книги из ГПНТБ / Эпштейн Д.А. Химия в промышленности учеб. пособие по факультатив. курсу для учащихся X классов

ответствующие той чил'И иной температуре), вы видите, что из водных растворов, содержащих менее -70% серной кислоты, ис­ паряется только вода. При кипении более концентрированных растворов испаряется также и серная кислота, но концентрация серной кислоты в паре меньше, чем в жидкости. Эта закономер­ ность наблюдается до образования 98,3-процентноп кислоты. При испарении этой кислоты образуется пар того же состава, что и жидкость. Такая смесь называется азеотропной.

Как получить в химической лаборатории 65-процентную серную кислоту из 40-процентной? Можно ли азеотропную смесь разделить посредством на_тревания? На диаграмме отсутствует точка кипения 100-процентной серной кислоты, почему?

В серной кислоте хорошо растворяется оксид серы (VI) . Об­ разующийся раствор называют олеумом. Например, раствор, со­ держащий 20% оксида серы (VI) в серной кислоте, называется 20-процентным олеумом.

Вы знаете, что серная кислота диссоциирует в воде и что степень диссоциации велика — это сильная кислота. Концентри­ рованная серная кислота проявляет окислительные свойства. Она реагирует со многими органическими соединениями с обра­ зованием сульфокислот. Особенно легко сульфируются аромати­ ческие соединения. Серная кислота обладает каталитическими свойствами; например, она ускоряет алкилирование изобутана олефннамн.

Таким образом, серная кислота обладает свойствами, кото­ рые открывают возможность ее разностороннего использования. Заметьте, что сырье для ее производства имеется в природе в больших количествах, добыча его не связана с какими-либо осо­ быми трудностями, способы производства кислоты сравнитель­ но несложны и поэтому себестоимость продукта невысока.

§ 2. Применение серной кислоты

Из обзора свойств серной кислоты видно, что серная кислота может служить для получения других кислот, например фтороводородной — из плавикового шпата, фосфорной — из фосфори­ тов, а также разнообразных сульфатов.

Составьте уравнения реакций и охарактеризуйте условия получения:

Каково значение серной кислоты для производства минеральных удобре­

ний*

Серную кислоту широко применяют как дегидратирующее ве­ щество, например для осушки газовых смесей. Дегидратирую­ щая способность концентрированной серной кислоты в соче­ тании с высокой температурой кипения позволяет использовать ее при нитровании органических веществ.

На свойстве серной кислоты сульфировать органические сое­ динения основано производство бензолсульфокислоты и других органических продуктов, служащих сырьем для синтеза краси­ телей, лекарственных веществ, ионитов и др.

Составьте уравнение реакции серной кислоты с бензолом.

Это свойство серной кислоты используют также в нефтепере­ рабатывающей промышленности для очистки бензина, керосина, масел от таких примесей, которые при хранении нефтепродук­ тов осмоляются и загрязняют их. Эти примеси реагируют с сер­ ной кислотой с образованием эф.иров кислоты и продуктов по­ лимеризации, нерастворимых в очищаемых материалах.

Так, при взаимодействии олефинов с серной кислотой обра­ зуются кислые эфиры:

Содержащиеся в нефтяных днстиллатах сульфидные соеди­ нения частично окисляются серной кислотой. Например, серово­ дород окисляется с образованием серы и ее оксида (IV) :

H 2 S - r H 2 S 0 4 = S + S0 2 + 2H2 0

Серная кислота — катализатор реакции алкилирования изобутана бутиленами и аналогичных, применяемых для производ­ ства высокооктановых компонентов бензина, например изооктанов.

Составьте уравнение реакции алкилирования изобутана.

На протяжении двухсот лет существования сернокислотной промышленности области применения серной кислоты менялись. Давно оставлен способ получения соляной кислоты и соды из поваренной соли через сульфат натрия. Уменьшается производ­ ство азотного удобрения — сульфата аммония. Даже в коксо­ химическом производстве, где посредством серной кислоты улав­ ливают содержащийся в коксовом газе аммиак, она вытесняет­ ся фосфорной кислотой (почему?). Большие количества серной кислоты потребляются на заводах простого суперфосфата, на это производство не расширяется. Уменьшается потребление серной кислоты для травления стали, ее начинают заменять со­ ляной кислотой. В нефтеперерабатывающей промышленности внедряются более совершенные методы очистки, не требующие серной кислоты.

Однако спрос на серную кислоту не только не падает, а не* прерывно растет, так как на смену старым потребителям при­ ходят новые. Во все возрастающих количествах она использу-

следовательно провести три реакции: сжечь серосодержащее сырье, окислить S0 2 и связать S0 3 с водой.

Составьте уравнения реакции горения серы, серного колчедана и серово­ дорода. Обратите внимание на различие в составе продуктов горения, кото­ рое, очевидно, влияет на технологический процесс производства кислоты.

Рассмотрим горение колчедана:

2)обратима ли она пли необратима;

3)является ли реакция гомогенной или гетерогенной. К го­ могенным относятся реакции между газами с образованием га­ зов пли между смешивающимися жидкостями с получением рас­ творяющихся в них жидкостей. Гетерогенные реакции характе­ ризуются наличием двух или более фаз;

4)какова ее скорость при различных условиях, в частности, не является ли она каталитической.

Горение колчедана—экзотермическая реакция, подобная го­ рению твердого топлива, с большим тепловым эффектом. Эта ре­ акция необратима. Можно полностью сжечь колчедан, если ре­ акция не замедлится к концу настолько, что будет нецелесооб­ разно добиваться стехнометрического выхода продукта. Горение колчедана — гетерогенная реакция:

Г + Т = Г + Т

(Г — газ, Т — твердое вещество).

Что играет особенно большую роль при течении таких реак­ ций? Молекулы газа должны .подойти к поверхности твердого

уменьшение размеров частиц особенно благоприятно влияет на скорость реакций данного рода.

В соответствии с общими законами химической кинетики ско­ рость реакции растет также при повышении концентраций реа­ гирующих веществ и температуры. Опыт показывает, что горе­ ние колчедана начинается только после подогревания до опре­ деленной температуры, при которой реакция начинает идти с заметной скоростью (примерно 400°С). Затем температура под-

Желательно полнее использовать сырье — получать выход оксида серы (IV), близкий к стехиометрическому, при высокой

чаемого в этом аппарате в единицу времени, например в тече­

вает современная техника. Проблема оптимизации управления химическими реакциями на заводах относится к числу важней ­

Каковы же оптимальные условия обжига колчедана: как организовать процесс, какое сырье выбрать, как его подготовить к обжигу, что выбрать для обжига — воздух или кислород, при какой температуре проводить про­ цесс, как использовать теплоту реакции?

Учитывая общие принципы организации современных про­ изводственных процессов, следует проводить обжиг в установ­ ках непрерывного действия, большой единичной мощности, ме­ ханизированных и автоматизированных (обеспеченных прибо­ рами для автоматического контроля и управления процесса).

Предпочтительнее в качестве сырья применять флотацион­ ный колчедан, а не природный. Желательно, чтобы в нем содер­ жалось возможно больше пирита. Поэтому флотационные хво­ сты подвергают вторичной флотации и получают продукт, со­ держащий в среднем 45% серы (считая на сухой колчедан). Ве­ личина зерен флотационного колчедана менее 1 мм. Он сго­ рает в кипящем слое очень быстро, в течение нескольких секунд. Сейчас повсеместно применяют печи с кипящим слоем.

Реакция сильно ускоряется даже при небольшой добавке к воздуху кислорода, но относительно высокая стоимость кисло­ рода препятствовала до сих пор использованию его в серно­

ностью покрывается потребность в энергии всего сернокислот­ ного цеха, включая и установку для разделения воздуха. Та­ ким образом открывается возможность применения в этом про­ изводстве кислорода.

Из физико-химических данных непосредственно следует, что оптимальная температура процесса 800 °С. Если вести обжиг, используя воздух в таком количестве, которое соответствует уравнению реакции, и не отводить теплоту реакции, то темпе­ ратура в зоне реакции повысится до 1400 °С.

лерживать кипящий слон, как выводить обжиговый газ и огарок, какие пара­ метры нужно контролировать и с помощью каких приборов, по какому прин­ ципу может быть сконструировано автоматическое устройство, поддерживаю­ щее температуру в слое в заданных пределах, из каких материалов соорудить печь? Нарисуйте схему аппарата и сравните ее с рисунком, помещенным в этом параграфе.

В последние годы мощность печей увеличена до 1000 т в сут­ ки, считая на 100-процентную серную кислоту. При оптималь­ ных условиях удается превратить в оксид серы (IV) до 98% серы, содержащейся в колчедане, остальная сера остается в огарке. В печном газе содержатся оксид мышьяка (III) и дру­ гие примеси, отравляющие катализатор, пыль и немного оксида серы (VI) .

Объясните, почему образуется оксид серы SO3 при обжиге колчедана.

серы, при выходе, равном 98%. Почему в данном случае нецелесообразно до­ биваться 100-процентного использования серы?

§ 6. Сжигание серы

Реакция окисления серы экзотермична и необратима: S + 0 2 = S t 0 2 + Qi

Скорость ее растет с повышением концентраций реагирую­ щих веществ и температуры. При использовании самородной серы ее отделяют от пустой породы.

Эту операцию осуществляют в зависимости от условий зале­ гания серной руды под землей или после того, как руда под­ нята на поверхность. У нас в стране подземную выплавку серы проводят на одном из месторождений Средней Азии.

Сжигать серу можно в устройствах, подобных тем, которые служат для сжигания мазута: расплавленную серу форсунками подают в печь.

"Из физико-химической характеристики реакции можно сде­ лать вывод, что при высоких температурах она протекает пол­ ностью и быстро. В отличие от обжига колчедана в данном слу­

чае нет надобности понижать температуру — в циклонной печи она достигает 1400°С. Топочные газы поступают непосредствен­

но из печи в паровой котел — утилизатор. Полученный из при-