Понятие химического реактора (стр. 2 из 11)
1.1 Свойства веществ, принимающих участие в реакции
Сернистый ангидрид
, двуокись серы, молекулярный вес 64, 066 г/мл, бесцветный газ с резким, характерным запахом, сильно раздражающим слизистые носа и глаз. Он легко переходит в жидкое состояние при атмосферном давлении и температуре -10,1 °С.В одном объёме воды при 20 °С растворяется примерно 40 объёмов SO2; при этом выделяется тепло в количестве 34,4 кДж/моль. Растворимость сернистого ангидрида воде уменьшается, при повышении температуры. Также его растворимость в серной кислоте ниже, чем в воде. При повышении концентрации кислоты, растворимость уменьшается, затем увеличивается, достигая максимума при 85% концентрации кислоты.
В химических реакциях двуокись серы может являться как окислителем, так и восстановителем.
Серный ангидрид
, трёхокись серы, молекулярный вес 80,056. При нормальных условиях бесцветный газ, в воздухе мгновенно вступает в реакцию с водой, образуя взвешенные капли серной кислоты в воздухе.Так же серный ангидрид может существовать в 3 твёрдых формах: α, β, γ.Это обусловлено полимеризацией соединения. Каждой из этих модификаций соответствуют следующие температуры плавления: 16,8; 31,5; 62, 2° С.
Формы серного ангидрида отличаются между собой строением кристаллической решётки, величиной давления пара, химической активностью и другими свойствами.
Серный ангидрид оказывает сильное водоотнимающее действие и вызывает обугливание растительных и животных тканей. Серный ангидрид — сильный окислитель; окисляя серу, фосфор, углеводороды и другие вещества, он восстанавливается до сернистого ангидрида. Полимерные формы серного ангидрида значительно менее активны: менее энергично реагируют с водой, слабо дымят на воздухе и проявляют обугливающее действие в незначительной степени.[2]
Жидкий серный ангидрид смешивается с сернистым ангидридом в любых соотношениях. Твердый серный ангидрид растворяется вжидком S02, не образуя при этом химических соединений.
Каждый источник имеет свои преимущества и недостатки: полнота реакции, побочные продукты, отчистка от побочных продуктов и т.д.
Исходными реагентами для получения серной кислоты могут быть элементная сера и серосодержащие соединения, из которых можно получить либо серу, либо диоксид серы
Традиционно основными источниками сырья являются сера и железный (серный) колчедан. Около половины серной кислоты получают из серы, треть – из колчедана. Значительное место в сырьевом балансе занимают отходящие газы цветной металлургии, содержащие диоксид серы.
В то же время отходящие газы – наиболее дешевое сырье, низкие оптовые цены и на колчедан, наиболее же дорогостоящим сырьем является серы. Следовательно, для того чтобы производство серной кислоты из серы было экономически целесообразно, должна быть разработана схема, в которой стоимость ее переработки будет существенно ниже стоимости переработки колчедана или отходящих газов.
В СССР доля серы и серного колчедана в производстве серной кислоты постепенно уменьшается. Возрастает степень использования газов цветной металлургии, сероводорода и других «отходов» различных производств.
Однако, несмотря на прогноз, подавляющим источником сернистого ангидрида остались элементарная сера и серный колчедан.
Главная составляющая часть – сульфид железа FeS2 , содержащий 53,5% S и 46,5% Fe.
Существуют следующие сорта колчедана: рядовой, флотационный и пиритный концентрат. Рядовой колчедан добывают в рудниках в виде кусков размером 50— 400 мм. Флотационный колчедан получается как отход при флотационном обогащении руд, содержащихся в качестве примесей к рядовому колчедану. Пиритный концентрат получают при вторичной флотации колчедана с отделением пустой породы.
