Свойства и применение серной кислоты. Способы получения серной кислоты.

Существуют 2 промышленных способа получения серной кислоты: контактный и нитрозный.

При контактном способе получения серной кислоты сульфидную руду (чаще всего железный колчедан FеS₂) обжигают в специальных колчеданных печах. При этом получается обжиговый газ, содержащий приблизительно 9 % сернистого ангидрида.

Перед тем, как произвести окисление сернистого газа в серный ангидрид, обжиговый газ очищают от целого ряда примесей, которые могут затруднить и даже сделать невозможным последующее окисление. Одной из таких примесей является пыль, которая может отравить катализатор. Очистка от пыли производится в специальных устройствах - циклон-аппаратах и электрофильтрах.

В контактном аппарате производится окисление сернистого ангидрида в серный. Эта реакция является экзотермической. Однако образующийся серный ангидрид термически малоустойчив и при высокой температуре может снова разлагаться на кислород и сернистый газ. Таким образом реакция 2 SO₂ + O₂ →2 SO₃ обратима.

При низкой температуре окисление идет очень медленно и значительная часть сернистого газа, проходя через контактный аппарат, не успевает окислиться. Поэтому, чтобы достигнуть максимальной степени окисления сернистого газа и в то же время избежать разложения серного ангидрида, скорость газа регулируют таким образом, чтобы температура в контактном аппарате поддерживалась в пределах 470-490 град. С.

При нитрозном способе получения серной кислоты окисление сернистого газа осуществляется оксидами азота. Обжиговый газ подается в продукционную башню 1, орошаемую нитрозилсерной кислотой (NОНSО₃). Для запуска процесса сернистую кислоту окисляют азотной кислотой согласно уравнениям:

SО₂ + Н₂О = Н₂SО₃;

3 Н₂SO₃ + 2 НNО₃ = 3 Н₂SО₄ + 2 NО + Н₂О.

Оксиды азота вместе с выхлопными газами (азот и кислород) подаются в башню 2 для окисления монооксида азота в диоксид. Поток газа регулируют таким образом, чтобы 50 % газа проходило через окислительную башню, а 50 % - миновало ее. Таким образом в поглотительную башню попадает газовая смесь, содержащая монооксид и диоксид азота в эквимолярном соотношении, вследствие чего образуется азотистый ангидрид:

NО + NО₂ = N₂О₃.

При низкой температуре равновесие сдвигается в сторону образования азотистого ангидрида (N₂О₃), а при повышении температуры - в сторону образования монооксида и диоксида азота. В поглотительной башне азотистый ангидрид реагирует с концентрированной серной кислотой, образуя нитрозилсерную кислоту:

N₂О₃ + 2 Н₂SO₄ = 2 NОНSО₄ + Н₂О.

Эта реакция может протекать только с концентрированной серной кислотой. При разбавлении водой нитрозилсерная кислота вновь разлагается на серную кислоту и оксиды азота.

Нитрозилсерная кислота подается на орошение в продукционную башню, где и разлагается водой, а выделившийся азотистый ангидрид окисляет образующуюся в башне сернистую кислоту:

2 NОНSO₄ + Н₂О = 2 Н₂SO₄ + N₂О₃;

SO₂ + Н₂О = Н₂SO₃;

Н₂SО₃ + N₂О₃ = Н₂SO₄ + 2 NО.

Монооксид азота вновь направляется в окислительную башню и процесс повторяется.

Оксиды азота, которые не поглотились серной кислотой, улавливаются в санитарной башне (на схеме не показана), в которую подают либо раствор соды (Nа₂СО₃), либо раствор извести (Са(ОН)₂):

N₂О₃ + Nа₂СО₃ = 2 NаNО₂ + СО₂;

2 NО₂ + Nа₂СО₃ = NаNО₃ + NаNО₂ + СО₂;

N₂О₃ + Са(ОН)₂ = Са(NО₃)₂ + Н₂О;

4 NО₂ + 2 Са(ОН)₂ = Са(NО₃)₂ + Са(NО₂)₂ + 2 Н₂О.

Потеря оксидов азота компенсируется введением новых порций азотной кислоты.

Концентрация серной кислоты, получаемой нитрозным способом, достигает 70-80 %.

Серная кислота находит самое широкое применение. Она используется для получения соляной, азотной, фосфорной, плавиковой и многих органических кислот методом обмена, в производстве фосфорных и азотных удобрений, органических сульфосоединений, для очистки различных газов, входит в состав нитрующих смесей, используется в производстве красителей, для зарядки аккумуляторов и др.

Широко применяются соли серной кислоты. Сульфат натрия (глауберова соль Nа₂SO₄ * 10Н₂О) применяется для производства соды и в стекольной промышленности. Сульфат кальция распространен в природе в виде двуводного кристаллогидрата гипса (СаSO₄ * 2Н₂О) и безводной соли ангидрита (СаSO₄).

Ангидритовые вяжущие материалы получают путем обжига гипсового камня при повышенных температурах (600-700 град. С) с различными добавками. При этом получают отделочный гипсовый цемент и кальцинированный гипс (экстрих-гипс).

Эти материалы затвердевают значительно медленнее, чем полуводный гипс, и применяются для изготовления строительных растворов и бетонов малой прочности, а также искусственного мрамора, бесшовных настилов полов и др.

Сульфат магния, или горькая соль (МgSO₄ * 7Н₂О) применяется в медицине как слабительное.

Сульфат железа (II), или железный купорос (FеSO₄ * 7Н₂О) применяется для приготовления желтой кровяной соли (К₄[Fе(СN)₆]), чернил, для очистки воды и консервирования дерева.

Сульфат меди, или медный купорос (СuSО₄ * 5Н₂О) применяется для борьбы с различными грибками - вредителями сельского хозяйства, для производства медных покрытий и получения различных соединений меди.

Из растворов, содержащих сульфат трехвалентного металла (Fе³⁺, Аl³⁺, Сг³⁺) и сульфат одновалентного металла (К⁺, NН₄⁺, Rb⁺), выкристаллизовываются двойные соли типа К₂SO₄ * Al₂(SO₄)₃ * 24H₂O или КАl(SO₄)₃ * 12Н₂О. Вместо калия и алюминия могут стоять в любом сочетании перечисленные элементы.

Эти соединения называются квасцами. Квасцы существуют только в твердом виде. В растворе они ведут себя как 2 самостоятельные соли, т. е. как смесь сульфатов одно- и трехвалентных металлов.

30. Принципиальная технологическая схема получения серной кислоты из серы.

Рис. 1. Структурная схема производства серной кислоты из серы.

1 – осушка воздуха; 2 – сжигание серы; 3 – охлаждение газа, 4 –контактирование; 5 –абсорбция оксида серы (IV) и образование серной кислоты.