خواص اسید سولفوریک

اسید سولفوریک بی آب (مونوهیدرات) یک مایع روغنی سنگین است که به نسبت های مختلف با آب مخلوط می شود و مقدار زیادی گرما آزاد می کند. چگالی در دمای 0 درجه سانتی گراد 1.85 گرم بر سانتی متر مکعب است. در دمای 296 درجه سانتی گراد می جوشد و در دمای 10- درجه سانتی گراد یخ می زند. اسید سولفوریک نه تنها مونوهیدرات، بلکه همچنین نامیده می شود محلول آبیآن ()، و همچنین محلول های تری اکسید گوگرد در مونوهیدرات ()، به نام اولئوم. اولئوم به دلیل دفع از آن در هوا "دود" می کند. اسید سولفوریک خالص بی رنگ است، در حالی که اسید سولفوریک فنی در اثر ناخالصی ها تیره رنگ می شود.

خواص فیزیکی اسید سولفوریک مانند چگالی، دمای تبلور، نقطه جوش به ترکیب آن بستگی دارد. در شکل شکل 1 نمودار تبلور سیستم را نشان می دهد. حداکثر در آن مربوط به ترکیب ترکیبات یا وجود حداقل ها با این واقعیت است که دمای تبلور مخلوط دو ماده کمتر از دمای تبلور هر یک از آنها است.

برنج. 1

اسید سولفوریک 100% بدون آب دارای دمای کریستالیزاسیون نسبتاً بالایی 10.7 درجه سانتیگراد است. برای کاهش احتمال انجماد یک محصول تجاری در حین حمل و نقل و ذخیره سازی، غلظت اسید سولفوریک فنی به گونه ای انتخاب می شود که دمای تبلور آن به اندازه کافی پایین باشد. این صنعت سه نوع اسید سولفوریک تجاری تولید می کند.

اسید سولفوریک بسیار فعال است. اکسیدهای فلزات و اکثر فلزات خالص را در دماهای بالا حل می کند و تمام اسیدهای دیگر را از نمک ها جابجا می کند. اسید سولفوریک به دلیل توانایی خود در تشکیل هیدرات، به طور خاص با آب ترکیب می شود. آب را از سایر اسیدها، از هیدرات های کریستالی نمک ها و حتی مشتقات اکسیژن هیدروکربن ها، که حاوی آب نیست، بلکه هیدروژن و اکسیژن در ترکیب H:O = 2 است، می گیرد. چوب و سایر بافت های گیاهی و حیوانی حاوی سلولز، نشاسته و شکر در اسید سولفوریک غلیظ از بین می روند. آب با اسید متصل می شود و تنها کربن پراکنده ریز از بافت باقی می ماند. در اسید رقیق، سلولز و نشاسته تجزیه شده و قند تشکیل می دهند. اگر اسید سولفوریک غلیظ با پوست انسان تماس پیدا کند باعث سوختگی می شود.

فعالیت بالای اسید سولفوریک، همراه با هزینه نسبتاً پایین تولید، مقیاس عظیم و تنوع شدید کاربرد آن را از پیش تعیین کرد (شکل 2). یافتن صنعتی که در آن اسید سولفوریک یا محصولات ساخته شده از آن در مقادیر متفاوت مصرف نشده باشد، دشوار است.

برنج. 2

بزرگترین مصرف کننده اسید سولفوریک تولید کودهای معدنی است: سوپر فسفات، سولفات آمونیوم، و غیره. اسید سولفوریک به طور گسترده در تولید فلزات غیر آهنی و کمیاب استفاده می شود. در صنعت فلزکاری از اسید سولفوریک یا نمک های آن برای ترشی کردن محصولات فولادی قبل از رنگ آمیزی، قلع کاری، آبکاری نیکل، آبکاری کروم و غیره استفاده می شود. مقادیر قابل توجهی از اسید سولفوریک برای پالایش فرآورده های نفتی هزینه می شود. تولید تعدادی رنگ (برای پارچه)، لاک و رنگ (برای ساختمان ها و ماشین آلات)، مواد دارویی و برخی پلاستیک ها نیز مستلزم استفاده از اسید سولفوریک است. با استفاده از اسید سولفوریک، اتیل و سایر الکل ها، برخی استرها، مواد شوینده مصنوعی و تعدادی آفت کش برای کنترل آفات تولید می شود. کشاورزیو علف های هرز محلول های رقیق اسید سولفوریک و نمک های آن در تولید ریون، در صنعت نساجی برای تصفیه الیاف یا پارچه قبل از رنگرزی و همچنین در سایر صنایع سبک استفاده می شود. در صنایع غذایی از اسید سولفوریک برای تولید نشاسته، ملاس و تعدادی فرآورده دیگر استفاده می شود. حمل و نقل از باتری های اسید سولفوریک سرب استفاده می کند. اسید سولفوریک برای خشک کردن گازها و برای تغلیظ اسیدها استفاده می شود. در نهایت، اسید سولفوریک در فرآیندهای نیتراسیون و در تولید بیشتر مواد منفجره استفاده می شود.

