2.Серная кислота. Основное сырьё и способы производства. Виды, сорта и свойства. Главные потребители

Серная кислота (H₂SO₄) — один из важнейших и наиболее потребляемых продуктов химической промышленности. Она относится к числу относительно дешевых кислот. Химической промышленностью нашей страны выпускаются различные виды и сорта серной кислоты, отличающиеся между собой концентрацией и содержанием посторонних примесей.

Концентрированная, или безводная, серная кислота (моногидрат) Н₂S0₄ представляет собой тяжелую маслянистую жидкость без цвета и запаха. Плотность моногидрата 1,85 г/см³, температура кипения 296 °С, температура кристаллизации 10°С. Однако эти свойства серной кислоты меняются с изменением ее концентрации.

Наличие посторонних примесей меняет цвет кислоты до желтоватого или темноватого. Согласно ГОСТу серная кислота выпускается определенной концентрации, обеспечивающей низкую температуру замерзания, удобство хранения и транспортирования. Характерная особенность серной кислоты — хорошая смешиваемость с водой, причем процесс разбавления сопровождается выделением большого количества тепла. Раствор SО₃,ч в 100%-й серной кислоте называется олеумом (H₂SO₄•nSO₃,). Олеум представляет собой бесцветную маслянистую жидкость плотностью 1,9 г/см³; на воздухе дымит, образуя туман из серной кислоты.

Безводная серная кислота очень активна и растворяет оксиды металлов, а при повышенной температуре вытесняет все другие кислоты из их солей.

Концентрированная серная кислота — это эффективное водоотнимающее средство от других кислот, кристаллогидратов солей, а также углеводов. Поэтому она применяется для концентрирования азотной и других кислот, сушки влажных газов и т. д. Ппи контактировании с серной кислотой сахар, целлюлоза, крахмал и другие органические продукты обугливаются. На концентрацию и качество серной кислоты в значительной мере влияет способ производства.

Сейчас применяются два основных способа промышленного производства серной кислоты: нитрозный (или башенный) и контактный. Технологический процесс производства серной кислоты со­стоит из следующих основных операций:

а) получение сернистого газа (диоксида серы) S0₂ обжигом серосодержащего сырья;

б) очистка и окисление S0₂ в триоксид S0₃.

в) поглощение (абсорбция) триоксида серы водой или разбавленной серной кислотой.

Основным сырьем для производства сернистого газа служит серный колчедан, содержащий 35—50% серы. Обжиг колчедана производится в печах, где протекает реакция:

4 FеS₂ + 11 0₂ = 2 Fе₂0₃ + 8 S0₂ + Q.

Сернистый газ бесцветен, имеет резкий запах. Растворяясь в воде, он образует слабую, легко разлагающуюся сернистую кислоту Н₂S0₃. Около 20% сернистого гaза получают обжигом природной серы по реакции S + 0₂->S0₂. Серную кислоту получают также из отработанных газов цветной металлургии, например при выплавке меди, и из сероводорода Н₂S, содержащегося в большинстве природных и попутных горючих газов, отработанных кислотах, травильных растворах и т. д. Полученный обжиговый газ содержит около 15% S0₂. Основными примесями газа являются огарковая пыль, газообразные соединения мышьяка Аs₃, селена Sе0₂ и др. Эти примеси снижают активное действие катализатора, отравляют контактную массу, поэтому должны быть удалены. Очистка обжигового газа вызвана также необходимостью вырабатывать кислоту с минимальным содержанием механических и химических примесей.

Очистка газа от огарковой пыли производится в циклонах (центробежных воздухоочистителях) и электрофильтрах, а окончательная очистка от примесей — в промывных башнях и мокрых электрофильтрах, в которых протекает в жидкой фазе в специальных аппаратах — башнях (поэтому этот способ называют еще башенным). При контактном способе производства серной кислоты окисление S0₂ в S0₃ происходит под воздействием кислорода воздуха.

Поглощение (абсорбция) триоксида серы водой или разбавленной серной кислотой. Серная кислота, полученная нитрозным способом, имеет низкую концентрацию и высокое содержание примесей; ее производство сопровождается выбросом в атмосферу оксидов азота, загрязняющих окружающую среду. Качество и концентрация серной кислоты, полученной контактным способом, значительно выше, чем при нитрозном способе производства, при незначительной разнице в себестоимости. Поэтому в настоящее время в нашей стране более 90% серной кислоты получают контактным способом.

Контактная техническая серная кислота содержит до 92,5% моногидрата, а контактная улучшенная — до 94,0%.

Башенная техническая серная кислота поставляется 75%-ной концентрации и содержит больше посторонних примесей по сравнению с контактной.

Олеум выпускается в основном с содержанием от 20 до 24% свободного триоксида серы в моногидрате.

Химическая промышленность поставляет более качественную кислоту специального назначения, которая применяется в производстве сернокислотных аккумуляторов, в пищевой промышленности, в химических лабораториях и т. д. Особенность этих кислот — высокая концентрация и минимальное содержание посторонних примесей (оксиды или окислы азота, железа, твердый осадок и др.), тем лучше качество серной кислоты. Высокое качество специальных видов кислот достигается использованием дополнительных очистительных устройств (фильтров и отстойников) и тары из более коррозионностойких материалов при хранении на складах.

Основным технико-экономическим показателем сернокислотного производства является удельный расход сырьевых материалов на 1 тонну моногидрата: 0,8—0,85 т серного колчедана, 0,85 квт.ч электроэнергии, 50 м³ воды.

Главными потребителями серной кислоты являются:

• предприятия, производящие минеральные удобрения (простой и двойной суперфосфат, сульфат аммония и др.);

• кислоты (концентрированную азотную, соляную, уксусную, фосфорную и др.);

• соли (медный купорос, сульфаты натрия, калия, магния, кальция, железа и др.).

Большое количество серной кислоты расходуется на обработку продуктов перегонки нефти для получения товарных нефтепродуктов (бензина, керосина, смазочных масел и др.). Серная кислота широко применяется в цветной металлургии, на транспорте — для изготовления свинцовых сернокислотных аккумуляторов; в металлообрабатывающей промышленности. — для удаления оксидов с поверхности изделий перед хромированием, цинкованием и т.д.

Таблица 10.2

Показатели качества основных видов товарной серной кислоты

Серная кислота особой чистоты используется при производстве красителей, красок, лаков, химических волокон, пластических масс, лекарственных препаратов, ядохимикатов, спиртов, эфиров, взрывчатых веществ, в кожевенной и целлюлозно-бумажной промышленности.

Олеум применяется в органической химии для синтеза высокомолекулярных соединений.

Таблица 10.3.