Введение

Серная кислота является одним из основных продуктов химической

промышленности и применяется в различных отраслях народного хозяйства. Существенное достоинство серной кислоты состоит в том, что она не дымит, не имеет запаха, при комнатной температуре находится в жидком состоянии и в концентрированном виде не действует на черные металлы. Основная же особенность серной кислоты состоит в том, что она принадлежит к числу сильных кислот и является самой дешевой кислотой (она примерно в два раза дешевле азотной и хлороводородной кислот).

Серная кислота находит разнообразное применение в нефтяной, металлургической и других отраслях промышленности, она широко используется в производстве различных солей и кислот, всевозможных органических продуктов, красителей, дымообразующих и взрывчатых веществ и др., применяется в качестве водоотнимающего и осушающего средства, используется в процессах нейтрализации, травления и многих других.

Исходным веществом для производства серной кислоты является диоксид серы SO₂ , который образуется в результате сжигания серы или другого серосодержащего сырья. Переработка SO₂ в серную кислоту включает его окисление и последующее присоединение воды к триоксиду серы. Скорость взаимодействия диоксида серы с кислородом в обычных условиях очень мала, поэтому в промышленности эту реакцию проводят на катализаторе (контактный метод производства серной кислоты) или с применением передатчиков кислорода (нитрозный метод производства серной кислоты). При этом обжиг сырья и получение обжигового газа в обоих случаях одинаковы.

В данной курсовой работе представлен способ получения серной кислоты методом мокрого катализа, который широко используется в наши дни.

1. Характеристика серной кислоты.

Химический состав серной кислоты выражается формулой H₂SO₄ (молекулярная масса 98,08).

валентно-структурная формула

Серную кислоту следует рассматривать как соединение одной молекулы триоксида серы SO₃ (ангидрид серной кислоты) с одной молекулой воды; следовательно, безводная серная кислота содержит 81,63 % мас. SO₃ и 18,37 % мас. H₂O. В технике под серной кислотой подразумевают любые смеси триоксида серы с водой. Если на 1 моль SO₃ приходится более 1 моль Н₂О, смеси являются водными растворами серной кислоты, если менее 1 моль воды, то это растворы серного ангидрида в серной кислоте, которые называют олеумом, или дымящей серной кислотой.

Состав водных растворов серной кислоты характеризуется содержанием H₂SO₄ или SO₃ (в %), состав олеума – содержанием общего или свободного серного ангидрида, а также количеством H₂SO₄, которое можно получить при добавлении к олеуму воды. Серная кислота – одна из самых активных неорганических кислот. Она реагирует почти со всеми металлами, и их оксидами, вступает в реакции обменного разложения, энергично соединяется с водой, обладает окислительными и другими важными химическими свойствами. Высокая химическая активность серной кислоты обусловила ее широкое применение в различных отраслях промышленности.

Безводная серная кислота представляет собой при 20 бесцветную маслянистую жидкость, кристаллизующуюся при 10,37 . При 296,2 и 0,98∙10⁵ Па безводная серная кислота начинает кипеть с разложением до образования азеотропной смеси, содержащей 98,3 % мас. H₂SO₄ и 1,7 % мас. H₂О и кипящей при 336,5 . С водой и триоксидом серы серная кислота смешивается в любых соотношениях. При этом образуется ряд соединений с различными температурами кристаллизации и некоторыми другими характерными свойствами. С увеличением содержания H₂SO₄ плотность водных растворов серной кислоты повышается и достигает максимума при 98,3 % мас. H₂SO₄, затем несколько уменьшается и при 20 для 100 %-ной H₂SO₄ достигает 1,8305 г/см³.

Вязкость оказывает существенное влияние на гидравлическое сопротивление при движении серной кислоты по трубам и желобам, на скорость процессов теплопередачи при нагревании и охлаждении серной кислоты, на скорость растворения в серной кислоте солей, металлов и других веществ. Максимум вязкости соответствует 84,5 %-ной и 100 %-ной серной кислоте. С повышением температуры вязкость серной кислоты уменьшается. Так, при повышении температуры от 20 до 80 вязкость 60 %-ной серной кислоты снижается в три раза. С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для безводной серной кислоты 1,42 Дж/(г∙К). С ростом температуры теплоемкость водных растворов серной кислоты несколько увеличивается.

