8.1. Технологические свойства серной кислоты

Безводная серная кислота-тяжелая маслянистая бесцветная жидкость, смешивающаяся с водой и триоксидом серы в любом соотношении. Физические свойства серной кислоты, такие, как плотность, температура кристаллизации, температура кипения, зависит от её состава.

В технологии под серной кислотой понимают системы, состоящие из триоксида серы и воды различного состава: nSO₃∙ mH₂O. При n= m =1 это моногидрат серной кислоты (100%-ная кислота), при m<n – растворы SO₃ в моногидрате (олеум):

H₂SO₄∙(n-1)SO₃← H₂SO₄→H₂SO₄∙(m-1)H₂O

олеум моногидрат водная кислота

Моногидрат серной кислоты-маслянистая жидкость с температурой кристаллизации 104⁰С, температурой кипения 296,2⁰С и плотностью 1,85 г/см³.

Температура кипения водных растворов серной кислоты возрастает с повышением концентрации и достигает максимума 336,5⁰С при концентрации 98,3%, что отвечает азеотропному составу, после чего снижается. Температура кипения олеума с увелечением содержания свободного SO₃ снижается от 296,2⁰С (температура кипения моногидрата) до 44,7⁰С, отвечающей температуре кипения 100% триоксида серы.

При нагревании паров серной кислоты выше 400⁰С она подвергается термической диссоциации:

H₂SO₄ ⇄ H₂O+SO₃.

Дальнейшее нагревание вызывает диссоциацию SO₃:

2SO₃ ⇄ 2SO₂+O₂.

Выше 700⁰С в парах преобладает SO₂, а выше 1000⁰ С триоксид серы диссоциирует почти полностью. Степень диссоциации меняется при изменении давления.

Серная кислота весьма активна. Она растворяет оксиды металлов и большинство чистых металлов, вытесняет при повышенной температуре все другие кислоты из солей. Она отнимает воду от других кислот, от кристаллогидратов солей и даже кислородных производных углеводородов, которые содержат не воду как таковую, а водород и кислород в сочетании H:O=2.

Дерево и другие растительные и животные ткани, содержащие целлюлозу (C₆H₁₀O₅)n, крахмал и сахар, разрушаются в концентрированной серной кислоте. В разбавленной кислоте целлюлоза и крахмал распадаются с образованием сахаров.

Серная кислота и олеум-чрезвычайно агрессивные вещества поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко-ларингит, трахеит, бронхит. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1 мг/м³, в атмосферном воздухе: ПДК_м.р =0,3мг/м³, ПДК_с.с.=0,1 мг/м³. Поражающая концентрация паров серной кислоты – 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная- 0,18 мг/л (60 мин). Относится ко 2-му классу опасности!

Аэрозоль серной кислоты может образоваться в атмосфере в результате выбросов ТЭС, химических и металлургических производств, содержащих оксиды серы, и выпадать в виде кислотных дождей. Диоксид серы по массе выбросов занимает ведущее место среди других загрязнителей воздуха.

8.2. Методы получения кислоты

Еще в XIII в. серную кислоту получали в незначительных количествах термическим разложением железного купороса FeSO₄∙7H₂O, поэтому и сейчас один из сортов серной кислоты называется купоросным маслом.

Серную кислоту производят двумя способами: нитрозным, существующим более 200 лет, и контактным, освоенным в промышленности в конце XIX и начала XX в. Контактный способ вытесняет нитрозный (башенный). В настоящее время свыше 95% всей кислоты производится контактным способом, позволяющим получать более концентрированную и чистую кислоту, чем нитрозным способом

В контактном методе производства серной кислоты окисление диоксида серы в триоксид осуществляется на твердых контактных массах.

В нитрозном способе катализатором служат оксиды азота. Окисление SO₂ происходит в основном в жидкой фазе и осуществляется в башнях с насадкой: SO₂+N₂O₃+H₂O→H₂SO₄+NO. Поэтому нитрозный способ по аппаратурному признаку называют башенным. Сущность башенного способа заключается в том, что газ, полученный при сжигании сернистого сырья, поступает в башенную систему, которая состоит из нескольких (четырех-семи) башен с насадкой. Башни с насадкой работают по принципу вытеснения при политермическом режиме. В башнях протекает ряд абсорбционно-десорбционных процессов, осложненных химическими превращениями. Нитрозным способом получают загрязненную примесями и разбавленную 75-77%-ную серную кислоту, которая используется в основном для производства минеральных удобрений.

В основных способах производства серной кислоты первой стадией является получение сернистого газа.

Содержание серной кислоты в технических сортах, %: башенная (нитрозная) 75-77; контактная 92,5-98,0; аккумуляторная 92-94; олеум 104,5; высокопроцентный олеум 114,6.