Хімія 10 клас

РОЗДІЛ 4 ПРОМИСЛОВЕ ВИРОБНИЦТВО НАЙВАЖЛИВІШИХ НЕОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН

 

§ 71. Виробництво сульфатної кислоти

 

Усвідомлення змісту цього параграфа дає змогу:

характеризувати сировину сульфатно-кислотного виробництва, його стадії і технологічну схему, будову й роботу основних апаратів; складати рівняння хімічних реакцій, що лежать в основі кожної стадії виробництва;

обґрунтовувати оптимальні умови їх здійснення;

пояснювати наукові принципи хімічної технології у виробництві

сульфатної кислоти;

знати галузі застосування сульфатної кислоти, її значення.

Сульфатна кислота за різноманітністю й обсягом застосування належить до найважливіших продуктів хімічного виробництва. Багато галузей промисловості потребують сульфатної кислоти.

Користуючись мал. 131, пригадайте, яке застосування має сульфатна кислота.

Мал. 131. Схема застосування сульфатної кислоти

 

Сировина. Для виробництва сульфатної кислоти використовують різні сульфуровмісні речовини. Це можуть бути як природні матеріали,

так і відходи інших виробництв, а також газуваті продукти випалювання сульфідів кольорових металів (мал. 132).

 

Мал. 132. Схема сировини для виробництва сульфатної кислоти

 

Нині найчастіше використовують залізний колчедан — поширену природну мінеральну сировину. Крім того, він містить від 40 до 50 % Сульфуру, решта — домішки сполук Кобальту, Ніколу, Арсену, Селену, Купруму, Цинку тощо. Це означає, що руду потрібно переробляти комплексно, без відходів, а отже, значно зменшити вартість сульфатної кислоти.

Запаси самородної сірки у природі невеликі. Однак з погляду сучасних вимог щодо підвищення ефективності виробництва сульфатної кислоти й охорони довкілля самородна сірка — один із найкращих видів природної сировини. Внаслідок її спалювання добувають газ з великим вмістом сульфур(ІV) оксиду SO2, який практично не потребує спеціального очищення. Це має велике значення для контактного способу добування сульфатної кислоти, тому використання саме цієї сировини збільшується.

Проте найдешевшу сульфатну кислоту виробляють на заводах, що використовують відходи інших виробництв як сировину, — коксохімічних, нафтопереробних, кольорової металургії. Ефективність такої сировини очевидна ще й тому, що її використання дає змогу зменшувати викиди в атмосферу речовин, які згубно впливають на рослини, тварин і людей.

Отже, як сировину в основному використовують пірит FeS2. З нього добувають сульфур діоксид SO2, далі — сульфур триоксид SO3 і, нарешті, сульфатну кислоту. Ці перетворення й відображають три стадії виробництва сульфатної кислоти.

Перша стадія — добування сульфур діоксиду випалюванням піриту FeS2. Процес починається за температури 400 °С, а далі — за рахунок виділеної під час реакції теплоти:

Реакція випалювання залізного колчедану є необоротною, екзотермічною, гетерогенною, некаталітичною.

У піч для випалювання надходить пірит FeS2. Але він може утворити спечений щільний шар, і реакція загальмується. Тому в піч знизу вдувається повітря (мал. 133). Шар піриту розпушується (його називають «киплячим шаром»), швидкість реакції зростає, оскільки всередині відбувається інтенсивне перемішування твердого реагенту з киснем. Температура в печі сягає 800 °С. Надлишок теплоти реакції відводиться (за принципом теплообміну).

Мал. 133. Схема виробництва сульфатної кислоти

 

Друга стадія — окиснення сульфур діоксиду:

Реакція окиснення сульфур діоксиду є оборотною, екзотермічною, гетерогенно-каталітичною.

Відхідний газ, отриманий на першій стадії, потрапляє з печі у циклон, потім — в електрофільтр, де очищується від пилу. Далі його промивають водою і концентрованою сульфатною кислотою, щоб очистити від каталітичної отрути. Промивання ведуть протитечією, при цьому газ охолоджується. Тому перед окисненням газ SO2 нагрівають у теплообмінниках. Очищений і підігрітий газ потрапляє в контактний апарат. Тут він контактує з каталізатором, розміщеним шарами на спеціальних решітках.

У процесі окиснення виділяється велика кількість теплоти, яка відводиться на теплообмінники, де підігрівається газ, що надходить. Це дає змогу заощаджувати паливо й водночас підтримувати оптимальну температуру процесу окиснення.

Третя стадія — утворення сульфатної кислоти:

SO3 + Н2О = Н2SО4, ∆Н = -132 кДж

Реакція утворення сульфатної кислоти є необоротною, екзотермічною, гетерогенною.

Поглинання сульфур триоксиду здійснюється не чистою водою, а концентрованим розчином сульфатної кислоти з масовою часткою води 0,02 — 2,0 %. У цьому випадку теплота, що виділяється, йде на нагрівання кислоти. Її температура лише трохи підвищується, тому кислота не випаровується і туману не утворює.

Цей процес відбувається у поглинальній башті — абсорбері — за принципом протитечії. Для збільшення площі поверхні зіткнення газу й рідини башту наповнюють насадкою з порцелянових кілець, які зрошуються сульфатною кислотою. Саме на поверхні кілець відбувається абсорбція сульфур(VІ) оксиду плівкою концентрованого розчину кислоти.

Під час тривалого насичення газуватим SO3 сульфатної кислоти утворюється олеум, що містить 100 %-ву сульфатну кислоту, в якій розчинений надлишковий SO3.

Олеум — димляча оліїста рідина, що є розчином SO3 у безводній сульфатній кислоті. При розбавлянні водою одержують чисту сульфатну кислоту або її концентрований розчин — кінцеві продукти виробництва.

Коротко про головне

Сульфатна кислота має важливе значення для багатьох галузей народного господарства.

Сировиною для виробництва сульфатної кислоти можуть бути як природні матеріали (залізний колчедан, самородна сірка), так і відходи інших виробництв (сірководень — як складова відходів коксохімічних і нафтопереробних заводів, газуваті продукти випалювання сульфідних руд кольорових металів — як відходи кольорової металургії).

Виробництво сульфатної кислоти поділяється на три стадії: добування сульфур діоксиду, окиснення його і утворення сульфатної кислоти.

В основу технологічної схеми виробництва покладено наукові принципи хімічної технології: вибір сировини та її повне і комплексне використання; створення оптимальних умов для проведення хімічних реакцій, протитечія і теплообмін; збільшення площі поверхні зіткнення реагентів; безперервність процесу; захист довкілля і здоров’я людини.



Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити