2. Основы технологии минеральных кислот (на примере серной)

Кислотами называются химические соединения, содержащие в своём составе атомы водорода, способные замещаться на атомы металлов. В воде большинство кислот (НА) распадается (диссоциирует) на ионы водорода (Н⁺) и кислотного остатка (А^-).

НА Н⁺+ А^-

По степени диссоциации в воде различают сильные, практически полностью распадающиеся на ионы (азотная, соляна, серная), средние (фосфорная, плавиковая) и слабые, практически не диссоциирующие в воде кислоты (уксусная, борная). Кислоты можно обнаружить по изменению цвета некоторых веществ – индикаторов. Например, лакмус в кислотах – красный, фенолфталиен – бесцветный, метилоранж – оранжевый.

Кислоты оказывают сильное действие на организм человека и животных, т.к. обладают водоотнимающим действием и, изменяя щелочную реакцию протоплазмы живой клетки на кислую, осаждают белки. Действие кислоты на живой организм зависит от вида и концентрации кислоты. Под действием кислот может происходить раздражение и полное разрушение тканей.

В контакте с кислотами многие металлы подвергаются коррозии. Для защиты от разрушения применяют стойкие к действию кислот металлы, сплавы, силикатные и полимерные материалы. Для эти х же целей в кислоты иногда вводят специальные вещества – ингибиторы, которые уменьшают или устраняют коррозионное действие кислоты. Различают органические и неорганические кислоты.

По масштабам производства неорганические кислоты значительно превосходят органические. Они широко применяются во многих отраслях промышленности. Среди неорганических кислот наибольшее распространение в народном хозяйстве получила серная кислота.

Серная кислота является одним из основных продуктов химической промышленности и широко применяется во многих производствах. Она принадлежит к числу сильных неорганических кислот и является самой дешёвой из них (более чем в 2 раза дешевле азотной и соляной кислот).

Основное количество серной кислоты расходуется на производство минеральных удобрений (суперфосфата, сульфата аммония, нитрофоса, нитрофоски и др.). Вторым по величине потребителем является нефтепереработка, где серная кислота расходуется для очистки нефтепродуктов. Большие количества кислоты используются в металлургии цветных металлов, в гальванотехнике, в производстве других кислот (соляной, фосфорной, плавиковой, борной, хромовой, уксусной, лимонной и др.), для получения сульфатов металлов, простых и сложных эфиров, крахмала, сахара, для дубления кож, для снаряжения аккумуляторов и многих других целей. В смеси с азотной кислотой серная кислота используется для нитрования органических соединений при получении взрывчатых веществ и красителей.

В технике под серной кислотой понимают любые смеси оксида серы (VI) с водой. Состав такой «серной кислоты» можно отразить формулой

x H₂O + y SO₃ (где x,y > 0).Если соотношение > 0 – имеют дело с водным раствором серной кислоты, если 0 – с олеумом, раствором оксида серы (VI) в серной кислоте.

Безводная серная кислота или моногидрат при 20⁰С представляет собой маслянистую жидкость с плотностью 1820 кг/м³. Температура кристализации моногидрата +10, 45⁰С, кипения +296,2⁰С при атмосферном давлении.

С водой и оксидом серы (VI) серная кислота смешивается в любых соотношениях, образуя промежуточные соединения состава H₂SO₄*nH₂O ( где n=4.2,1) и H₂SO₄*mSO₃ (где m= 1,2). Рассматривая химические свойства серной кислоты, следует различать поведение разбавляемой и концентрированной кислот. Так, разбавленная кислота реагирует со всеми (за исключением свинца) металлами, стоящими в ряду активности правее водорода.

На поверхности свинца в контакте с разбавленной серной кислотой образуется плотная нерастворимая в кислоте плёнка сульфата, препятствующая дальнейшему растворению металла.

