Макет технологической схемы производства серной кислоты контактным способом

Технология — наука о производствах, о тех методах и аппаратах, посредством которых исходные материалы превращают в предметы потребления или в средства производства. Этот процесс называется технологическим процессом. Технология разделяется на механическую и химическую. Механическая технология изучает процессы, при которых изменяется лишь форма, а иногда и физические свойства перерабатываемого материала. Химическая технология изучает процессы, протекающие с изменением химического состава перерабатываемых материалов, а также аппараты, необходимые для проведения этих процессов. Технологический процесс заключается в последовательном проведении нескольких химических реакций, механических и физико-химических операций; он разделяется чаще всего на несколько стадий (в каждой из которых совершается одна из реакций и несколько операций), осуществляемых в различных аппаратах. Сочетание всех этих стадий (а также и аппаратов) называется технологической схемой производства.

Сырьем называют исходные материалы, на получение и доставку которых был затрачен труд и которые обладают поэтому стоимостью. Часто применяют несколько видов сырья. Смесь, состоящую из нескольких твердых материалов, называют шихтой, полужидкую смесь — пульпой, а более вязкую, мало текучую — шламом. Продукт, получаемый в какой-либо промежуточной стадии, называют промежуточным продуктом (полупродуктом, полуфабрикатом), а получаемый в конечной стадии — готовым продуктом. Наряду с ним нередко образуются отходы производства. Используемые отходы называют побочными продуктами, а неиспользуемые — отбросами. Часто готовый продукт одного производства служит сырьем или полупродуктом для другого. Например, синтетические аммиак и азотная кислота (готовые продукты) могут служить сырьем для производства аммиачной селитры, а чугун — для вьплавки стали и т. д. Важнейшая задача химической технологии — отыскание условий для экономически целесообразного осуществления тех или иных химических реакций в виде технологического процесса при наличии определенных видов сырья. На основании изучения этих реакций в лаборатории, а затем на полузаводской установке в небольших аппаратах (являющихся моделями крупных, используемых в производстве) находят наиболее выгодные (оптимальные) с точки зрения экономического эффекта значения параметров процесса (температура, давление, скорость подачи сырья и т. д. ); они совместно составляют технологический режим процесса. Складывается и технологическая схема процесса. Выбирают также материалы для изготовления аппаратов. Используя эти данные, осуществляют расчет процесса, аппаратов и проектирование предприятия. После этого приступают к строительству его, к монтажу и опробованию оборудования, пуску и налаживанию производства.

Данную работу следует отнести к разделу « Химическая технология. ». Предметом исследования являлась серная кислота. Целью работы было изучение сырья для получения серной кислоты, способов её получения в промышленности, областей её применения, а так же история производства серной кислоты. Задачами работы являлось следующее: изучение химической литературы, в которой освещены теоретические вопросы, отражающие химические реакции , лежащие в основе получения серной кислоты и условия их протекания; изучение литературы по химической технологии, в которой описаны методы получения серной кислоты, технологическая схемы и устройство аппаратов, используемых для получения серной кислоты контактным способом; изготовление макета технологической схемы производства серной кислоты из прозрачных пластиковых бутылок и полихлорвиниловых трубок. Макет состоит из следующих аппаратов: печь для обжига в « кипящем» слое, циклон, электрофильтр, сушильная башня, теплообменник, контактный аппарат, поглотительная башня, согласно схеме 1 ( см. в приложении). Данная работа и макет могут быть использованы на уроках химии при изучении темы : « Производство серной кислоты. »

1. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ В РАЗВИТИИ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

История производства серной кислоты.

Уже в древнейшие времена люди научились изготовлять орудия труда и предметы потребления, используя различные химические реакции. Однако эти производства в течение долгого времени, вплоть до конца средних веков, оставались ремеслами с ручным трудом. Работу вели на основе случайных наблюдений и усовершенствований с передачей секретов производства от мастера к мастеру. Первым возникло производство керамической посуды из глины, обломки ее встречаются при раскопках поселений, существовавших еще в новом каменном веке. Открытие образования керамики при обжиге имело большое значение, так как позволило перейти к варке пищи. Дальнейшим важным шагом явилось развитие производства металлов из руд, сначала (около 8 тыс. лет назад) — «бронзовый век» — век меди и бронзы, а затем и железа (около 4 тыс. лет назад) — «железный век». Впервые производство железа возникло в Малой Азии и в Армении. Научились также перерабатывать золото и серебро в украшения и монеты. В древнее время в Египте, Вавилоне и Ассирии появляются производства кирпича, извести, стекла, минеральных красок, а также (получаемых из растений) органических красителей, дубителей, лекарственных средств и растительных масел. Уже тогда умели выделять поваренную соль из природных рассолов в местах их выхода на поверхность, получать вино брожением соков винограда и других плодов, а скисанием вина — уксус. Многие производства — сахара, бумаги (II в. ), фарфора (VI в. ), черного пороха (XIII в. ) —зародились в Китае.