Сорта серной кислоты.

Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, различающихся содержанием H₂SO₄ или SO₃ (своб.), а также содержанием примесей. Нитрозным методом получают сравнительно низкоконцентрированную кислоту, содержащую 75 % мас. H₂SO₄, контактным методом может быть получена серная кислота практически любой концентрации. Состав и содержание примесей также зависят от метода производства серной кислоты. Например, при получении башенной серной кислоты в нее попадают частицы пыли, остающиеся в обжиговом газе даже после его очистки в сухих электрофильтрах. Кроме того, башенная кислота содержит растворенные оксиды азота. Серная кислота может быть также загрязнена продуктами коррозии аппаратуры, растворимыми в H₂SO₄, если кислота подвергается концентрированию, в ней могут находиться примеси, присутствовавшие в топочных греющих газах. Техническая серная кислота иногда окрашена в темный цвет, вследствие обугливания органических веществ, переходящих в кислоту в процессе ее производства, при хранении и перевозках.

При производстве серной кислоты контактным методом обжиговый газ после удаления из него пыли подвергается тщательной специальной очистке. Поэтому контактная серная кислота содержит только растворимые продукты коррозии. Применяя аппаратуру, изготовленную из достаточно коррозионностойких материалов, можно получить контактную серную кислоту высокой чистоты. Требования к качеству различных сортов серной кислоты регламентируются стандартами и систематически пересматриваются в соответствии с изменениями техники производства кислоты и нужд ее потребителей. Например, контактная серная кислота имеет требования по ГОСТ 2184-77, техническая серная кислота имеет требования по ГОСТ 667-73, кислота серная особой чистоты имеет требования по ГОСТ 1462-78.

Чтобы уменьшить возможность кристаллизации серной кислоты при перевозке и хранении, установлены стандарты на товарные сорта серной кислоты, концентрации которых соответствуют наиболее низким температурам ее кристаллизации. Требования к качеству различных сортов серной кислоты представлены в Табл. 1.1.

Таблица 1.1 Требования к качеству различных сортов серной кислоты.

Виды кислот	H2SO4, % мас.		SO3 своб. , % мас.	t.кр.,
Башенная кислота		75	-	минус 29,5
Контактная кислота		92,5	-	минус 22,0
Олеум		104,5	20	+2
Высокопроцентный олеум		114,6	65	минус 0,35

Температура кристаллизации технических сортов серной кислоты несколько ниже температуры кристаллизации чистой серной кислоты; с увеличением содержания примесей эта разница возрастает.

Полученная в производстве серная кислота по качеству должна отвечать ГОСТ 2184-77. Характеристика серной кислоты приведена в Табл. 1.2.

Таблица 1.2 -Химический состав серной кислоты, %

H2SO4 контактная улучшенная	Массовая доля, не менее	Массовая доля примесей, не более
	H2SO4	SO3 (своб.)	Окислы азота N2O3	Желе- за Fe	Мы-шьяка As	Хлори стых соеди-нений	Остат- ка после промы- вания	Нитро- соеди-нений	Свинца Pb
Высший сорт	От 92,5 до 94,0	-	5 .10-5	7,0.10-3	8.10-5	1.10-4	2.10-2	Не норм	10-3
Первый сорт	От 92,5 до 94,0	-	1. 10-4	1,5.10-4	1.10-4	5.10-4	3.10-2	Не норм	10-2

  

 Улучшенную серную кислоту транспортируют в железнодорожных цистернах из кислотостойкой стали с нанесением трафаретов "Улучшенная серная кислота", "Опасно", а также трафарета приписки. По согласованию с потребителем допускается транспортировать улучшенную серную кислоту по кислотопроводу из стали марки СтЗ по требованию ГОСТ 380 или нержавеющей стали. Техническую серную кислоту 1-го и 2-го сортов, башенную и регенерированную кислоты транспортируют в железнодорожных сернокислотных цистернах, а также в стальных контейнерах, стальных бочках по требованию ГОСТ 6247 или поставляют потребителю перекачкой по кислотопроводу из стали марки Ст3 по требованию ГОСТ 380. На бочки и контейнеры наносится транспортная маркировка по требованию ГОСТ 14192. На бочки, контейнеры и цистерны наносится знак опасности по требованию ГОСТ 19433, класс 8, подкласс 8.1, черт. 8, классификационный шифр 8111, серийный номер ООН 1830 (кроме регенерированной кислоты. Трафареты на цистерны заполняются в соответствии с правилами перевозки грузов. Техническую серную кислоту транспортируют железнодорожным транспортом в цистернах и автомобильным транспортом в контейнерах и бочках в соответствии с правилами перевозок грузов, действующими на каждом виде транспорта. Заполнение цистерн, контейнеров и бочек рассчитывают с учетом полного использования их вместимости и объемного расширения продукта при возможном перепаде температур в пути следования. 

