новости бизнеса
компании и предприятия
нефтехимические компании
продукция / логистика
торговый центр
ChemIndex
новости науки
работа для химиков
химические выставки
лабораторное оборудование
химические реактивы
расширенный поиск
каталог ресурсов
электронный справочник
авторефераты
форум химиков
подписка / опросы
проекты / о нас


контакты
поиск
   

главная > справочник > химическая энциклопедия:

Серная кислота


выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Серная кислота H2SO4, молярная масса 98,082; бесцветная маслянистая жидкость без запаха. Очень сильная двухосновная кислота, при 18°С pKa1 - 2,8, K21,2·10-2, pKa2 1,92; длины связей в молекуле S=O 0,143 нм, S—ОН 0,154 нм, угол HOSOH 104°, OSO 119°; кипит с разложением, образуя азеотропную смесь (98,3% H2SO4 и 1,7% Н2О с температурой кипения 338,8°С; см. также табл. 1). Серная кислота, отвечающая 100%-ному содержанию H2SO4, имеет состав (%): H2SO4 99,5%, HSO4- 0,18%, H3SO4+ 0,14%, H3О+ 0,09%, H2S2O7 0,04%, HS2O7 0,05%. Смешивается с водой и SO3 во всех соотношениях. В водных растворах серная кислота практически полностью диссоциирует на Н+, HSO4- и SO42-. Образует гидраты H2SO4·nH2O, где n=1, 2, 3, 4 и 6,5.

растворы SO3 в серной кислоте называются олеумом, они образуют два соединения H2SO4·SO3 и H2SO4·2SO3. Олеум содержит также пиросерную кислоту, получающуюся по реакции: Н2SO4+SO3=H2S2O7.

Табл. 1. Свойства серной кислоты и ее соединений

Табл. 2. Свойства водных растоворов серной кислоты и олеума

Температура кипения водных растворов сернаой кислоты повышается с ростом ее концентрации и достигает максимума при содержании 98,3% H2SO4 (табл. 2). Температура кипения олеума с увеличением содержания SO3 понижается. При увеличении концентрации водных растворов серной кислоты общее давление пара над растворами понижается и при содержании 98,3% H2SO4 достигает минимума. С увеличением концентрации SO3 в олеуме общее давление пара над ним повышается. Давление пара над водными растворами серной кислоты и олеума можно вычислить по уравнению: lgp(Пa) = А — В/Т + 2,126, величины коэфициентов А и В зависят от концентрации серной кислоты. Пар над водными растворами серной кислоты состоит из смеси паров воды, Н2SO4 и SO3, при этом состав пара отличается от состава жидкости при всех концентрациях серной кислоты, кроме соответствующей азеотропной смеси.

С повышением температуры усиливается диссоциация H2SO4 H2О + SO3Q, уравнение температурной зависимости константы равновесия lnКp = 14,74965 - 6,71464ln(298/T) - 8, 10161·104T2-9643,04/T-9,4577·10-3Т+2,19062·10-6T2. При нормальном давлении степень диссоциации: 10-5 (373 К), 2,5 (473 К), 27,1 (573 К), 69,1 (673 К). Плотность 100%-ной серной кислоты можно определить по уравнению: d=1,8517 — 1,1·10-3 t + 2·10-6t2 г/см3. С повышением концентрации растворов серной кислоты их теплоемкость уменьшается и достигает минимума для 100%-ной серной кислоты, теплоемкость олеума с повышением содержания SO3 увеличивается.

При повышении концентрации и понижении температуры теплопроводность l уменьшается: l = 0,518 + 0,0016t - (0,25 + t/1293)С/100, где С - концентрация серной кислоты, в %. Максимальную вязкость имеет олеум H2SO4·SO3, с повышением температуры η снижается. Электрическое сопротивление серной кислоты минимально при концентрации 30 и 92% H2SO4 и максимально при концентрации 84 и 99,8% H2SO4. Для олеума минимfkmyjt r при концентрации 10% SO3. С повышением температуры r серной кислоты увеличивается. Диэлектрическая проницаемость 100%-ной серной кислоты 101 (298,15 К), 122 (281,15 К); криоскопическая постоянная 6,12, эбулиоскопическая постоянная 5,33; коэффициент диффузии пара серной кислоты в воздухе изменяется с изменением температуры; D=1,67·10-5 T3/2 см2/с.