В средние века начинает развиваться химический эксперимент на основе работ арабских и европейских алхимиков. Они получили впервые серную, азотную кислоты и многие соли, разработали также общие приемы получения и выделения веществ. Вследствие этого появились первые химические ремесла — получение кислот, поташа, серы, селитры (для изготовления пороха), продуктов сухой перегонки дерева и др.

Промышленное производство возникает лишь в ХVIIв. в результате развития капитализма. В Англии и в России создается производство чугуна, для выплавки которого потребовалось топливо (в Англии — кокс, а в России — древесный уголь). Химическая промышленность начинает развиваться позже — в конце XVIII в. , во время промышленного переворота, вызвавшего большую потребность в химических продуктах.

Серную кислоту получают уже более 1000 лет. Вначале её получали из «зелёного камня» (железный купорос) или квасцов путём сильного нагрева (прокаливания). Так, например, из железного купороса получали тяжёлую маслянистую жидкость — купоросное масло : 2 [FеSO4 -7Н2O] = Fе2О3+Н2SО4+SО2+13Н2О. ( см. в приложении рис1. ) Первое упоминание о кислых газах, получаемых при прокаливании квасцов или купороса, встречается в сочинениях, приписываемых арабскому химику Джафар-аль-Суфи (Гебер), жившему в VIII в. Некоторые учёные приписывают честь открытия серной кислоты персидскому химику Абубекеру-аль-Рази, жившему в X в. Более определённо говорит о серной кислоте алхимик Альберт Великий (Альберт Магнус ), живший в XIII столетии. В XV в. алхимики открыли, что серную кислоту можно получить, сжигая смесь серы и селитры. Этим способом получали серную кислоту свыше 300 лет, но небольшими количествами в ретортах и стеклянных колбах. И только в середине XVIII в. , когда нашли, что свинец является материалом, весьма стойким против серной кислоты, начинают постепенно переходить от стеклянной лабораторной аппаратуры к большим свинцовым коробкам или камерам. В этих камерах сжигалась смесь серы и селитры. Образовавшийся серный ангидрид здесь же поглощался водой или раствором кислоты, налитой в камеры. Процесс приходилось прерывать для загрузки камер. Производство серной кислоты получило быстрое развитие с начала XIX в. Этот рост был вызван развитием производства соды и других продуктов, для которых была необходима серная кислота. В это время химики Клеман и Дезорм выяснили сущность процесса. Они показали, что окислы азота играют роль передатчиков кислорода воздуха от двуокиси серы к трёхокиси серы. Они предложили питать камеры непрерывным током сернистого газа, для чего стали сжигать серу в отдельных печах. Вместо селитры стали употреблять азотную кислоту. Кроме того, в камеры стали вводить водяной пар. Производство стало непрерывным. Однако кислота обходилась дорого до тех пор, пока единственным сырьём для него была сера, а расход азотной кислоты был велик, так как окислы азота безвозвратно терялись с отходящими газами.

Дальнейшими работами химиков недостатки эти были устранены. Гей-Люссак предложил улавливать окислы азота при помощи серной кислоты, стекающей в башне навстречу отходящим газам. Эту башню ставят после камер. Получающуюся в башнях кислоту называют нитрозой. Английский технолог Дж. Гловер предложил выделять окислы азота из нитрозы в башне, в которой навстречу кислоте проходят газы обжига. Эту башню ставят перед камерами. Окислы азота поступают в камеры, и таким образом совершается круговорот окислов азота. Ещё в XV—XVI вв. извлекать серу умели из пирита — серного колчедана — более дешёвого и распространённого сырья, чем сера. В 1833 г. Перре и Малетра предложили использовать этот минерал для получения из него сернистого газа и построили для этой цели специальную печь. Благодаря этим усовершенствованиям серная кислота стала дешёвым продуктом.