Техническая серная кислота 1-го и 2-го сортов, улучшенный и технический олеум, башенная и регенерированная кислоты должны храниться в емкостях из стали или спецстали, как нефутерованных, так и футерованных кислотоупорным кирпичом или кислотоустойчивым материалом. Улучшенная серная кислота должна храниться у потребителя в чистых герметически закрытых емкостях из нержавеющей стали или емкостях из стали марки Ст3 по требованию ГОСТ 380, футерованных кислотоупорными плиткой или кирпичом.

2.Методы получения серной кислоты.

В промышленности в настоящее время серную кислоту, в основном, получают двумя способами: контактным и нитрозным. Сущность контактного метода заключается в том, что серосодержащее сырье вначале обжигают, затем полученные обжиговые газы подвергают специальной очистке от примесей, после чего полученный диоксид серы проходит через катализатор (контактную массу), окисляясь до триоксида по уравнению (2.1).

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ (2.1)

Последний, в свою очередь, соединяется с водой, образуя серную кислоту по уравнению реакции (2.2).

SO₃ + H₂O = H₂SO₄ (2.2)

При избытке или недостатке воды получают соответственно водный раствор серной кислоты или олеум. В последнее время для повышения степени превращения SO₂ на катализаторе и уменьшения выбросов с целью защиты окружающей среды, концентрацию SO₂ в газе поддерживают в пределах от 9 до 10 % мас. и осуществляют процесс методом двойного контактирования.

Сущность нитрозного метода состоит в том, что газ после обжига сырья и очистки от пыли обрабатывается серной кислотой, в которой растворены оксиды азота, - так называемой нитрозой.

SO₂ + N₂O₃ + H₂O = H₂SO₄ + 2NO (2.3)

Образующийся NO в уравнении реакции (2.3) плохо растворим в нитрозе и поэтому выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до диоксида NO₂. Смесь оксидов азота NO и NO₂ вновь поглощается серной кислотой. Оксиды азота, по существу, не расходуются в нитрозном процессе, но вследствие неполного поглощения их серной кислотой они частично уносятся отходящими газами; это составляет невозвратимые потери оксидов. Из недостатков нитрозного метода можно выделить проблематичность производства высококонцентрированной серной кислоты, из-за этого возникает ухудшение степени денитрации кислоты, необходимость освобождения нитрозы от оксидов азота, при повышении температуры скорость реакции заметно снижается, в продукционной кислоте и в отходящих газах имеет место повышенное содержание нежелательных оксидов азота и т.д.

Для получения серной кислоты используют серу или содержащие серу соединения, из которых может быть получен сернистый ангидрид. Один из распространенных видов сырья для по­лучения серной кислоты — пирит, или сер­ный колчедан Fe . Встречается соедине­ние серы с двумя ме­таллами, например с медью и железом (халькопирит). Серу содержат сульфаты: гипс (сульфат каль­ция), мирабилит (суль­фат натрия), глауберит (сульфат натрия и кальция) и др. Сера есть в угле, нефти, го­рючих и топочных га­зах. Много серы в виде сернистого ангидрида имеется в составе отходящих газов металлургических печей. Иногда для производства серной кислоты используют отходы некоторых производств, применяющих серную кислоту. Это кислые гудроны, тра­вильные растворы, фосфогипс и др. В данной курсовой работе сырьем является сероводород, получающийся при коксовании угля или содержащемся в генератор­ном газе, газах нефтепереработки, попутных нефтяных газах и природном газе. Соответственно данная работа очень актуальна.