких элементов расходуют тысячи тонн серной кислоты. Большое количество серной кислоты требуется нефтеперерабатывающей промышленности для очистки нефти и ее различных фракций. В органическом синтезе концентрированная серная кислота - необходимый компонент при получении многих красителей и лекарственных веществ. Широко применяются соли серной кислоты. Сульфат натрия (глауберова соль Na2SO4•10Н2О) применяется для производства соды и в стекольной промышленности. Сульфат кальция распространен в природе в виде двуводного кристаллогидрата гипса (CASO4•2Н2О) и безводной соли ангидрита (Са, SO4). Ангидритовые вяжущие материалы получают путем обжига гипсового камня при повышенных температурах (600-700 ОС) с различными добавками. При этом получают отделочный гипсовый цемент и кальцинированный гипс (экстрих-гипс). Эти материалы затвердевают значительно медленнее, чем полуводный гипс, и применяются для изготовления строительных растворов и бетонов малой прочности, а также искусственного мрамора, бесшовных настилов полов и др. Сульфат магния, или горькая соль (MGSO4•7Н2О) применяется в медицине как слабительное. Сульфат железа (II), или железный купорос (FESO4 • 7Н2О) применяется для приготовления желтой кровяной соли (К4[Fe(CN)6]), чернил, для очистки воды и консервирования дерева. Сульфат меди, или медный купорос (CUSO4 • 5Н2О) применяется для борьбы с различными грибками - вредителями сельского хозяйства, для производства медных покрытий и получения различных соединений меди. Из растворов, содержащих сульфат трехвалентного металла (Fe3 , Al3 , Сг3 ) и сульфат одновалентного металла (К , NH4 , Rb ), выкристаллизовываются двойные соли типа К2SO4Al2(SO4)32 • 4H2O или KAL(SO4)3 • 12Н2О. Вместо калия и алюминия могут стоять в любом сочетании перечисленные элементы. Эти соединения называются квасцами. Квасцы существуют только в твердом виде. В растворе они ведут себя как две самостоятельные соли, т. е. как смесь сульфатов одно- и трехвалентных металлов. Разбавленные растворы серной кислоты и ее солей применяют в текстильной, а также в других отраслях легкой промышленности. В пищевой промышленности серная кислота применяется для получения крахмала, патоки и ряда других продуктов. В электротехнике она используется в качестве электролита в аккумуляторах. Серную кислоту используют для осушки газов и при концентрации кислот. Наконец, серную кислоту применяют как компонент реакционной среды в процессах нитрования, в частности, при получении взрывчатых веществ.
1.2 Способы получения серной кислоты
Серную кислоту получают из SO2 двумя способами: нитрозным (башенным) и контактным.
Нитрозный способ
Переработка SO2 в серную кислоту по нитрозному способу осуществляется в продукционных башнях - цилиндрических резервуарах (высотой 15 м и более), заполненных насадкой из керамических колец. Сверху, навстречу газовому потоку разбрызгивается "нитроза" - разбавленная серная кислота, содержащая нитрозилсерную кислоту NOOSO3H, получаемую по реакции: N2O3 2 H2SO4 = 2 NOOSO3H H2O.
Окисление SO2 окислами азота происходит в растворе после его абсорбции нитрозой. Водою нитроза гидролизуется: NOOSO3H H2O = H2SO4 HNO2.
Сернистый газ, поступивший в башни, с водой образует сернистую кислоту: SO2 H2O = H2SO3.
Взаимодействие HNO2 и H2SO3 приводит к получению серной кислоты: 2 HNO2 H2SO3 = H2SO4 2 NO H2O.
Выделяющаяся NO превращается в окислительной башне в N2O3 (точнее в смесь NO NO2). Оттуда газы поступают в поглотительные башни, где навстречу им сверху подается серная кислота. Образуется нитроза, которую перекачивают в продукционные башни. Таким образом осуществляется непрерывность производства и круговорот окислов азота. Неизбежные потери их с выхлопными газами восполняются добавлением HNO3.
Серная кислота, получаемая нитрозным способом, имеет недостаточно высокую концентрацию и содержит вредные примеси (например, As). Ее производство сопровождается выбросом в атмосферу окислов азота ("лисий хвост", названный так по цвету NO2).
