Понятие о химической технологии.
Производство серной кислоты
Важнейшим соединением серы является ее высший гидроксид - серная кислота H2SO4. Она находит чрезвычайно широкое применение: см видеофрагмент о применении серной кислоты
 |
Недаром серную кислоту называют «хлебом химической промышленности». Без ее использования, хотя бы в небольших количествах, невозможно представить себе ни одну отрасль химической промышленности.
На Руси серная кислота появилась в XVII в. Называли ее купоросным маслом, так как она образуется при прокаливании "купороса". Впервые разрешение на производство серной кислоты и "духа купоросного", т. е. серного ангидрида, было дано Петром I в 1718 г. гражданам Савелову и братьям Томилиным. В разрешении сказано: "... позволение делать купорос, краску мумию, масло и дух купоросный и крепкую водку и иные вещи, которые из купоросной руды произведены быть могут..." В конце XVIII в. отдельные заводы изготовляли в год по 1-2 т серной кислоты в год. Развитие производства долгое время тормозилось вследствие указа, изданного Анной Иоанновной в 1733 г., в котором запрещалось производить, продавать и покупать различные ядовитые вещества, в том числе и "купоросное масло", т. е. серную кислоту. Но потребности в серной кислоте заставили ограничить действие этого указа, особенно в XIX в.
Вместе с возникновением первых химических промыслов появилась и химическая технология. Выделение химической технологии как отдельной области знаний началось во второй половине XVIII в.
n Химическая технология – это наука о способах и процессах производства продуктов из природного сырья
n Сырье – это природные материалы, подлежащие дальнейшей переработке
В России сырьем для производства серной кислоты являются:
1. Сера (довольно дорога, используется для производства других веществ).
2. Отходы других производств (например, при обжиге сульфидных руд образуется большое количество сернистого газа
2ZnS + 3O2 = 2ZnO +2SO2 - этот газ может быть использован для получения серной кислоты).
3. Пирит FS2 (железный, или серный колчедан). Это основное сырье для производства серной кислоты в России.
Серную кислоту производят по следующей схеме:
FS2 →SO2 → SO3 → H2SO4
Таким образом, в производстве серной кислоты выделяют три стадии.
I стадия производства: обжиг пирита
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 + Q
Химическая реакция в промышленности должна проводиться с максимальной возможной скоростью. Вспомните, какие факторы влияют на скорость химической реакции. (см. факторы, влияющие на скорость химической реакции)
Н а производстве эта химическая реакция проводится в следующих условиях:
1) Температура 8000С (Дальнейшее повышение температуры приводит к спеканию кусочков пирита, уменьшается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ, а это уменьшает скорость реакции. Поскольку реакция экзотермическая, требуется постоянный отвод теплоты, для чего в печи проходят трубы с холодной водой, вода нагревается и используется для обогрева, например, производственных помещений.)
2) Увеличение концентрации реагирующих веществ путем:
а) флотационного обогащения пирита (в состав пирита, помимо сульфида железа (II) и серы, входит «пустая порода», не содержащая веществ, которые используются в данном производстве. Для того, чтобы отделить соединения, содержащие серу, от «пустой породы» применяется свойство серы и ее соединений не смачиваться водой и всплывать на ее поверхности – флотация);
б) увеличение концентрации кислорода в воздухе (в продуваемый в печь воздух добавляют чистый кислород);
в) измельчение колчедана (колчедан измельчается до кусочков 6-10 мм в диаметре, совсем маленькие кусочки пирита легко спекаются и это уменьшает скорость химической реакции)
Реакция проводится в аппарате, который называется печь для обжига в «кипящем слое». (см. схему производства серной кислоты)
Измельченный пирит поступает в печь сверху, а воздух, обогащенный кислородом, поступает под давлением снизу печи. Таким образом, реагирующие вещества поступают противотоком, что увеличивает площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ. Давление воздуха таково, что кусочки пирита находятся в постоянном движении, создается впечатление кипения, отсюда и название печи. Постоянное движение кусочков пирита необходимо для увеличения площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
В результате реакции образуется печной газ, который, помимо SO2 содержит и другие газы – азот, который входил в состав воздуха.
В нижней части печи образуется огарок, состоящий из оксида железа (III). Огарок периодически забирается из печи и может быть использован для получения железа.
Отходящие из печи газы сильно запылены, кроме того содержат водяные пары, а главное – частицы соединений мышьяка, которые являются «ядами» для катализатора, используемого на второй стадии получения серной кислоты. Поэтому печной газ перед дальнейшей переработкой подвергают очистке и сушке. Для этого используются аппараты:
а) циклон (действует по принципу центрифуги, отбрасывая крупные твердые частицы к стенкам аппарата, далее они падают в нижнюю часть аппарата, откуда периодически забираются);
б) электрофильтр (очищает печной газ от мельчайших частичек пыли);
в) сушильная башня (В нее противотоком поступают печной газ (снизу) и концентрированная серная кислота (сверху), башня заполнена керамическими кольцами. Эти особенности конструкции увеличивают площадь поверхности соприкосновения газа и концентрированной серной кислоты.)
