Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович
§ 36. Виробництво сульфатної кислоти
Виробництво сульфатної кислоти в Україні
Сульфатну кислоту називають «хлібом» хімічної промисловості. Це найуніверсальніший із хімікатів, оскільки її використовують майже в усіх інших галузях хімічної промисловості.
Сировиною для добування сульфатної кислоти є природна сірка, сірчаний колчедан тощо.
На базі родовищ сірки у Львівській області функціонують гірничо-хімічні підприємства в Роздолі та Яворові. У Костянтинівці сульфатну кислоту виготовляють із сірчистих газів — побічного продукту виплавляння цинку.
Загальна схема виробництва сульфатної кислоти
Промислове виробництво сульфатної кислоти — складний багатостадійний процес. У ньому можна виділити три основні етапи:
Випалювання сировини
На першій стадії випалюють сировину — добувають сульфур(ІV) оксид.
Рівняння реакції першої стадії:
4FeS2 + 11О2 = 2Fe2O3 + 8SO2; ΔΗ < 0
Сировину зверху засипають у піч для випалу в «киплячому шарі». Знизу (принцип протитечії) пропускають повітря, збагачене киснем, для повнішого випалу. Температура в печі сягає 800 °С. Сировина перебуває в «підвішеному стані» у струмені повітря, що продуває його знизу. Усе це схоже на киплячу рідину розжарено-червоного кольору.
Теплота, що виділяється в результаті реакції, підтримує температуру в печі. Надлишкову теплоту відводять: по периметру печі проходять труби з водою. Цю гарячу воду використовують для опалення приміщень, розташованих поряд.
Ферум(ІII) оксид Fe2O3 (недопалок), який утворився, у виробництві сульфатної кислоти не використовують. Але його збирають і відправляють на металургійний комбінат, де з нього виплавляють залізо. У такий спосіб виконується принцип хімічного виробництва — безвідходність виробництва.
Окиснення сульфур(ІV) оксиду киснем
Ця стадія відбувається в контактному апараті, рівняння реакції:
2SO2 + О2 ⇄ 2SO3; ΔΗ < 0
Складність другої стадії полягає в тому, що процес окиснення одного оксиду до іншого є оборотним. Тому необхідно вибрати оптимальні умови перебігу прямої реакції (добування SO3).
• Температура. Пряма реакція є екзотермічною (ΔΗ< 0), тому для зміщення рівноваги в бік продуктів (тобто екзотермічної реакції) температуру в системі необхідно знижувати. Але, з іншого боку, за низьких температур швидкість реакції істотно знижується. Експериментально встановлено оптимальні умови: 400-500 °С за наявності ванадій(V) оксиду V2O5.
• Тиск. У рівнянні реакції ліворуч 3 об’єми газів (2 об’єми SO2 і 1 об’єм О2), а праворуч — 2 об’єми SO3. Отже, пряма реакція відбувається зі зменшенням об’ємів газів, тож цей процес проводять за підвищеного тиску.
Суміш SO2 і О2 попередньо нагрівають у теплообміннику перед контактним апаратом. Суміш проходить між трубками теплообмінника і нагрівається. Усередині трубок проходить гарячий газ SO3 із контактного апарата.
Температура 400-500 °С у контактному апараті підтримується за рахунок виділення теплоти в реакції перетворення SO2 на SO3.
Добування сульфатної кислоти
Цей процес відбувається в поглинальній башті. Відповідно до принципу протитечії, у поглинальну башту знизу подають сульфур(VІ) оксид, а зверху ллється концентрована сульфатна кислота. Здавалося б, що для добування сульфатної кислоти достатньо взаємодії сульфур(VІ) оксиду з водою:
SO3 + Н2О = H2SO4; ΔΗ < 0
Але в цьому випадку сульфатна кислота утворюється у вигляді туману, що складається з дуже дрібних крапель сульфатної кислоти. Сульфур(VІ) оксид розчиняється у воді з виділенням великої кількості теплоти, сульфатна кислота настільки розігрівається, що закипає і перетворюється на пару.
Для того щоб не утворювалося кислотного туману, для поглинання сульфур(VІ) оксиду використовують 98%-ву концентровану сульфатну кислоту. Сульфур(VІ) оксид дуже добре розчиняється в такій кислоті, утворюючи олеум: H2SO4 • xSO3.
Утворений олеум зливають у металеві резервуари і відправляють на склад.
Охорона навколишнього середовища від забруднення промисловими викидами
У виробництві сульфатної кислоти на різних стадіях можуть відбуватися викиди дрібних частинок ферум(ІІІ) оксиду після випалу, а також оксидів Сульфуру з грубним газом. Оксиди Сульфуру потрапляють у повітря, де сполучаються з водою, що завжди в ньому наявна, і утворюють суміші кислот — сульфітної й сульфатної. Ці кислоти є причиною кислотних дощів, які негативно впливають на живі організми, а також руйнують будівлі, автомобілі тощо.
З метою охорони навколишнього середовища на підприємствах із виробництва сульфатної кислоти вживають різних заходів. Насамперед гази, які викидаються в навколишнє середовище, очищають від кислотного туману за допомогою електрофільтрів. Також застосовують контактні апарати із шаром киплячого каталізатора, що дозволяє підвищити ступінь контактування речовин і зменшити кількість відходів. Такі гази промивають розчинами лугів або соди для розчинення оксидів Сульфуру з утворенням відповідних сульфітів, гідрогенсульфітів і сульфатів.
Єгор Іванович Орлов (1865-1944)
Український хімік-технолог, академік. Удосконалив технологію виробництва багатьох промислово важливих речовин, зокрема сульфатної кислоти
Ключова ідея
Будь-який промисловий виробничий процес має поєднувати багато факторів для успішної організації.
Запитання та завдання
208. Запишіть рівняння реакцій, що відбуваються в процесі добування сульфатної кислоти в промисловості. Обґрунтуйте оптимальні умови їх здійснення.
209. Як ви вважаєте, чому перед надходженням суміші газів у контактний апарат її ретельно очищують?
210. Схарактеризуйте дотримання наукових принципів хімічної технології, описаних у попередньому параграфі, на прикладі виробництва сульфатної кислоти.
211. Обчисліть масу сульфатної кислоти, яку можна добути із сірчаного колчедану масою 5 т, масова частка Сульфуру в якому 45 %?
212. Яку масу сірки спалили, якщо утворився сульфур(ІV) оксид об'ємом 201,6 м3, що становить 80 % від теоретично можливого?
Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України