2. Свойства серной кислоты.

Физические свойства. Серная кислота — один из важнейших продуктов химической промышленности. Безводная серная кислота, или моногидрат,— это маслянистая жидкость, более тяжелая, чем вода, кристаллизующаяся при 10. 3 С. Плотность серной кислоты (масса 1 мл при 0°С) равна 1,84 г/см3, в этих же условиях плотность воды составляет 1 г/см3. При растворении в воде образуются гидраты и выделяется очень большое количество теплоты. Поэтому смешивать серную кислоту с водой следует с осторожностью. Во избежание разбрызгивания поверхностного разогретого слоя раствора, надо вливать ( как более тяжелую ) в воду небольшими порциями или тонкой струйкой; ни в коем случае не следует вливать воду в кислоту. Серная кислота жадно поглощает пары воды и поэтому часто применяется для осушения газов. Способностью поглощать воду объясняется и обугливание многих органических веществ, особенно относящихся к классу углеводов ( клетчатка, сахар и др. ), при действии на них концентрированной серной кислоты. Она отнимает от углеводов водород и кислород, которые образуют воду, а углерод выделяется в виде угля. Дерево, другие растения, а также живые ткани быстро разрушаются серной кислотой и при этом чернеют. Работающие с серной кислотой должны соблюдать особую осторожность. Раствор серной кислоты в воде с содержанием кислоты менее 70 % обычно называют разбавленной серной кислотой. Раствор серной кислоты в воде с содержанием кислоты более 70% обычно называют концентрированной серной кислотой.

Химические свойства. Серная кислота отличается высокой химической активностью — очень легко вступает в химические реакции. Она энергично реагирует с металлами, вытесняет другие кислоты из их солей, жадно соединяется с водой. Концентрированная серная кислота ,особенно горячая ,- энергичный окислитель. Она окисляет HJ , HBr ( но не HCl ) до свободных галогенов , уголь до СО2 , серу – до SO2. Указанные реакции выражаются уравнениями: 8HJ + H2 SO4 =4 J 2 + H2 S + 4 H2 О ; HBr + H2 SO2 = Br2 +SO2 + 2H2

C + 2 H2 SO4 = CO2 +2 SO2 +2 H2 O ; S +2 H2 SO4 = 3SO2 +2 H2 O

Взаимодействие серной кислоты с металлами протекает различно в зависимости тот её концентрации. Разбавленная кислота взаимодействует с теми металлами, которые стоят в ряду напряжений до водорода : Zn+ H2 SO4 = Zn +H2

Однако свинец не растворяется в разбавленной кислоте, поскольку образующаяся соль сульфат свинца нерастворима. Концентрированная серная кислота является окислителем за счет серы (VI). Она окисляет металлы, стоящие в ряду напряжений до серебра включительно. Продукты её восстановления могут быть различными в зависимости от активности металла и от условий ( концентрация кислоты, температура). При взаимодействии с малоактивными металлами, например , с медью , кислота восстанавливается до сернистого газа:

Cu + 2H2 SO4 = CuSO4 + SO2 +2 H2 O

При взаимодействии с более активными металлами продуктами восстановления могут быть как SO2 ,так и свободная сера и сероводород. Например, с цинком могут протекать реакции : Zn+2H2 SO4 = ZnSO4 + SO2 + 2 H2 O

3Zn + 4 H2 SO4 = 3 ZnSO4 + S +4 H2 O

4Zn + 5 H2 SO4 = 4ZnSO4 + H2 S + 4 H2 O

На холоду концентрированная серная кислота пассивирует некоторые металлы, например алюминий и железо, поэтому её перевозят в железных цистернах

Серная кислота – сильная двухосновная кислота. По первой ступени в растворах невысокой концентрации она диссоциирует практически нацело : H2 SO4 = H+ + HSO41-

Диссоциация по второй ступени протекает в меньшей степени : HSO1 -4 = H+ + SO42-

Как кислота двухосновная ,серная кислота образует два ряда солей: средние и кислые. Средние соли называются сульфатами , а кислые – гидросульфатами. Большинство солей серной кислоты довольно хорошо растворяется в воде. К практически нерастворимым относятся сульфаты бария, стронция и свинца. Мало растворим сульфат кальция. Сульфат бария нерастворим не только в воде , но и в разбавленных кислотах. Поэтому образование белого нерастворимого в кислотах осадка при действии на какой-нибудь раствор солью бария служит указанием на присутствие в этом растворе сульфат- ионов : Ba2+ + SO42- = BaSO4