در جایی که کارخانه ای برای استخراج آن وجود ندارد، تولید سودآور بسیاری از مواد دیگر با اهمیت فنی غیرقابل تصور است.

DI. مندلیف

اسید سولفوریک در انواع صنایع شیمیایی استفاده می شود:

• کودهای معدنی، پلاستیک، رنگ، الیاف مصنوعی، اسیدهای معدنی، مواد شوینده؛
• در صنعت نفت و پتروشیمی:

• در متالورژی غیر آهنی:

• در متالورژی آهنی:

• در صنایع خمیر و کاغذ، صنایع غذایی و سبک (برای تولید نشاسته، ملاس، سفید کردن پارچه) و غیره.

تولید اسید سولفوریک

اسید سولفوریک به دو صورت تماسی و نیتروژنی به صورت صنعتی تولید می شود.

روش تماس برای تولید اسید سولفوریک

اسید سولفوریک به روش تماسی در مقادیر زیاد در کارخانه های اسید سولفوریک تولید می شود.

در حال حاضر روش اصلی برای تولید اسید سولفوریک تماسی است، زیرا این روش نسبت به سایرین مزایایی دارد:

تهیه محصول به صورت اسید غلیظ خالص و قابل قبول برای همه مصرف کنندگان.

I. مواد اولیه مورد استفاده برای تولید اسید سولفوریک.

مواد اولیه اصلی

گوگرد - S

گوگرد پیریت (پیریت) - FeS 2

سولفیدهای فلزات غیر آهنی - Cu 2 S، ZnS، PbS

سولفید هیدروژن - H 2 S

مواد کمکی

کاتالیزور - اکسید وانادیوم - V2O5

II. تهیه مواد اولیه.

بیایید به تولید اسید سولفوریک از پیریت FeS 2 نگاه کنیم.

1) آسیاب پیریت. قبل از استفاده، قطعات بزرگ پیریت را در ماشین های خرد کن خرد می کنند. می دانید که وقتی یک ماده خرد می شود، سرعت واکنش افزایش می یابد، زیرا ... سطح تماس مواد واکنش دهنده افزایش می یابد.

2) تصفیه پیریت. پس از خرد شدن پیریت، با شناورسازی از ناخالصی ها (سنگ زائد و زمین) پاکسازی می شود. برای انجام این کار، پیریت خرد شده را در مخزن‌های بزرگی از آب فرو می‌برند، مخلوط می‌کنند، سنگ زباله به سمت بالا شناور می‌شود، سپس سنگ زائد خارج می‌شود.

III. فرآیندهای شیمیایی پایه:

4 FeS 2 + 11 O 2 تی = 800 درجهسی→ 2 Fe 2 O 3 + 8 SO 2 + Q یا سوزاندن گوگرد S+O2 تی ° سی→ SO 2

2SO2 + O2 400-500 درجه با، V2O5 , پ↔ 2SO 3 + Q

SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 + Q

IV . اصول تکنولوژیکی:

اصل تداوم؛

اصل استفاده یکپارچه از مواد خام،استفاده از زباله های تولیدی دیگر؛

اصل تولید بدون زباله؛

اصل انتقال حرارت؛

اصل جریان متقابل ("تخت سیال")؛

اصل اتوماسیون و مکانیزاسیون فرآیندهای تولید.

