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?