В качестве примеси в серном колчедане встречаются соединения меди, цинка, свинца, мышьяка, никеля, кобальта, селена, теллура, углекислые и сернокислые соединения кальция и магния, кварц, окись алюминия и др. В незначительном количестве в серном колчедане обычно содержатся золото и серебро. Таким образом, серный колчедан представляет собой руду, в состав которой входит ряд минералов. Серный колчедан имеет желтоватый или желтовато-серый цвет, плотность его около 5 г/см3, насыпной вес в зависимости от сорта колчедана и размеров его .кусков 2,2—2,4 т/м3.. Поэтому количество серы в пирите колеблется в широких пределах – от 30% до 52%.
В качестве сырья для серной кислоты может быть применен также углистый колчедан. Он получается путем отделения от углей (сортировкой и грохочением) и содержит до 18% углерода (именно с этим связано его название).
1.2.2 Газы цветной металлургии
В процессе обжига медных, цинковых, свинцовых руд и других концентратов, содержащих, цветные металлы образуются отходящие газы и огарок, идущий на переработку и извлечение цветного метала. Эти отходящие газы богаты как сернистым, так и серным ангидридом.
Использование этих газов очень важно и эффективно: например, на 1 тонну меди, можно получить 10 тонн серной кислоты, не прибегая при этом к обжигу дополнительного серосодержащего сырья! Кроме того – это экологически безопасно, т.е. отходящий газ не идёт на выброс в атмосферу, а идёт на дополнительную переработку.Состав отходящих газов представлен на таблице 1.
Таблица 1 – Состав сернистого газа
| Отходящие газы | Состав газов, % | ||||
| | |  |  |  | |
| Обжиговые газы Ватержакетные газы Конверторные газы Газы отражательных печей | 7-10 4-8 До 8 1-2,5 | 0,3-0,5 - До 0,5 - | 8-11 9-15 До 10 0,3-1,2 | - 0,8-2 - 14-18 | - - - До 0,8 |
1.2.3 Элементарная сера
Элементарную серу получают из самородных руд, а так же из газов, содержащих сернистый ангидрид или сероводород. Элементарная сера является лучшим видом сырья для производства серной кислоты, при её сжигании образуется смесь из
и , которая лучше всего подходит для контактного окисления. После сжигания серы не образуется огарка, что является хорошим преимуществом в производстве: отпадает ряд аппаратов, которые очищают газовую смесь от пыли и остатках огарка [3].Относительная атомная масса серы 32,064. При обычной температуре сера находится в твердом состоянии. Она существует в двух кристаллических формах — ромбической и моноклинной. Их свойства представлены на таблице 2.
Таблица 2 – Разновидности серы
| Свойства | Ромбическая сера | Моноклинная сера |
| Плотность, г/см3Область устойчивости, °СТемпература плавления | 2,07Ниже 95,4112,8(при быстром нагревании) | 2,0695,5-119,0118,8 |
Температура кипения серы 444,6 °С. При нагревании сера плавится, плавление сопровождается увеличением объема. При 120° С расплавленная сера легкоподвижна, при 190° С это темно-коричневая вязкая масса, а при 400° С расплав становится снова легкоподвижным. Это связано с. изменением структуры молекул при изменении температуры.
1.2.4 Сероводород
Большинство горючих газов содержат сероводород, который почти всегда является нежелательной примесью. Например, в мартеновских печах сероводород попадает в расплавленный метал, оседая там и портя его качество. Природный газ, используемый в органическом синтезе и в бытовых нуждах должен иметь сероводород в количестве не превышающем 20 мг\м3. Все эти газы отчищают, путём промывки растворами, поглощающими H2S. При нагревании эти растворы выделяют сероводород в 90% составе. Дальше его можно пустить на производство серы или серной кислоты.
Процесс получения серы при этом заключается в сжигании трети общего количества сероводорода в воздухе с образованием SO2. Затем к газу добавляют оставшиеся две трети сероводорода и на катализаторе ведут восстановление сероводорода до серы, пары которой затем конденсируют[3].