Таким образом, растворимые соли бария служат реактивом на сульфат-ион. Разбавленная серная кислота проявляет все характерные свойства сильных кислот. Разбавленная серная кислота реагирует с основными оксидами : MgO + H2 SO4 = MgSO4 + H2 O с основаниями : H2 SO4 +2 NaOH = Na2 SO4 +2 H2 O с солями: H2 SO4 + BaCI 2 = BaSO 4+ 2 HCL

3. Применение серной кислоты.

Высокая химическая активность серной кислоты дает возможность получать из нее или с ее помощью другие вещества. Серную кислоту используют буквально во всех отраслях химической промышленности. Она служит одним из главных химических продуктов, определяющих развитие химической промышленности, недаром называют ее «хлебом химии». В химической промышленности серную кислоту используют для производства удобрений — суперфосфата, сульфата аммония, аммофоса и др. В СССР около половины вырабатываемой серной кислоты расходуется на производство удобрений. Серная кислота необходима для получения красителей, пластических масс, химических волокон, фармацевтических препаратов. Значительное количество серной кислоты расходуется при получении нефтепродуктов — жидких топлив, смазочных масел. Серная кислота применяется не только в химической промышленности. Выделение металлов из руд в металлургии, травление металлов на машиностроительных заводах, обработка волокна и тканей разбавленными растворами серной кислоты перед крашением на текстильных фабриках, получение крахмала, патоки и спирта на предприятиях пищевой промышленности — вот далеко не полный перечень областей использования серной кислоты. Большая нужда в серной кислоте определила масштабы её производства. Ежегодно во всём мире её вырабатывается около 100 млн. т. По масштабам производства серной кислоты СССР занимал второе место.

Серная кислота, используемая в промышленности, называется технической. Она представляет собой растворы серной кислоты в воде. Содержание (концентрация) серной кислоты в этих растворах может быть различной. Так, башенная кислота содержит 75—-78%- H2 SO4 и 22—25% -H2 O. Вырабатываемая в больших количествах контактная кислота более концентрированная и чистая, чем башенная,— в ней 92,5%- H2 SO4 и 7,5% - H2 O. Значительное использование получили растворы серного ангидрида в серной кислоте, называемые олеумом. В олеуме содержится 18—20% - SO3 , остальное - H2 SO4.

4. Производство серной кислоты.

4. 1 СЫРЬЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

Процесс получения серной кислоты протекает по двум реакциям:

2SO2 + O2 = 2SO3 ( 1 ) ; SO3 + H2 O = H2 SO4 ( 2 )

Реакция ( 1 ) описывает окисление сернистого ангидрида, в результате чего получается серный ангидрид. Вторая реакция ( 2 ) показывает взаимодействие серного ангидрида и воды с получением серной кислоты. Из уравнений (1) и (2) следует, что для получения серной кислоты необходимы кислород, получаемый из воздуха, вода и сернистый ангидрид. Следовательно, первым сырьевым материалом для производства серной кислоты является воздух, вторым — вода, третьим — сернистый ангидрид. Откуда же берут сернистый ангидрид? Сырьем для получения сернистого ангидрида, а следовательно, и серной кислоты служит сера или материалы, в состав которых входит сера.

Сера — твердое желтое вещество, имеющее температуру плавления 113°С и кипящее при 444,6° С. Сера встречается в природе в так называемых серных рудах, в которых она смешана с другими веществами. При нагревании серной руды сера, расплавляясь, вытекает из нее. На этом принципе основан один из методов извлечения ее из серных руд. Развитие процессов получения серы из отходящих газов увеличивает значение серы для отечественной сернокислотной промышленности. Серный колчедан — желтовато-серый с блестящими вкраплениями камень. В состав колчедана входит минерал пирит FeS2. Содержание серы в колчедане колеблется от 35 до 50%, а железа — от 30 до 43%. Остальное составляют примеси — соединения меди, цинка, свинца, мышьяка, селена и др. Добытый на рудниках колчедан в виде кусков различной величины доставляют на химические заводы. Такой колчедан называют рядовым. Помимо этого, серный колчедан может быть получен из медных руд, идущих на производство меди и имеющих в своем составе FeS2. При переработке медной руды на специальных предприятиях—обогатительных фабриках — получают продукт, в котором содержится много меди (медный концентрат), и отход (флотационные хвосты), богатый серным колчеданом. Медный концентрат поступает на медеплавильные заводы, а отход производства — флотационные хвосты являющиеся важнейшим сырьем для производства серной кислоты, — на химические заводы. Таким образом, медные руды используются комплексно.

