Производство серной кислоты

9 заданий

Сырьё и подготовка газа

Сера — самое удобное сырьё: \(\ce{S + O2 -> SO2}\) даёт чистый газ и много теплоты (её используют для выработки пара и электроэнергии — сернокислотный завод на сере сам производит энергию). Сегодня большая часть серы — побочный продукт очистки нефти и газа (процесс Клауса, урок 79).

Пирит обжигают в печах кипящего слоя: \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\). Огарок \(\ce{Fe2O3}\) идёт в доменные печи или цемент.

Отходящие газы обжига сульфидных руд цветных металлов (урок 116) — третий источник.

errorОчистка газа

Обжиговый газ содержит пыль, пары воды, \(\ce{As2O3}\) и \(\ce{SeO2}\). Мышьяк отравляет ванадиевый катализатор, пыль забивает его слои, влага даёт туман кислоты. Поэтому газ очищают в циклонах и электрофильтрах, промывают и сушат концентрированной серной кислотой.

boltСколько кислоты из серы

Каждый атом серы — одна молекула \(\ce{H2SO4}\). Из 32 т серы теоретически 98 т кислоты: 1 т серы → 3,06 т \(\ce{H2SO4}\). Из пирита: 120 т \(\ce{FeS2}\) → 196 т \(\ce{H2SO4}\) (два атома серы).

Олеум

Триоксид серы поглощают 98 %-й серной кислотой: образуется олеум — раствор \(\ce{SO3}\) в \(\ce{H2SO4}\) (формально \(\ce{H2SO4*xSO3}\), в нём есть пиросерная кислота \(\ce{H2S2O7}\)). Олеум дымит на воздухе: \(\ce{SO3}\) с влагой даёт туман кислоты.

Концентрация олеума указывается массовой долей свободного \(\ce{SO3}\): «20 %-й олеум» — в 100 г 80 г \(\ce{H2SO4}\) и 20 г \(\ce{SO3}\).

При добавлении воды \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\) — из 100 г 20 %-го олеума получается \(80 + 20\cdot\dfrac{98{,}08}{80{,}06} = 104{,}5\) г 100 %-й кислоты. Поэтому олеум иногда характеризуют «содержанием моногидрата» больше 100 %.

boltЗадачи на олеум

Работайте с количеством \(\ce{SO3}\): оно определяет, сколько воды олеум «поглотит» до моногидрата и насколько увеличится масса. Олеум + раствор кислоты: вода раствора сначала связывается свободным \(\ce{SO3}\).

scienceОлеум в синтезе

\(\ce{H2SO4 + SO3 -> H2S2O7}\) — пиросерная кислота.
\(\ce{C6H6 + SO3 ->[H2SO4] C6H5SO3H}\) — сульфирование бензола (моющие средства, красители).
\(\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}\) — нитрующая смесь: концентрированная серная кислота генерирует катион нитрония.

Материальный баланс производства

Реальный выход меньше теоретического: потери серы с огарком (при обжиге пирита), неполнота окисления \(\ce{SO2}\) (при двойном контактировании — 0,2–0,3 %), неполнота абсорбции.

edit_noteВыход по стадиям

Обжиг — 97 %, окисление — 99,7 %, абсорбция — 99,9 %. Общий выход \(0{,}97\cdot0{,}997\cdot0{,}999 = 0{,}966\) — 96,6 %.

boltПроизведение выходов

При последовательных стадиях общий выход равен произведению выходов стадий. Так же считаются потери в многостадийных синтезах.

auto_awesomeСерная кислота и история

В XVIII–XIX веках серную кислоту делали «камерным» способом в свинцовых камерах: оксиды азота переносили кислород на \(\ce{SO2}\). Кислота получалась 65–75 %. Контактный способ с платиной придумал Перегрин Филлипс в 1831 году, но массово внедрили его лишь в конце XIX века, когда понадобился олеум для красителей; платину позже заменил дешёвый ванадиевый катализатор.

push_pinГлавное

Сырьё: сера (сегодня в основном из процесса Клауса), пирит, газы цветной металлургии. \(\ce{S + O2 -> SO2}\) или \(\ce{4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2}\); газ очищают от пыли и мышьяка (яд для катализатора) и сушат серной кислотой. \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\) на \(\ce{V2O5}\) с межслойным охлаждением и двойным контактированием (урок 60). \(\ce{SO3}\) поглощают 98 %-й кислотой — получается олеум \(\ce{H2SO4*xSO3}\); его разбавляют до нужной концентрации. Из 1 т серы — до 3,06 т \(\ce{H2SO4}\).

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.