V . فرآیندهای تکنولوژیکی:

اصل تداوم: پخت پیریت در کوره → تامین اکسید گوگرد ( IV ) و اکسیژن به سیستم تمیز کردن → به دستگاه تماس → تامین اکسید گوگرد ( VI ) به برج جذب.

VI . حفاظت از محیط زیست:

1) تنگی خطوط لوله و تجهیزات

2) فیلترهای تمیز کننده گاز

VII. شیمی تولید :

مرحله اول - پخت پیریت در کوره "بستر سیال".

برای بدست آوردن اسید سولفوریک عمدتاً از آن استفاده می شود پیریت فلوتاسیون- ضایعات تولید در هنگام غنی سازی سنگ معدن مس حاوی مخلوطی از ترکیبات گوگردی مس و آهن. فرآیند غنی‌سازی این سنگ‌ها در کارخانه‌های تغلیظ نوریلسک و تالناخ که تامین‌کنندگان اصلی مواد خام هستند، صورت می‌گیرد. این ماده اولیه سود بیشتری دارد زیرا ... گوگرد پیریت عمدتاً در اورال استخراج می شود و طبیعتاً تحویل آن می تواند بسیار گران باشد. می تواند به کار رود گوگردکه در جریان غنی سازی کانی های فلزی غیرآهنی استخراج شده در معادن نیز تشکیل می شود.تامین کنندگان گوگرد نیز کنسانتره تالین و NOF هستند. (کارخانه های متمرکز).

معادله واکنش مرحله اول

4FeS 2 + 11O 2 t = 800 درجه سانتیگراد → 2Fe 2 O 3 + 8SO 2 + Q

پیریت خرد شده، خالص شده، مرطوب (پس از شناورسازی) از بالا به یک کوره برای پخت در یک "بستر سیال" ریخته می شود. هوای غنی شده با اکسیژن از زیر (اصل ضد جریان) برای پخت کاملتر پیریت عبور داده می شود. درجه حرارت در کوره پخت به 800 درجه سانتیگراد می رسد. پیریت به دلیل هوای دمیده شده از پایین قرمز می شود و در حالت "معلق" قرار می گیرد. همه اینها مانند یک مایع در حال جوش به نظر می رسد. حتی کوچکترین ذرات پیریت در "بستر سیال" کیک نمی شوند. بنابراین، فرآیند شلیک بسیار سریع اتفاق می افتد. اگر قبلا 5-6 ساعت برای آتش زدن پیریت زمان می برد، اکنون فقط چند ثانیه طول می کشد. علاوه بر این، در "تخت سیال" امکان حفظ دمای 800 درجه سانتیگراد وجود دارد.

به دلیل گرمای آزاد شده در نتیجه واکنش، درجه حرارت در کوره حفظ می شود. گرمای اضافی حذف می شود: لوله هایی با آب در امتداد محیط کوره اجرا می شود که گرم می شود. آب گرمآنها بیشتر برای گرمایش مرکزی محل های مجاور استفاده می شوند.

اکسید آهن به دست آمده Fe 2 O 3 (سیدر) در تولید اسید سولفوریک استفاده نمی شود. اما جمع آوری و به یک کارخانه متالورژی فرستاده می شود، جایی که فلز آهن و آلیاژهای آن با کربن از اکسید آهن - فولاد (2٪ کربن C در آلیاژ) و چدن (4٪ کربن C در آلیاژ) تولید می شود.

بدین ترتیب محقق می شود اصل تولید مواد شیمیایی- تولید بدون زباله

در حال بیرون آمدن از فر گاز کوره که ترکیب آن عبارت است از: SO 2، O 2، بخار آب (پیریت مرطوب بود!) و ذرات ریز خاکستر (اکسید آهن).چنین گاز کوره ای باید از ناخالصی های ذرات جامد خاکستر و بخار آب خالص شود.