Газы металлургических печей, в которых перерабатывают руды меди, цинка и других цветных металлов, содержат сернистый ангидрид. Выходя из печей, они загрязняют атмосферный воздух, губят растительность и вредно отражаются на здоровье людей. Из этих газов получают серу пo реакциям:

2H2 S + O2 = S + 2H2 O(3)

2CS + 2O2 = 3 S + 2 CO2(4)

4 CO + 2 SO2 = S + 4 CO2(5)

Использование отходящих газов цветной металлургии имеет большое народнохозяйственное значение, так как позволяет одновременно решить две задачи — получение серной кислоты без затрат колчедана или серы и обезвреживание атмосферы. Сероводород извлекают из газов, получаемых при химической переработке углей и нефти. Его окисляют кислородом воздуха до сернистого ангидрида: 2H2 S + 3O2 = 2 SO2 + 2 H2 О (6) или до элементарной серы: 2H2 S + O2 = 2 S + 2 H2 O (7)

Полученный при этом SO2 или серу используют для производства серной кислоты.

4. 2 ПРОИЗВОДСТВО СЕРНИСТОГО ГАЗА

Переработка серы. Для получения сернистого газа серу сжигают в воздухе. При этом происходит реакция: S + O2 = SO2

Сжигание серы проводят в простых по устройству печах и получают сернистый газ, не загрязнённый вредными примесями. Печь для сжигания серы представляет собой стальной цилиндр, футерованный огнеупорным кирпичом. Расплавленная сера подается воздухом через форсунку в печь. Для лучшего смешения продуктов внутри печи имеются перегородки. При высокой температуре в печи сера загорается — образуется факел горящей серы. Горение серы происходит во всем объеме печи и заканчивается в камерах, образованных перегородками куда подается дополнительное количество воздуха. Из этих камер выводится горячий печной газ, содержащий сернистый ангидрид.

Переработка серного колчедана. Этот процесс описывается реакцией:

4 FeS 2 + 11 O 2= 2 Fe2 O3 + 8 SO2 + 3324 кДж (9)

При взаимодействии серного колчедана с кислородом воздуха выделяется значительное количество теплоты, в результате чего температура в печи , в которой проходит процесс, повышается до 700- 800 С. Продуктами обжига колчедана является печной газ, который содержит 8-11% , около 10 – 11 % кислорода , а остальное азот, поступивший в печь с воздухом, и колчеданный огарок – красно–коричневый продукт, в основном состоящий из оксида железа.

Обжиг колчедана протекает интенсивно при высоких температурах, так как при этом увеличивается скорость реакции. Обжиг колчедана – это гетерогенный процесс, и поэтому для его интенсификации необходимо иметь возможно большую поверхность соприкосновения между частицами колчедана и воздуха.

Этого, достигают измельчением колчедана и его перемешиванием в воздушном потоке в процессе обжига. Если колчедан поступает на завод в виде крупных кусков, сначала его измельчают в щековых дробилках. Дробилка имеет две плиты, или «щеки», из которых одна неподвижная, а вторая — подвижная. Колчедан подается в пространство между плитами. Подвижная щека, подвешенная на стальном валу периодически приближается к неподвижной и раздавливает колчедан, находящийся между ними. После щековой дробилки куски колчедана еще относительно велики, и он поступает для окончательного измельчения в валковую дробилку, в которой куски материала раздавливаются между двумя вращающимися навстречу друг другу стальными цилиндрами (варками).