Концентрированная же серная кислота, обладая сильным окислительным действием, реагирует с металлами не непосредственно, а через промежуточную стадию образования оксида. В результате взаимодействия образуются сульфаты соответствующих металлов, оксид серы (IV) и вода.

По действием концентрированной кислоты легко (особенно при нагревании) растворяются такие металлы, стоящие в ряду активности после водорода, как медь, ртуть, серебро и другие. В то же время железо, хром, алюминий и даже кальций не разрушаются концентрированной кислотой, т.к. образующиеся на поверхности этих металлов оксидные плёнки имеют более плотную структуру и препятствуют непосредственному контакту металлов с кислотой. Это явление получило название пассивирования.

Концентрированная кислота и олеум отличаются высоким сродством к воде. При смешивании их с водой выделяется большое количество тепла. Сильное водоотнимающее действие серной кислоты проявляется в её способности поглощать пары воды из воздуха. На этом основано применение концентрированной серной кислоты для сушки газов.

Многие органические соединения в контакте с концентрированной серной кислотой, теряя воду, обугливаются.

Устойчивыми к действию серной кислоты являются эмали (до температуры кипения растворов любых концентраций, винипласт (до 60⁰С при действии 80%-ной H₂SO₄), полиизобутилен (до 20-60⁰С в зависимости от концентрации кислоты), полиэтилен (до 80⁰С при действии 70%-ной кислоты), фторопласт – 4 (до 250⁰С). При нагревании до 400⁰С серная кислота практически полностью диссоциирует на воду о оксид серы (VI).

Серную кислоту в настоящее время производят двумя способами: контактным и нитрозным, или башенным.

В основе контактного способа лежит реакция окисления оксида серы (IV) в оксид серы (VI), протекающая на поверхности твёрдого катализатора

2 SO₂+ O₂ 2SO₃+ Q₁

Образовавшийся оксид серы (VI), поглощаясь водой, превращается в серную кислоту

SO₃ + H₂O H₂SO₄+Q₂

Сущность нитрозного способа состоит в окислении оксида серы (IV) смесью оксидов азота NO₂ и N₂O₃ в присутствии воды. Не разбирая подробно механизма этого сложного процесса, представим его следующей схемой:

SO₂ + NO₂(N₂O₃) + H₂O H₂SO₄ + NO (2NO)

Нитрозный способ по сравнению с контактным обладает рядом недостатков: во первых, он не позволяет получить серную кислоту с концентрацией больше 75%, во-вторых, получаемая кислота содержит много примесей и пригодна только для производства минеральных удобрений, наконец, производство кислоты нитрозным способом связано с выбросом в атмосферу большого количества оксидов азота, оказывающих вредное воздействие на окружающую среду. В связи с этим в нашей стране прекращено строительство сернокислых заводов, работающих по нитрозному способу, и более 90% производимой серной кислоты получают на контактных установках.

В качестве сырья для получения серной кислоты, в принципе, могут быть использованы любые вещества, содержащие серу. Чаще других используется серный колчедан FeS₂ (около 45% производимой серной кислоты), элементарная сера, отходящие газы заводов цветной металлургии и газы нефтедобычи и нефтепереработки. В последние годы наметилась тенденция увеличения доли отходящих газов цветной металлургии и попутных газов нефтедобычи в общем балансе сырья для производства серной кислоты.

Технологический процесс производства серной кислоты контактным способом включает четыре основные стадии: обжиг серусодержащего сырья, очистка обжигового газа, контактное окисление оксида серы (IV) и абсорция оксида серы (VI).

Учитывая, что основным источником сырья для производства серной кислоты в нашей стране является серный колчедан, принципиальную схему контактного способа производства серной кислоты упрощённо можно представить следующим образом (рис.1).

1) обжиг серосодержащего сырья;

2) очистка обжигового газа от примесей;

3) контактное окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI);

4) поглощение оксида серы VI водой и получение серной кислоты.

Q Пыль Примеси Q Катализатор