Контактный способ
Принцип контактного способа производства серной кислоты был открыт в 1831 П. Филипсом (Великобритания). Первым катализатором была платина. В конце 19 - начале 20 вв. было открыто ускорение окисления SO2 в SO3 ванадиевым ангидридом V2O5. Особенно большую роль в изучении действия ванадиевых катализаторов и их подборе сыграли исследования советских ученых А. Е. Ададурова, Г. К. Борескова, Ф. Н. Юшкевича.
Современные сернокислотные заводы строят для работы по контактному методу. В качестве основы катализатора применяются окислы ванадия с добавками SIO2, Al2O3, K2O, CAO, BAO в различных соотношениях. Все ванадиевые контактные массы проявляют свою активность только при температуре не ниже ~420 "С. В контактном аппарате газ проходит обычно 4 или 5 слоев контактной массы. В производстве серной кислоты контактным способом обжиговый газ предварительно очищают от примесей, отравляющих катализатор. As, Se и остатки пыли удаляют в промывных башнях, орошаемых серной кислотой. От тумана серную кислоту (образующейся из присутствующих в газовой смеси SO3 и H2O) освобождают в мокрых электрофильтрах. Пары H2O поглощаются концентрированной серной кислотой в сушильных башнях. Затем смесь SO2 с воздухом проходит через катализатор (контактную массу) и окисляется до SO3: SO2 1 / 2 O2 = SO3.
Серный ангидрид далее поглощается водой, содержащейся в разбавленной H2SO4: SO3 H2O = H2SO4.
В зависимости от количества воды, поступившей в процесс, получается раствор серной кислоты в воде или олеум.
Посредством данного метода сейчас вырабатывается порядка 80% H2SO4 в мире.
Применение серной кислоты
Серная кислота может служить для очистки нефтепродуктов от сернистых, непредельных органических соединений.
В металлургии серная кислота применяется для удаления окалины с проволоки, а также листов перед лужением и оцинкованием (разбавленная), для травления разичных металлических поверхностей перед покрытием их хромом, медью, никелем и др. Также с помощью серной кислоты разлагают комплексные руды (в частности, урановые).
В органическом синтезе серная кислота концентрированная является необходимым компонентом нитрующих смесей, а также сульфирующим средством при получении многих красителей и лекарственных веществ.
Широко применяется серная кислота для производства удобрений, этилового спирта, искусственного волокна, капролактама, двуокиси титана, анилиновых красителей и целого ряда других химических соединений.
Серная кислота отработанная (отход) применяется в химической, металлургической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности Серная кислота аккумуляторная применяется в производстве свинцово-кислотных источников тока.
Вывод
серная кислота колчедан
В курсовой работе рассмотрены теоретические аспекты производства серной кислоты из серного колчедана, произведен расчет материального и теплового баланса. Описаны технологические схемы и процессы протекающие на каждой стадии. В производстве H2SO4 соблюдены основные направления развития химической промышленности: технология малоотходная - переход сырья в целевой продукт достигает 99.9%; энергосберегающее, так как процесс обеспечивает свое энергосбережение. Эта химическая технология обладает рядом функций: рациональное использование сырья и энергии; масштабность и дешевизна. Поскольку процесс непрерывен, он обладает рядом достоинств: большое количество продукта с 1 -го объема аппарата; высокая интенсивность процесса; исключение потерь тепла изза термодинамичности - нагрев-охлаждение; легкость автоматизации технологического процесса. Такой процесс учитывает основные принципы химической технологии: наибольшая интенсивность процесса; наилучшее использование сырья; наибольшее использование сырья. Произведен и рассчитан материальный баланс процесса получения серной кислоты. Произведен и рассчитан тепловой баланс процесса получения серной кислоты. рассчитан основной аппарат процесса получения серной кислоты.
Список литературы
1 Кутепов, А. М. Общая техническая технология [Текст] : учебник для техн. вузов / А. М. Кутепов, Т. И. Бондарева, М. Г. Беренгартен. - М. : Академкнига, 2007. - 528 с.
2 Родионов, А. И. Защита биосферы от промышленных выбросов. Основы проектирования технологических процессов [Текст] / А. И. Родионов, Ю. П. Кузнецов, Г. С. Соловьев. - М. : Химия, КОЛОСС, 2007. - 392 с.
3 Филимонова, О. Н. Технологические расчеты производственных процессов [Текст] : учеб. Пособие / О. Н. Филимонова, М. В. Енютина. - Воронеж : ВГУИТ, 2012. - 116 с.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