تصفیه گاز کوره از ذرات جامد سیندر در دو مرحله انجام می شود - در یک سیکلون (نیروی گریز از مرکز استفاده می شود، ذرات جامد خاکستر به دیواره های سیکلون برخورد می کنند و سقوط می کنند). برای حذف ذرات کوچک، مخلوط به رسوب‌دهنده‌های الکتریکی فرستاده می‌شود، جایی که تصفیه تحت تأثیر جریان ولتاژ بالا ~ 60000 ولت انجام می‌شود (از جاذبه الکترواستاتیکی استفاده می‌شود، ذرات خاکستر با تجمع کافی به صفحات برق‌دار رسوب‌دهنده الکترواستاتیک می‌چسبند. آنها تحت نیروی جاذبه خود فرو می افتند)، برای حذف بخار آب موجود در گاز کوره (خشک کردن گاز کوره) از اسید سولفوریک غلیظ استفاده می کنند که یک خشک کننده بسیار خوب است زیرا آب را جذب می کند.

خشک کردن گاز کوره در یک برج خشک کن انجام می شود - گاز کوره از پایین به بالا بالا می رود و اسید سولفوریک غلیظ از بالا به پایین جریان می یابد. برای افزایش سطح تماس بین گاز و مایع، برج را با حلقه های سرامیکی پر می کنند.

در خروجی از برج خشک کن کوره، گاز دیگر حاوی ذرات خاکستر یا بخار آب نیست. گاز کوره اکنون مخلوطی از اکسید گوگرد SO 2 و اکسیژن O 2 است.

مرحله دوم - اکسیداسیون کاتالیزوری SO 2 به SO 3 با اکسیژن در یک دستگاه تماس

معادله واکنش برای این مرحله به صورت زیر است:

2 SO 2 + O 2 400-500 درجه سانتیگراد، V 2 O 5 ،پ ↔ 2 SO 3 + Q

پیچیدگی مرحله دوم در این واقعیت نهفته است که فرآیند اکسیداسیون یک اکسید به اکسید دیگر برگشت پذیر است. بنابراین، انتخاب شرایط بهینه برای واکنش مستقیم (تولید SO 3) ضروری است.

از معادله نتیجه می شود که واکنش برگشت پذیر است، به این معنی که در این مرحله لازم است چنین شرایطی حفظ شود تا تعادل به سمت خروجی تغییر کند. SO 3 ، در غیر این صورت کل فرآیند مختل خواهد شد. زیرا واکنش با کاهش حجم رخ می دهد (3 V ↔2 V ) سپس افزایش فشار ضروری است. فشار را به 7-12 اتمسفر افزایش دهید. واکنش گرمازا است، بنابراین، با در نظر گرفتن اصل Le Chatelier، این فرآیند نمی تواند در دماهای بالا انجام شود، زیرا تعادل به سمت چپ تغییر خواهد کرد. واکنش در دمای 420 درجه شروع می شود، اما به لطف کاتالیزور چند لایه (5 لایه)، می توانیم آن را تا 550 درجه افزایش دهیم که به طور قابل توجهی روند را سرعت می بخشد. کاتالیزور مورد استفاده وانادیوم (V 2 O 5 ) است. ارزان است، برای مدت طولانی (5-6 سال) دوام می آورد، زیرا ... در برابر ناخالصی های سمی بسیار مقاوم است. علاوه بر این، به تغییر تعادل به سمت راست کمک می کند.

مخلوط (SO 2 و O 2) در یک مبدل حرارتی گرم می شود و از طریق لوله هایی حرکت می کند که مخلوط سرد از بین آنها در جهت مخالف عبور می کند تا گرم شود. در نتیجه این اتفاق می افتد تبادل حرارت: مواد اولیه حرارت داده شده و محصولات واکنش تا دمای مورد نظر خنک می شوند.

مرحله سوم - جذب SO 3 توسط اسید سولفوریک در برج جذب

چرا اکسید گوگرد SO 3 آب را جذب نمی کند؟ از این گذشته، می توان اکسید گوگرد را در آب حل کرد: SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 . اما واقعیت این است که اگر از آب برای جذب اکسید گوگرد استفاده شود، اسید سولفوریک به شکل یک مه تشکیل می شود که از قطرات ریز اسید سولفوریک تشکیل شده است (اکسید گوگرد در آب حل می شود و مقدار زیادی گرما آزاد می کند، اسید سولفوریک گرم می شود. تا حدی که بجوشد و تبدیل به بخار شود). برای جلوگیری از تشکیل مه اسید سولفوریک از اسید سولفوریک غلیظ 98 درصد استفاده کنید. دو درصد آب آنقدر کم است که حرارت مایع ضعیف و بی ضرر خواهد بود. اکسید گوگرد به خوبی در چنین اسیدی حل می شود و اولئوم را تشکیل می دهد: H 2 SO 4 nSO 3 .