Обжигают, колчедан в печах различной конструкции при температуре около 800° С. Наибольшее распространение получили, печи «кипящего» слоя. Печь «кипящего» слоя КС представляет собой полую вертикальную камеру 1, в нижней части которой находится решетка ( наподобие колосниковой). На решетку непрерывно поступает мелкораздробленный колчедан, а под решетку вдувается воздух. Воздух проходит через отверстия решетки с большой скоростью, поднимает и перемешивает находящийся на решетке колчедан. Слой колчедана по внешнему виду напоминает кипящую жидкость (откуда и название — печь «кипящего» слоя). Температура в печи около 800° С. Сверху из печи отводится обжиговый газ, а через опереточную трубу — огарок. В печи «кипящего» слоя можно обжигать 200 т колчедана в сутки. Газ, выходящий из обжиговых печей, уносит мелкие частицы огарка. Чтобы не загрязнять получаемую в дальнейшем кислоту и не засорять аппаратуру, обжиговый газ очищают от пыли.

Очистка обжигового газа от пыли. Наиболее успешно этот процесс осуществляется в электрофильтрах. Электрофильтр питается постоянным током высокого напряжения 60000—70000 В. В поле постоянного тока такого напряжения пылинки получают отрицательный электрический заряд и движутся к положительно заряженному электроду, разряжаются на нем и падают. Очищенный от пыли обжиговый газ содержит около 9 %- SO2 , 9-10 % -O2 и около 80%- N2.

Огарок. Образующийся при обжиге колчедана огарок содержит до 50, масс. % Fе.

На 1 т серной кислоты получается около 0,6 т огарка. Таким образом, количество огарка составляет миллионы тонн в год, и он может быть использован для производства чугуна. Однако удаляемый из обжиговых печей огарок непригоден непосредственно для доменного процесса — он очень мелкий и содержание в нем серы и цветных металлов превышает нормы, допустимые для доменного процесса. Поэтому перед тем как передать огарок на доменную плавку, его подвергают предварительной обработке. Огарок может быть также использован в производстве цемента, для получения минеральных красок и др.

4. 3 ПЕРЕРАБОТКА СЕРНИСТОГО ГАЗА В СЕРНУЮ КИСЛОТУ

Производство серной кислоты из сернистого газа заключается во взаимодействии сернистого газа и кислорода, содержащихся в обжиговом газе (реакция 1 ). В результате этого процесса образуется серный ангидрид, который затем поглощается водой с получением серной кислоты (реакция 2). Первая реакция в обычных условиях протекает крайне медленно. В зависимости от способа окисления в серную кислоту получают двумя способами.

Нитрозный способ. Нитрозный способ производства серной кислоты предусматривает использование для окисления сернистого ангидрида оксидов азота. Этот процесс протекает по следующим реакциям: SO2 + NO2 = SO3 + NO (10)

SO3 + H2 O = H2 SO 4 (11) NO + 0,5 O2 = NO2 (12) Реакция ( 10 ) описывает окисление диоксидом азота сернистого ангидрида до серного, который затем по реакции ( 11 ) поглощается водой, и образуется серная кислота. Оксид азота , получаемый по реакции (10) , окисляется кислородом, содержащимся в печном газе ,до диоксида ( реакция 12) , используемого для окисления SO2 в SO3 по реакции (10). Большая часть сернистого газа окисляется в жидкой фазе. Этот процесс протекает через ряд стадий. Сначала оксиды поглощаются серной кислотой

2H2 SO4 + NO + NO2 = 2 SO 2 + H2 O (13)

NO2 – нитрозилсерная кислота Раствор нитрозилсерной кислоты в серной называется нитрозой. Далее нитрозилсерная кислота взаимодействует с водой – этот процесс называется денитрацией.

SO2 + H2 O = H2 SO4 + HNO2 (14)

Сернистый ангидрид , находящийся в печном газе , реагирует с водой с образованием сернистой кислоты: SO2 + H2 O = H2 SO3 (15)

Которая затем окисляется азотистой кислотой , образовавшейся по реакции (14): H2 SO4 + 2 HNO2 = H2 SO4 + 2 NO + H2 O (16)

Концентрация получаемой серной кислоты 75%. Оксид азота по реакции (12) окисляется кислородом печного газа до оксида азота , который используется для получения нитрозы по реакции (13). Таким образом, теоретически оксиды азота не расходуются. Практически происходит некоторая потеря оксидов - азота с отходящими газами, которая компенсируется введением в систему азотной кислоты. Отходящие газы нитрозных систем, окрашенные оксидами азота в коричневый цвет (так называемый «лисий хвост»), загрязняют и отравляют атмосферу.