II стадия производства:
окисление оксида серы (IV) до оксида серы (VI)
V2O5
2SO2 + O2 2SO3 + Q
Реакция обратимая, поэтому для проведения данной реакции нужно подумать не только об увеличении ее скорости, но и о смещении химического равновесия в сторону образования оксида серы (VI).
Вспомните, по какому принципу происходит смещение химического равновесия (см. принципы смещения химического равновесия)
Условия проведения реакции:
а) Температура С (при более низких температурах реакция идет с низкой скоростью; повышение температуры выше 4500С смещает химическое равновесие в сторону обратной реакции);
б) Выбор катализатора: оксид ванадия (V) - V2O5
Катализатор увеличивает скорость обеих протекающих реакций.
По принципу Ле-Шателье сместить равновесие в сторону прямой реакции возможно путем увеличения концентрации SO2 или O2 или путем увеличения давления, но экономически это невыгодно.
Реакция проводится в контактном аппарате. В контактный аппарат поступает печной газ, содержащий 7-8% оксида серы(IV), 10-11% кислорода и 82% азота. На горизонтальных полках в аппарате расположен катализатор.
Печной газ, проходя стадии очистки и сушки, охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом его необходимо нагреть. Этот процесс происходит в теплообменнике, находящемся перед контактным аппаратом. Внутри теплообменника проходят трубы, по которым пропускают горячий оксид серы (VI), образовавшийся в контактном аппарате. Оксид серы (VI), охлаждаясь, отдает свою теплоту печному газу, проходящему по межтрубному пространству. Таким образом, осуществляется принцип теплообмена, используется теплота химической реакции, проходившей в контактном аппарате.
III стадия производства: поглощение оксида серы (VI)
Теоретически оксид серы (VI) поглощается водой с образованием серной кислоты
SO3 + H2O = H2SO4 + Q
Но практические водяные пары, поглощая SO3, образуют мельчайшие капли серной кислоты, так называемый «сернокислотный туман», который далее водой не поглощается. Поэтому на практике
оксид серы (VI) поглощают 98%-ной серной кислотой. В результате образуется раствор SO3 в концентрированной серной кислоте, который называется олеум. Олеум легко отводится из аппарата. В дальнейшем олеум разбавляют водой до получения серной кислоты необходимой концентрации.
III стадия производства серной кислоты проводится в поглотительной башне. Для увеличения скорости протекания химической реакции используется принцип противотока (серная кислота подается сверху башни, а оксид серы (VI) в нижнюю часть башни).
Увеличению площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ башня заполнена керамическими кольцами.
Таким образом, в основу производства серной кислоты заложены следующие общие научные принципы химического производства: распределение производственного процесса по стадиям, выбор и обогащение сырья, выбор оптимальных условий протекания химических реакций, использование теплоты химических реакций, теплообмен.
Экологические проблемы,
связанные с производством серной кислоты
Одним из важнейших научных принципов химического производства является, помимо перечисленных выше, комбинирование производств. Это значит, что вещества, которые являются отходами в одном производстве, могут и должны быть использованы как сырье в другом производстве. Так, до сих пор главным сырьем для производства серной кислоты в России является минерал пирит, в результате обжига которого получают сернистый газ SO2. При этом большое количество этого газа образуется при обжиге сульфидных руд в начальной стадии получения цветных металлов, например цинка. Образующийся при этом сернистый газ часто выбрасывается просто в атмосферу, а ведь там он соединяется с парами воды (SO2+H2O =H2SO3) с образованием сернистой кислоты. Раствор сернистой кислоты выпадает в виде так называемых «кислотных дождей», приводя к гибели растительности и животных как на земле, так в водоемах и в почве.
Образование кислотных дождей (схема)
Последствия кислотных дождей
На первой стадии производства серной кислоты при обжиге пирита в качестве отхода в большом количестве образуется так называемый огарок. Это оксид железа (III) Fe2O3. Он может быть использован для получения железа путем восстановления оксида, например углеродом. Но пока огромные отвалы этого потенциального для черной металлургии сырья располагаются неподалеку от заводов по производству серной кислоты. Они занимают огромные площади земли, способствуют запылению воздуха (смотри рисунок ниже).
Домашнее задание
n § 85, 86
n Составить конспект по выданному плану
n Уметь отвечать на вопросы № 1,2 на с.304 в учебнике
n Уметь рассказывать о производстве серной кислоты по стадиям, используя схему (рис.86, с.301)