Серная кислота - довольно сильный окислитель, особенно при нагревании; окисляет HI и частично HBr до свободных галогенов. углерод - до СО2, S - до SO2, окисляет многие металлы (Си, Hg и др.). При этом серная кислота восстанавливается до SO2, а наиболее сильными восстановителями - до S и H2S. Концентрированная H2SO4 частично восстанавливается Н2, из-за чего не может применяться для его сушки. Разбавленная H2SO4 взаимодействует со всеми металлами, находящимися в электрохимическом ряду напряжений левее водорода, с выделением Н2. Окислительные свойства для разбавленной H2SO4 нехарактерны. Серная кислота дает два ряда солей: средние - сульфаты и кислые - гидросульфаты (см. Сульфаты неорганические), а также эфиры (см. Сульфаты органические). Известны пероксомоносерная (кислота Каро) H2SO5 и пероксодисерная H2S2O8 кислоты (см. Сера).

Получение серной кислоты

Сырьем для получения серной кислоты служат: S, сульфиды металлов, H2S, отходящие газы теплоэлектростанций, сульфаты Fe, Ca и др. Основные стадии получения серной кислоты: 1) обжиг сырья с получением SO2; 2) окисление SO2 до SO3 (конверсия); 3) абсорбция SO3. В промышленности применяют два метода получения серной кислоты, отличающихся способом окисления SO2, - контактный с использованием твердых катализаторов (контактов) и нитрозный - с оксидами азота. Для получения серной кислоты контактным способом на современных заводах применяют ванадиевые катализаторы, вытеснившие Pt и оксиды Fe. Чистый V2O5 обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов, причем наибольшее влияние оказывают соли К. Промотирующая роль щелочных металлов обусловлена образованием низкоплавких пиросульфованадатов (3К2S2О7 · V2О5, 2К2S2O7 · V2O5 и K2S2O7·V2O5, разлагающихся соответственно при 315-330, 365-380 и 400-405 °С). Активный компонент в условиях катализа находится в расплавленном состоянии.

Схему окисления SO2 в SO3 можно представить следующим образом:


На первой стадии достигается равновесие, вторая стадия медленная и определяет скорость процесса.

Производство серной кислоты из серы по методу двойного контактирования и двойной абсорбции (рис. 1) состоит из следующих стадий. Воздух после очистки от пыли подается газодувкой в сушильную башню, где он осушается 93-98%-ной серной кислотой до содержания влаги 0,01% по объему. Осушенный воздух поступает в серную печь после предварительного подогрева в одном из теплообменников контактного узла. В печи сжигается сера, подаваемая форсунками: S + О2 = SO2 + 297,028 кДж. Газ, содержащий 10-14% по объему SO2, охлаждается в котле и после разбавления воздухом до содержания SO2 9-10% по объему при 420°С поступает в контактный аппарат на первую стадию конверсии, которая протекает на трех слоях катализатора (SO2 + V2O2 = SO3 + 96,296 кДж), после чего газ охлаждается в теплообменниках. Затем газ, содержащий 8,5-9,5% SO3, при 200°С поступает на первую стадию абсорбции в абсорбер, орошаемый олеумом и 98%-ной серной кислотой: SO3 + Н2О = Н2SO4 + 130,56 кДж. Далее газ проходит очистку от брызг серной кислоты, нагревается до 420°С и поступает на вторую стадию конверсии, протекающую на двух слоях катализатора. Перед второй стадией абсорбции газ охлаждается в экономайзере и подается в абсорбер второй ступени, орошаемый 98%-ной серной кислотой, и затем после очистки от брызг выбрасывается в атмосферу.