Реакции 13-16 осуществляют в башнях с насадкой. Поэтому установки , работающие по нитрозному методу, часто называют башенными, а получаемую кислоту – башенной. Это цилиндрические аппараты диаметром 2—6 м и высотой 10—20 м, имеющие снизу днище и закрытые сверху крышкой. В сернокислотном производстве башня имеет стальной кожух. Серная кислота разрушает металл кожуха, и поэтому изнутри башня выложена кислотоупорными плитками. Снизу башни имеется решетка из кислотоупорного материала, на которую загружена насадка, представляющая собой керамические цилиндрики — кольца Рашига. Как видно из рисунка, газ подается снизу, жидкость сверху, т. е. они движутся противотоком. Кислота отбирается из башни снизу, а газ выводится сверху.

Контактный способ. Этот способ производства описывается двумя реакциями (1) и (2). Для окисления сернистого ангидрида в серный используют ванадиевый катализатор, содержащий оксид ванадия (v). Иногда катализаторы называют контактами. Отсюда и название метода производства серной кислоты – контактный. Катализатор работает длительное время без замены при условии очистки обжигового газа не только от пыли, но и от вредных примесей As2 O3 , SeO2 , паров воды, которые попадают в него из колчедана при обжиге. Очистка начинается с удаления пыли в электрофильтре. Затем газ поступает в промывные башни, которые орошаются серной кислотой. Кислота охлаждает газ и растворяет соединения мышьяка и селена. При этом образуется туманообразная серная кислота, содержащая оксид мышьяка. Поэтому частицы тумана удаляют в « мокром» электрофильтре, принцип действия которого такой же , как у электрофильтра для осаждения пыли: частицы тумана в поле высокого напряжения ионизируются и разряжаются на электроде. Далее газ осушают в насадочной башне, орошаемой концентрированной серной кислотой. Эта башня называется сушильной. После неё газ передаётся через теплообменник в контактный аппарат для окисления SO2 в SO3:.

2 SO2 + O2 = 2 SO3 + 190 кДж (17)

Контактный аппарат имеет полки, на которых насыпан катализатор. Между полками с катализатором находятся трубчатые теплообменники. Газ поступает в аппарат снизу и последовательно проходит через межтрубное пространство теплообменников ,где нагревается до 450 С в результате теплообмена с газами, прошедшими катализатор. При 450 С газ поступает в первый слой контактной массы. Здесь протекает реакция образования SO (17), при которой происходит выделение теплоты , и температура газа повышается.

Для получения серной кислоты необходимо поглотить серный ангидрид водой или серной кислотой. Для этого горячий газ, выходящий из контактного аппарата охлаждается в трубчатом холодильнике и поступает в абсорберы, орошаемые серной кислотой. Из башни вытекает либо концентрированная ( контактная ) кислота, либо олеум, получающийся в результате растворения серного ангидрида в серной кислоте. При контактном процессе получается кислота более концентрированная и чистая , но более дорогая , чем при нитрозном способе. Она используется при получении химических волокон , пластмасс, красителей , этилового спирта и др. Башенная кислота применяется там, где не требуется кислота высокой концентрации, например , при производстве удобрений.

Заключение

Результатом данной работы явилось изготовление макета технологической схемы производства серной кислоты контактным способом из пластиковых прозрачных бутылок и полихлорвиниловых трубок. В макет технологической схемы вошли следующие аппараты: печь для обжига в « кипящем» слое, циклон, электрофильтр, сушильная башня, теплообменник, контактный аппарат, поглотительная башня.

Исходным сырьём для производства серной кислоты контактным способом служит пирит , который превращают в сернистый газ в печи для обжига в «кипящем» слое. Затем сернистый газ очищают от пыли в циклоне и электрофильтре, а также от влаги в поглотительной башне. Следующей стадией является окисление сернистого газа до серного ангидрида в контактном аппарате в присутствии V2 O5, а затем поглощают водой или концентрированной серной кислотой , превращая в олеум.

При контактном процессе получается кислота более концентрированная и чистая ,но более дорогая ,чем при нитрозном способе. Контактная кислота используется при получении химических волокон, пластических масс, красителей , этилового спирта и др. Башенная кислота применяется главным образом там, где не требуется кислота высокой концентрации, например , при производстве удобрений.

Серная кислота служит одним из главных химических продуктов, определяющих развитие химической промышленности, недаром её называют « хлебом химии».