3. Характеристика целевого продукта

H₂SO₄ (серная кислота) тяжёлая маслянистая жидкость без цвета и запаха, с кислым «медным» вкусом с температурой кипения 279,6°C, температурой кристаллизации 10,7°C и плотностью 1,8356 г/см³. Длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—OH 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°.

Кипит, образуя азеотропную смесь (98,3 % H₂SO₄ и 1,7 % H₂О с температурой кипения 336,5^оС). Серная кислота, отвечающая химически чистому, имеет состав (%): H₂SO₄ (не менее) – 93.6-95.6, остаток после прокаливания (не более) – 0.0006 (0.001), массовая доля хлоридов (не более) – 0.0002, нитратов (не более) – 0.00002 (0.00005), аммонийных солей (NH4) (не более) – 0.0001, тяжелых металлов (Pb) (не более) – 0.0001, железа (Fe) (не более) – 0.00002 (0.00005), мышьяка (As) (не более) – 0.000001, селена (Se) (не более) – 0.0001, веществ восстанавливающих KMnO4 (не более) – 0.0002 (0.0003). (ГОСТ 4204 - 77).

Смешивается с водой и SO₃, во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на H₃О⁺, HSO₃⁺, и 2НSO₄⁻. Образует гидраты H₂SO₄·nH₂O, где n = 1, 2, 3, 4 и 6,5.

4. Физико-химическое обоснование основных процессов производства целевого продукта и экологической безопасности производства

Рассмотрим стадии контактного метода получения серной кислоты:

• Получение обжигового газа из серы:

При сжигании серы протекает необратимая экзотермическая реакция с выделением очень большого количества теплоты ∆H = -362.4 кДж/моль, или в пересчете на единицу массы 362,4/32 = 11,325 кДж/г = 11325 кДж/кг.

Расплавленная жидкая сера, подаваемая на сжигание, испаряется (кипит) при температуре 444,6 ˚C; теплота испарения составляет 288 кДж/кг. Как видно из приведенных данных, теплоты реакции горения серы вполне достаточно для испарения исходного сырья, поэтому взаимодействие серы и кислорода происходит в газовой фазе (гомогенная реакция).

При аддиабатическом сжигании серы температура обжига для реакционной смеси стехиометрического состава составит примерно 1500 ˚C. В практических условиях возможности повышения температуры в печи ограничены тем, что выше 1300 ˚C быстро разрушается футеровка печи и газоходов. Обычно при сжигании серы получают обжиговый газ, содержащий 13-14% SO₂.

• Получение обжигового газа из колчедана:

FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂

∆H = -853,8 кДж/моль FeS₂, или 7117 кДж/кг. Сначала происходит медленная эндотермическая реакция термического разложения дисульфида железа, а затем начинаются сильно экзотермические реакции горения паров серы и окисления сульфида железа FeS.

Обычно воздух берется в избытке к стехиометрическому количеству, тогда концентрация SO₂, в обжиговом газе будет тем меньше, чем больше коэффициент избытка.

При низких температурах (ниже 500 ˚C) не сможет протекать эндотермическая реакция термического разложения дисульфида железа. Однако проведение обжига при очень высоких температурах может вызвать нежелательный физический процесс спекания частиц горящего металла, приводящий к увеличению их размеров. Температура спекания колеблется от 800 до 900 ˚C. Проведение процесса в адиабатическом режиме привело бы к разогреву до более высоких температур, поэтому часть теплоты обжига приходится отводить внутри печи.

При производстве серной кислоты для обжига колчедана применяют, в основном, печи кипящего слоя с псевдоожиженным слоем твердого материала.

• Подготовка обжигового газа к контактному окислению:

Обжиговый газ, полученный сжиганием колчедана в печах КС, содержит большое количество огарковой пыли, соединения мышьяка, селена и фтора. Очистка обжигового газа начинается в печном отделении, где в циклонах и сухих электрофильтрах осаждают огарковую пыль. Затем газ направляют на стадию мокрой очистки (в промывное отделение), где из обжигового газа удаляют остатки пыли, каталитические яды (соединения мышьяка и фтора), а также соединения селена.

• Контактное окисление диоксида серы:

SO₂ + 0,5O₂ = SO₃

Данная реакция характеризуется очень высоким значением энергии активации и поэтому практическое ее осуществление возможно лишь в присутствии катализатора. В промышленности основным катализатором является ванадиевая контактная масса V₂O₅. Каталитическую активность проявляет также оксид железа (III) Fe₂O₃, однако лишь в области высоких температур.

Реакция окисления диоксида серы – обратимая экзотермическая, поэтому температурный режим проведения реакции должен приближаться к линии оптимальных температур. При 500˚C тепловой эффект реакции ∆H = -94,23 кДж/моль. Скорость реакции и вид кинетического уравнения зависят от типа применяемого катализатора. В промышленности это в основном ванадиевые контактные массы БАВ, СВД, СВС, ИК, в составе которых примерно 8% V₂O₅, нанесенного на пористый носитель. Скорость реакции повышается с ростом концентрации кислорода, поэтому процесс в промышленности проводят при его избытке.

• Абсорбция триоксида серы:

Для полного извлечения SO₃, необходимо, чтобы его равновесное парциальное давление над растворителем было ничтожно малым, так как при этом будет велика движущая сила процесса абсорбции. Оптимальным абсорбентом является 98,3%-ная серная кислота, при температуре ниже 100 ˚C, (техническое название – моногидрат), соответствующая азеотропному составу.