1 Литературный обзор

1.1 Физико-химические свойства серной кислоты

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.

Химический состав серной кислоты выражается формулой H₂SO₄ (молекулярная масса 98,08). Безводная серная кислота представляет собой при 20 °С бесцветную маслянистую жидкость, кристаллизующуюся при 10,37 °С. Техническая серная кислота окрашена примесями в темный цвет. При 296,2 °С 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. H₂O и кипящей при 336, 5 °С.

С водой и триоксидом серы серная кислота смешивается в любых соотношениях. С повышением концентрации водных растворов серной кислоты температура их кипения увеличивается, достигая максимума в 336,5 °С при 98,3 % мас. H₂SO₄, а затем понижается (рис.1.1). Температура кипения олеума с увеличением содержания свободного SO₃ снижается с 296,2 °С при 0 % мас. SO₃ до 44,7 °С при 100 % мас. SO₃, т. е. температуры кипения серного ангидрида.

Рис. 1.1-Температура кипения водных растворов серной кислоты

При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление паров над растворами понижается, а при 98,3 % мас. H₂SO₄ достигает минимума (рис.1.2). Низкое давление водяных паров над растворами концентрированной серной кислоты лежит в основе осушки газов и абсорбции серного ангидрида. При увеличении концентрации олеума общее давление паров над ним повышается.

Рис. 1.2-Парциальное давление (в мм рт. ст.) паров воды над серной кислотой при 25ºС

С увеличением содержания H₂SO₄ плотность водных растворов серной кислоты повышается и достигает максимума при 98,3 % мас. H₂SO₄, затем несколько уменьшается и при 20 °С для серной кислоты концентрации 100 % мас. H₂SO₄ достигает 1,8305 г/см³. С повышением температуры плотность серной кислоты снижается.

С повышением концентрации водных растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для безводной серной кислоты 1,42 Дж/(г∙°С). С ростом температуры теплоемкость водных растворов серной кислоты несколько увеличивается.

С повышением концентрации водных растворов серной кислоты их вязкость увеличивается (рис.1.3), а с ростом температуры уменьшается (рис.1.4).

Рис. 1.3-Зависимость вязкости растворов серной кислоты (в cпз) от концентрации серной кислоты (в % масс.) при 25ºС

Рис. 1.4-Зависимость вязкости растворов серной кислоты (в спз) от температуры (в ºС) для 90 %-ой серной кислоты

Промышленность выпускает несколько сортов серной кислоты, различающихся содержанием H₂SO₄ , а также содержанием примесей. Состав и содержание примесей зависят от метода производства серной кислоты.

При получении серной кислоты в нее могут попадать частицы пыли, остающиеся в обжиговом газе даже после его очистки в сухих электрофильтрах. Серная кислота может быть также загрязнена продуктами коррозии аппаратуры, растворимыми в ней [1- 3].

Требования к качеству различных сортов серной кислоты регламентируются стандартами и представлены в ГОСТ 2184–77. Настоящий стандарт распространяется на техническую серную кислоту следующих видов: контактную (улучшенную и техническую); олеум (улучшенный и технический); башенную и регенерированную. В соответствии с ним по физико-химическим показателям серная кислота должна соответствовать нормам, которые указаны в табл.1.1.

Таблица 1.1 – Требования к качеству товарной серной кислоты [1]

Наименование показателя	Норма
	Контактная				Олеум			Башенная
	Улучшенная		Техническая		Улучшенный		Технический
	Высший сорт	Первый сорт	Первый сорт	Второй сорт	Высший сорт	Первый сорт
1. Массовая доля моногидрата (H2SO4), %, не менее	от 92,5 до 94,0		92,5		—	—	—	75,0
2. Массовая доля свободного серного ангидрида (SO3), %, не менее	—	—	—	—	24	24	19	—
3. Массовая доля железа (Fe), %, не более	0,007	0,015	0,02	0,1	0,007	0,01	—	0,05
4. Массовая доля остатка после прокаливания, %, не более	0,02	0,03	0,05	—	0,02	0,03	—	0,3
5. Массовая доля окислов азота (N2O3), %, не более	0,00005	0,0001	—	—	0,0002	0,0005	—	0,05
6. Массовая доля мышьяка (As), %, не более	0,00008	0,0001	—	—	0,00008	0,0001	—	—
7. Массовая доля хлористых соединений (Cl), %, не более	0,0001	0,0005	—	—	—	—	—	—
8. Массовая доля свинца (Pb), %, не более	0,001	0,01	—	—	0,0001	—	—	—