Производство серной кислоты

9 заданий

Сырьё и подготовка газа

Производство серной кислоты начинается с получения \(\ce{SO2}\) из серосодержащего сырья. Затем газ очищают и окисляют на катализаторе до \(\ce{SO3}\). Такой способ называют контактным. Перед окислением особенно важно удалить примеси, которые мешают действию катализатора.

Самое удобное сырьё — сера. При её сжигании протекает реакция \(\ce{S + O2 -> SO2}\) и образуется газ без примесей, характерных для обжига руд. Выделяющуюся теплоту используют для получения пара и выработки электроэнергии, поэтому завод, перерабатывающий серу, может самостоятельно обеспечивать себя энергией. Сегодня большая часть серы поступает как побочный продукт очистки нефти и газа в процессе Клауса (урок 79).

Другим сырьём служит пирит. Его обжигают в печах кипящего слоя по реакции \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\). Образующийся \(\ce{Fe2O3}\) входит в состав огарка, который используют в доменных печах или при производстве цемента. Третьим источником \(\ce{SO2}\) служат отходящие газы обжига сульфидных руд цветных металлов (урок 116).

errorОчистка газа

Газ, полученный при обжиге, содержит пыль, пары воды, \(\ce{As2O3}\) и \(\ce{SeO2}\). Пыль забивает слои катализатора, соединения мышьяка отравляют ванадиевый катализатор, а влага способствует образованию тумана серной кислоты. Поэтому газ очищают в циклонах и электрофильтрах, промывают и сушат концентрированной серной кислотой.

boltСколько кислоты получают из серы

Каждый атом серы в сырье соответствует одной молекуле \(\ce{H2SO4}\). Поэтому из 32 т серы теоретически получают 98 т кислоты, а из 1 т серы — 3,06 т \(\ce{H2SO4}\). Формула \(\ce{FeS2}\) показывает, что в пирите на один атом железа приходятся два атома серы. Следовательно, из 120 т \(\ce{FeS2}\) теоретически получают 196 т \(\ce{H2SO4}\).

Олеум

После контактного окисления \(\ce{SO2}\) образовавшийся триоксид серы поглощают 98 %-й серной кислотой. Поглощение газа жидкостью называют абсорбцией. В результате получают олеум — раствор \(\ce{SO3}\) в \(\ce{H2SO4}\). Формально его состав записывают \(\ce{H2SO4*xSO3}\); в олеуме также присутствует пиросерная кислота \(\ce{H2S2O7}\). На влажном воздухе олеум дымит, поскольку \(\ce{SO3}\) образует с влагой туман кислоты.

Концентрацию олеума выражают массовой долей свободного \(\ce{SO3}\). Например, «20 %-й олеум» содержит в 100 г смеси 80 г \(\ce{H2SO4}\) и 20 г \(\ce{SO3}\).

При добавлении воды свободный триоксид серы превращается в кислоту по реакции \(\ce{SO3 + H2O -> H2SO4}\). Поэтому из 100 г 20 %-го олеума после полного превращения \(\ce{SO3}\) получается \(80 + 20\cdot\dfrac{98{,}08}{80{,}06} = 104{,}5\) г 100 %-й кислоты. Чистую серную кислоту называют моногидратом. Если массу полученного моногидрата отнести к исходной массе олеума, то содержание моногидрата окажется больше 100 %.

boltЗадачи на олеум

Сначала определяют количество свободного \(\ce{SO3}\). По нему рассчитывают, сколько воды потребуется для получения моногидрата и насколько увеличится масса кислоты. Если олеум смешивают с раствором кислоты, считается, что вода из раствора в первую очередь расходуется на превращение свободного \(\ce{SO3}\) в \(\ce{H2SO4}\).

scienceОлеум в синтезе

\(\ce{H2SO4 + SO3 -> H2S2O7}\) — при присоединении триоксида серы к серной кислоте образуется пиросерная кислота.
\(\ce{C6H6 + SO3 ->[H2SO4] C6H5SO3H}\) — при сульфировании бензола образуется бензолсульфокислота; продукты сульфирования используют в производстве моющих средств и красителей.
\(\ce{HNO3 + 2H2SO4 -> NO2+ + H3O+ + 2HSO4-}\) — в нитрующей смеси концентрированная серная кислота способствует образованию катиона нитрония.

Материальный баланс производства

Теоретический расчёт показывает предельное количество кислоты, но фактически её получают меньше. При обжиге пирита часть серы теряется с огарком, часть \(\ce{SO2}\) остаётся неокисленной, а часть продукта теряется при абсорбции. Даже при двойном контактировании, когда газ после промежуточного поглощения \(\ce{SO3}\) снова пропускают через катализатор, доля неокисленного \(\ce{SO2}\) составляет 0,2–0,3 %.

Для учёта потерь используют выход стадии: он показывает, какая доля теоретического количества продукта получена на этой стадии. Поскольку продукт одной стадии служит исходным веществом для следующей, общий выход находят умножением выходов последовательных стадий.

edit_noteВыход по стадиям

Пусть выход при обжиге составляет 97 %, при окислении — 99,7 %, а при абсорбции — 99,9 %. Тогда общий выход составляет \(0{,}97\cdot0{,}997\cdot0{,}999 = 0{,}966\), или 96,6 %.

boltПроизведение выходов

В многостадийных синтезах общий выход равен произведению выходов последовательных стадий. Такой расчёт позволяет учесть потери на каждой из них.

auto_awesomeСерная кислота и история

В XVIII–XIX веках серную кислоту получали камерным способом в свинцовых камерах: оксиды азота переносили кислород на \(\ce{SO2}\). Концентрация получавшейся кислоты составляла 65–75 %. В 1831 году Перегрин Филлипс предложил контактный способ с платиновым катализатором, но массово его внедрили лишь в конце XIX века, когда для производства красителей понадобился олеум. Позже платину заменили более дешёвым ванадиевым катализатором.

push_pinГлавное

Для производства серной кислоты используют серу, сегодня в основном получаемую в процессе Клауса, пирит и газы цветной металлургии. \(\ce{SO2}\) получают по реакциям \(\ce{S + O2 -> SO2}\) и \(\ce{4FeS2 + 11O2 -> 2Fe2O3 + 8SO2}\); затем газ очищают от пыли и мышьяка, отравляющего катализатор, и сушат серной кислотой. При контактном окислении протекает реакция \(\ce{2SO2 + O2 <=> 2SO3}\) на \(\ce{V2O5}\); газ охлаждают между слоями катализатора и применяют двойное контактирование (урок 60). Образовавшийся \(\ce{SO3}\) поглощают 98 %-й кислотой, получают олеум \(\ce{H2SO4*xSO3}\) и разбавляют его до нужной концентрации. Из 1 т серы теоретически получают до 3,06 т \(\ce{H2SO4}\), а фактический выход рассчитывают с учётом потерь на каждой стадии.

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