Тема 9 производство серной кислоты

Этот процесс – один из самых многотоннажных среди неорганических производств и занимает одно из ведущих мест в химической технологии.

В 2007 г. в мире выпускалocь свыше 175 млн. т серной кислоты. Об­ъ­ем ее выпуска превышает производство соляной, азотной, уксусной и других кислот вместе взятых. Серная кислота находит применение в произ­водстве минеральных удобрений (около 50 %), взрывчатых веществ, мине­ральных солей и кислот, для очистки нефтепродуктов, и их синтезе (напри­мер, алки­лирование изобутана), при обработке металлов, производстве про­дуктов ор­ганического синтеза, лекарственных препаратов и т.д. Многообразие обла­стей применения серной кислоты представлено на диаграмме (рис. 9.1).

Производство хроматов Производство сульфатов Минеральные Сульфат

удобрения аммония

Взрывчатые вещества Травление металлов

Производство спиртов, Цветная

эфиров, кислот и др. СЕРНАЯ КИСЛОТА металлургия

органических веществ

Производство красителей

Минеральные кислоты

Производство глюкозы Химические Очистка Катализатор В сернокис-

и патоки волокна, нефте- алкилирования лотных ак-

текстиль продуктов и др. процессов кумуляторах

Рис. 9.1. Области применения серной кислоты

Больше всeго серной кислоты производится в США – 30 млн. т. Други­ми крупными ее производителями являются Германия и Япония.

Феномен высокого объема производства серной кислоты обусловлен комплексом ее физико-химических свойств. Она – самая дешевая из всех силь­ных кислот, не дымит и не имеет запаха, удобна в транспортировке, т. к. в концентрированном виде не разрушает черные металлы.

В технике под серной кислотой подразумевают любые смеси SO₃ c H₂O (mSO₃ nH₂O). Формуле H₂SO₄ соответствует моногидрат (m = n = 1) с плот­ностью 1850 кг / м³.

Разделение H₂SO₄ по сортам во многом связано с ее концентрацией и в значительной мере определяется температурой замерза­ния растворов ее с во­дой. Диаграмма кристаллизации системы SO₃ – H₂O представлена на рис. 9.2.

40

20

0

- 20

-40

-60

-80

-10²

						Н2SO4	хSO3
								H2SO4	х2SO3
Н2О					Н2SO4				SO3
		H2SO4 x	4H2O
				H2SO4 x2H	2H2O

0 0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100

% Н₂SО₄ % SO₃ (своб.)

Концентрация, % масс.

Рис. 9.2. Диаграмма кристаллизации системы Н₂О – SO₃

Из диаграммы следует, что при концентрациях от 0 до 64,5 % SO₃ обра­зуется 6 химических соединений-гидратов SO₃, растворимых друг в друге в жидком состоянии, а при кристаллизации образуют эвтектичес­кие смеси. В области концентраций от 64,5 % до 100 % SO₃ при замер­зании обра­зуются твердые растворы. Для того, чтобы кислота не замерзала в зимнее вре­мя, все ее товарные сорта имеют концентрации, близкие к эвтекти­ческим составам.

Ниже приведена еще одна диаграмма – кипения системы Н₂О – SО₃ при атмосферном давлении (рис. 8.3).

Кислота, содержащая 98,3 % Н₂SO₄, является азеотропом и кипит при температуре 336,6 ^оС. Диаграмму, изображенную на рис. 9.3, применяют при концентрировании кислоты выпариванием воды. Из диаграммы следует, что при нагревании кислоты, содержащей менее 90 % Н₂SО₄, в пар переходит поч­ти исключительно вода. При концентрации выше 93 % Н₂SО₄ состав па­ров быстро приближается к составу жидкой фазы. Поэтому практически сер­ную кислоту концентрируют упариванием только до купоросного масла, т. е. до 92 % Н₂SО₄. При повышении температуры пары Н₂SО₄ диссоциируют на SО₃ и Н₂О, а затем SО₃ распадается на SО₂ и О₂. При 700 ^оС в парах преоб­ладает SО₂ , а выше 900 ^оС SО₃ диссоциирует полностью.

340

0 20 40 60 80 100 20 40 60 80 100

Н₂SО₄ SO₃ (cвоб.)

Концентрация, % масс.

Рис. 9.3. Диаграмма кипения системы Н₂О–SО₃ при атмосферном давлении