Вступ

Сірчана кислота – найбільш сильна і найдешевша кислота. Серед мінеральних кислот, вироблюваних хімічною промисловістю, сірчана кислота за об'ємом виробництва і споживання займає перше місце. Сірчана кислота не димить, в концентрированному вигляді не руйнує чорні метали, в той же час є однією з найсильніших кислот, в широкому діапазоні температур (від – 40 - 20 до 260 – 336,5 °С) знаходиться в рідкому стані. Вона широко використовується у виробництві мінеральних добрив, різних солей і кислот, всіляких органічних продуктів, барвників, димообразуючих і вибухових речовин і т.д. Сірчана кислота знаходить різноманітне застосування в нафтовій, металургійній, металообробній, текстильній і інших галузях промисловості, використовується як водовідштовхувальний і осушуючий засіб, застосовується в процесах нейтралізації, труїть і т.д. Найбільш важливі області застосування сірчаної кислоти відбиті на схемі.

Ще в XIII столітті сірчану кислоту одержували в незначних кількостях термічним розкладанням залізного купоросу FeSO4, тому і зараз один з сортів сірчаної кислоти називається купоросним маслом, хоча вже давно сірчана кислота не проводиться з купоросу.

В даний час сірчана кислота проводиться двома способами: нітрозным, що існує більше 200 років, і контактним, освоєним в промисловості в кінці ХIХ і початку ХХ століття. Контактний спосіб витісняє нітрозний. Першою стадією сірчанокислотного виробництва по будь-якому методу є отримання діоксиду сірі при спалюванні сірчистої сировини. Після очищення діоксиду сірі (особливо в контактному методі) її окисляють до три оксиди сірі, який сполучають з водою з отриманням сірчаної кислоти. Окислення SO2 в SO3 в звичайних умовах протікає украй поволі. Для прискорення процесу застосовують каталізатори.

В даний час контактним методом одержують концентровану сірчану кислоту, олеум і 100% сірчаний ангідрид.

Одночасно із збільшенням об'єму виробництва сірчаної кислоти розширюється асортимент продукції сіркокислих заводів, організовується випуск особливо чистої кислоти, 100% SO2, високоякісного олеуму і кислоти, а також збільшується виробництво нових продуктів на основі SO2. Окрім олеуму, концентрованої сірчаної кислоти і акумуляторної кислоти, вітчизняні заводи випускають також чистішу контактну кислоту кращої якості (для виробництва штучного волокна, титанових білил і ін.), чистий олеум, хімічно чисту і реактивну сірчану кислоту.

За останні роки в процесі виробництва сірчаної кислоти внесені істотні поліпшення. Широко застосовується випалення колчедану в киплячому шарі і спалювання сірі в циклонній печі, значно збільшується використання тепла, що виділяється при випаленні сировини, і на інших стадіях виробництва сірчаної кислоти. Безперервно підвищується продуктивність баштових сіркокислотних систем в результаті підтримки оптимального технологічного режиму, розробленого на основі досліджень; інтенсивність баштових систем досягає 250 кг/м3 в добу. Освоєний контактно-баштовий процес виробництва сірчаної кислоти, при якому витрата HNO3 складає 6 – 7 кг на 1 тонну H2SO4.

У контактному методі виробництва сірчаної кислоти окислення діоксиду сірі в три оксид здійснюється на твердих контактних масах. Завдяки удосконаленню контактного способу виробництва, собівартість чистішої і висококонцентрованої контактної сірчаної кислоти лише трохи вище, ніж баштовою. В даний час понад 90% всієї кислоти проводиться контактним способом.

Як каталізатори контактного процесу тепер застосовується термічно стійка ванадієва контактна маса (у вигляді гранул і кілець) із зниженою температурою запалення. Проведені роботи по освоєнню процесу окислення SO2 в киплячому шарі каталізатора. Важливим удосконаленням є подвійний контакт, при якому забезпечується високий ступінь окислення SO2 на каталізаторі (до 99,8%) і тому виключається необхідність в додатковому санітарному очищенні газів, що відходять.

Упроваджується процес конденсації H2SO4, замінюючий абсорбцію сірчаного ангідриду.

Також для виробництва сірчаної кислоти використовують ангідрид або безводий сульфат кальцію CaSO4, гіпс або двухводну сіль CaSO4*2H2O і фосфогіпс, що є відходом виробництва концентрованих фосфорних добрив (суміш гіпсу, з'єднань фтору, оксидів фосфору, SO2 і інших домішок).

У нітрозном способі каталізатором служать оксиди азоту. Окислення SO2 відбувається в основному в рідкій фазі і здійснюється в баштах з насадкою. Тому нітрозний спосіб за апаратурною ознакою називають баштовим. Суть нітрозного методу полягає в тому, що обпалювальний газ обробляється сірчаною кислотою, в якій розчинені оксиди азоту. Сірчистий ангідрид обпалювального газу поглинається нітрозой, і потім окислюється оксидами азоту по реакції: SO2 + N2O3 + H2O = H2SO4 + 2NO. NO, що утворюється, погано розчинен в нітрозе і виділяється, а потім частково окислюється киснем до NO2. Суміш NO і NO2 знов поглинається H2SO4.

Промисловість випускає три види товарної сірчаної кислоти:

Баштова кислота: С=75%, tкрист= -29,5 °С

Контактна кислота: С=92,5%, tкрист= -22,0 °С

Олеум: С=20% своб. SO3, tкрист= +2 °С

Схема застосування сірчаної кислоти

1. ТЕОРИТИЧНА ЧАСТИНА

1.1. Початкова сировина

Традиційно основними джерелами сировини є сірка і залізний (сірчаний) колчедан. Близько половини сірчаної кислоти в СРСР одержувала з сірки, третина – з колчедану. Значне місце в сировинному балансі займають гази кольорової металургії, що відходять, містять діоксид сірі.

В цілях захисту навколишнього середовища у всьому світі приймаються заходи по використанню відходів промисловості, що містять сірку. У атмосферу з газами теплових електростанцій і металургійних заводів, що відходять, викидається діоксиду сірки значно більше, чим уживається для виробництва сірчаної кислоти. Із-за низької концентрації SO2 в таких газах, що відходять, їх переробка поки що не завжди можлива.

Гази, що в той же час відходять, – найбільш дешева сировина, низькі оптові ціни і на колчедан, найбільш же дорогою сировиною є сірка. Отже, для того, щоб виробництво сірчаної кислоти з сірки було економічно доцільне, повинна бути розроблена схема, в якій вартість її переробки буде істотно нижча за вартість переробки колчедану або газів, що відходять.

1.2. Характеристика цільового продукту

Сірчана кислота може існувати як самостійна хімічна сполука H2SO4, а також у вигляді з'єднань з водою H2SO4*2H2O, H2SO4*H2O, H2SO4*4H2O і з три оксидом сірі H2SO4*SO3, H2SO4*2SO3.

У техніці сірчаною кислотою називають і безводу H2SO4 і її водні розчини (по суті справи, це суміш H2O, SO2 і з'єднань H2SO4 *nH2O) і розчини три оксиди сірі в безводій H2SO4 – олеум (суміш H2SO4 і з'єднань H2SO4*nSO3).

Безводна сірчана кислота – важка масляниста безбарвна рідина, що змішується з водою і три оксидом сірі в будь-якому співвідношенні. Фізичні властивості сірчаної кислоти, такі, як щільність, температура кристалізації, температура кипіння, залежать від її складу.