معادله واکنش این فرآیند به صورت زیر است:

NSO 3 + H 2 SO 4 → H 2 SO 4 nSO 3

اولئوم حاصل در مخازن فلزی ریخته شده و به انبار فرستاده می شود. سپس مخازن با اولئوم پر می شوند، به قطار تبدیل می شوند و برای مصرف کننده ارسال می شوند.

امروزه اسید سولفوریک عمدتاً به دو روش صنعتی تماسی و نیتروژنی تولید می شود. روش تماسی پیشروتر است و در روسیه بیشتر از روش نیتروژن یعنی روش برج استفاده می شود.

تولید اسید سولفوریک با برشته کردن مواد خام گوگردی آغاز می شود، به عنوان مثال در کوره های مخصوص پیریت، به اصطلاح گاز برشته شده به دست می آید که حاوی حدود 9 درصد دی اکسید گوگرد است. این مرحله برای هر دو روش تماسی و نیتروز یکسان است.

در مرحله بعد، لازم است دی اکسید گوگرد حاصل را به انیدرید سولفوریک اکسید کنید. با این حال، ابتدا باید از تعدادی ناخالصی که در روند بعدی اختلال ایجاد می کند، تمیز شود. گاز برشته شده در رسوب‌دهنده‌های الکتریکی یا دستگاه‌های سیکلون از گرد و غبار پاک می‌شود و سپس به دستگاهی حاوی توده‌های تماس جامد عرضه می‌شود که در آن دی اکسید گوگرد SO 2 به انیدرید سولفوریک SO 3 اکسید می‌شود.

این واکنش گرمازا برگشت پذیر است - افزایش دما منجر به تجزیه انیدرید سولفوریک حاصل می شود. از سوی دیگر، با کاهش دما، سرعت واکنش مستقیم بسیار پایین است. بنابراین، دما در دستگاه تماس در 480 درجه سانتیگراد حفظ می شود و آن را با سرعت عبور مخلوط گاز تنظیم می کند.

متعاقباً با استفاده از روش تماسی از ترکیب انیدرید سولفوریک با آب تشکیل می شود.

روش نیتروژن با این واقعیت مشخص می شود که اکسیده می شود. اسید سولفوره حاصل متعاقبا توسط اسید نیتریک اکسید می شود که منجر به تشکیل مونوکسید نیتروژن و اسید سولفوریک می شود.

این مخلوط واکنش به یک برج مخصوص وارد می شود. ضمناً با تنظیم جریان گاز، اطمینان حاصل می شود که مخلوط گاز ورودی به برج جذب حاوی دی اکسید نیتروژن و مونوکسید نیتروژن به نسبت 1: 1 است که برای به دست آوردن انیدرید نیتروژن ضروری است.

در نهایت، برهمکنش اسید سولفوریک و انیدرید نیتروژن NOHSO 4 - اسید نیتروسیل سولفوریک تولید می کند.

اسید نیتروسیل سولفوریک حاصل به برج تولید وارد می شود، جایی که با آب تجزیه می شود و انیدرید نیتروژن آزاد می کند:

2NOHSO 4 + H 2 O = N 2 O 3 + 2H 2 SO 4،

که اسید گوگرد تشکیل شده در برج را اکسید می کند.

اکسید نیتریک آزاد شده در نتیجه واکنش به برج اکسیداسیون بازگردانده شده و وارد چرخه جدیدی می شود.

در حال حاضر در روسیه اسید سولفوریک عمدتاً به روش تماسی تولید می شود. روش نیتروژن به ندرت استفاده می شود.

استفاده از اسید سولفوریک بسیار گسترده و متنوع است.

بیشتر آن برای تولید الیاف شیمیایی و کودهای معدنی استفاده می شود که در تولید مواد دارویی و رنگ ضروری است اسید سولفوریک برای تولید اتیل و سایر الکل ها، مواد شوینده و آفت کش ها استفاده می شود.

محلول های آن در صنایع نساجی و غذایی، در فرآیندهای نیتراسیون و برای تولید اسید سولفوریک به کار می رود.