Рис. 1. Схема производства серной кислоты из серы:

1 - серная печь; 2 - котел-утилизатор; 3 - экономайзер; 4 - пусковая топка; 5, 6 - теплообменники пусковой топки; 7 - контактный аппарат; 8 - теплообменники; 9 - олеумный абсорбер; 10 - сушильная башня; 11 и 12 - соответственно первый и второй моногидратные абсорберы; 13 - сборники кислоты.

Рис. 2. Схема производства серной кислоты из колчедана:

1 - тарельчатый питатель; 2 - печь; 3 - котел-утилизатор; 4 - циклоны; 5 - электрофильтры; 6 - промывные башни; 7 - мокрые электрофильтры; 8 - отдувочная башня; 9 - сушильная башня; 10 - брызгоуловитель; 11 - первый моногидратный абсорбер; 12 - теплообменники; 13 - контактный аппарат; 14 - олеумный абсорбер; 15 - второй моногидратный абсорбер; 16 - холодильники; 17 - сборники.

Рис. 3. Схема производства серной кислоты нитрозным методом:

1 - денитрационная башня; 2, 3 - первая и вторая продукционные башни; 4 - окислительная башня; 5, 6, 7 - абсорбционные башни; 8 - электрофильтры.

Производство серной кислоты из сульфидов металлов (рис. 2) существенно сложнее и состоит из следующих операций. Обжиг FeS2 производят в печи кипящего слоя на воздушном дутье: 4FeS2 + 11О2 = 2Fe2 O3 + 8SO2 + 13476 кДж. Обжиговый газ с содержанием SO2 13-14%, имеющий температуру 900°С, поступает в котел, где охлаждается до 450°С. Очистку от пыли осуществляют в циклоне и электрофильтре. Далее газ проходит через две промывные башни, орошаемые 40%-ной и 10%-ной серной кислотой. При этом газ окончательно очищается от пыли, фтора и мышьяка. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты, образующегося в промывных башнях, предусмотрены две ступени мокрых электрофильтров. После осушки в сушильной башне, перед которой газ разбавляется до содержания 9% SO2, его газодувкой подают на первую стадию конверсии (3 слоя катализатора). В теплообменниках газ подогревается до 420°С благодаря теплу газа, поступающего с первой стадии конверсии. SO2, окисленный на 92-95% в SO3, идет на первую стадию абсорбции в олеумный и моногидратный абсорберы, где освобождается от SO3. Далее газ с содержанием SO2 ~ 0,5% поступает на вторую стадию конверсии, которая протекает на одном или двух слоях катализатора. Предварительно газ нагревается в другой группе теплообменников до420 °С благодаря теплу газов, идущих со второй стадии катализа. После отделения SO3 на второй стадии абсорбции газ выбрасывается в атмосферу.

Степень превращения SO2 в SO3 при контактном способе 99,7%, степень абсорбции SO3 99,97%. Производство серной кислоты осуществляют и в одну стадию катализа, при этом степень превращения SO2 в SO3 не превышает 98,5%. Перед выбросом в атмосферу газ очищают от оставшегося SO2 (см. Газов очистка). Производительность современных установок 1500-3100 т/сут.

Сущность нитрозного метода (рис. 3) состоит в том, что обжиговый газ после охлаждения и очистки от пыли обрабатывают так называемой нитрозой - серной кислотой, в которой растворены оксиды азота. SO2 поглощается нитрозой, а затем окисляется: SO2 + N2O3 + Н2О = Н2SO4 + NO. Образующийся NO плохо растворим в нитрозе и выделяется из нее, а затем частично окисляется кислородом в газовой фазе до NO2. Смесь NO и NO2 вновь поглощается серной кислотой и т.д. Оксиды азота не расходуются в нитрозном процессе и возвращаются в производственный цикл, вследствие неполного поглощения их серной кислотой они частично уносятся отходящими газами. Достоинства нитрозного метода: простота аппаратурного оформления, более низкая себестоимость (на 10-15% ниже контактной), возможность 100%-ной переработки SO2.

Аппаратурное оформление башенного нитрозного процесса несложно: SO2 перерабатывается в 7-8 футерованных башнях с керамической насадкой, одна из башен (полая) является регулируемым окислительным объемом. Башни имеют сборники кислоты, холодильники, насосы, подающие кислоту в напорные баки над башнями. Перед двумя последними башнями устанавливается хвостовой вентилятор. Для очистки газа от аэрозоля серной кислоты служит электрофильтр. Оксиды азота, необходимые для процесса, получают из HNO3. Для сокращения выброса оксидов азота в атмосферу и 100%-ной переработки SO2 между продукционной и абсорбционной зонами устанавливается безнитрозный цикл переработки SO2 в комбинации с водно-кислотным методом глубокого улавливания оксидов азота. Недостаток нитрозного метода - низкое качество продукции: концентрация серной кислоты 75%, наличие оксидов азота, Fe и др. примесей.

Для уменьшения возможности кристаллизации серной кислоты при перевозке и хранении установлены стандарты на товарные сорта серной кислоты, концентрация которых соответствует наиболее низким температурам кристаллизации. Содержание серной кислоты в технических сортах (%): башенная (нитрозная) 75, контактная 92,5-98,0, олеум 104,5, высокопроцентный олеум 114,6, аккумуляторная 92-94. Серную кислоту хранят в стальных резервуарах объемом до 5000 м3, их общая емкость на складе рассчитана на десятисуточньй выпуск продукции. Олеум и серную кислоту перевозят в стальных железнодорожных цистернах. Концентрированную и аккумуляторную серную кислоту перевозят в цистернах из кислотостойкой стали. Цистерны для перевозки олеума покрывают теплоизоляцией и перед заливкой олеум подогревают.

Определяют серную кислоту колориметрически и фотометрически, в виде взвеси BaSO4 - фототурбидиметрически, а также кулонометрическим методом.

Применение серной кислоты

Серную кислоту применяют в производстве минеральных удобрений, как электролит в свинцовых аккумуляторах, для получения различных минеральных кислот и солей, химических волокон, красителей, дымообразующих веществ и взрывчатых веществ, в нефтяной, металлообрабатывающей, текстильной, кожевенной и др. отраслях промышленности. Ее используют в промышленном органическом синтезе в реакциях дегидратации (получение диэтилового эфира, сложных эфиров), гидратации (этанол из этилена), сульфирования (синтетические моющие средства и промежуточные продукты в производстве красителей), алкилирования (получение изооктана, полиэтиленгликоля, капролактама) и др. Самый крупный потребитель серной кислоты - производство минеральных удобрений. На 1 т Р2О5 фосфорных удобрений расходуется 2,2-3,4 т серной кислоты, а на 1 т (NH4)2SO4 - 0,75 т серной кислоты. Поэтому сернокислотные заводы стремятся строить в комплексе с заводами по производству минеральных удобрений. Мировое производство серной кислоты в 1987 достигло 152 млн. тонн.

Серная кислота и олеум - чрезвычайно агрессивные вещества, поражают дыхательные пути, кожу, слизистые оболочки, вызывают затруднение дыхания, кашель, нередко - ларингит, трахеит, бронхит и т.д. ПДК аэрозоля серной кислоты в воздухе рабочей зоны 1,0 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,3 мг/м3 (максимальная разовая) и 0,1 мг/м3 (среднесуточная). Поражающая концентрация паров серной кислоты 0,008 мг/л (экспозиция 60 мин), смертельная 0,18 мг/л (60 мин). Класс опасности 2. Аэрозоль серной кислоты может образовываться в атмосфере в результате выбросов химических и металлургических производств, содержащих оксиды S, и выпадать в виде кислотных дождей.

Лит.: Справочник сернокислотчика, под ред. К.М.Малина, 2 изд., М., 1971; Амелин А.Г., Технология серной кислоты, 2 изд., М., 1983; Васильев Б.Т., Отвагина М.И., Технология серной кислоты, М., 1985.

© Ю.В. Филатов.

Дополнительная информация:




выберите первую букву в названии статьи: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я


Все новости



Новости компаний

Все новости


© ChemPort.Ru, MMII-MMXVII
Контактная информация