Какие продукты получаются при обжиге пирита

Ежегодно в мире получают свыше 150 тонн серной кислоты., основное количество которой расходуют на производство минеральных удобрений и на очистку нефти и нефтепродуктов. Серная кислота также находит применение в металлургии, при получении красителей и лекарств, других кислот и солей, как окислитель и водоотнимающее средство в лабораторной практике. 

Схематично процесс производства серной кислоты можно выразить схемой:

Основные характеристики процесса производства серной кислоты

Сырье: пирит FeS2, самородная сера, серосодержащие газы — отходы цветной металлургии, воздух.

Вспомогательные материалы: серная кислота (98%), катализатор — оксид ванадия (V).

Особенности технологического процесса:

производство непрерывное, обжиг колчедана ведут в кипящем слое, продувая в печь воздух, нагретый отходящим обжиговым газом. Тщательно очищенный обжиговый газ перед поступлением в контактный аппарат нагревают за счет теплоты газов, выходящих из контактного аппарата. В поглотительных башнях оксид серы (VI) поглощают серной кислотой противотоком.

Основной продукт: олеум.

Общие научные принципы химического производства:

1. Непрерывность. 

2. Противоток 

3. Катализ 

4. Увеличение площади соприкосновения реагирующих веществ. 

5. Теплообмен 

6. Рациональное использование сырья

«О промышленном развитии страны можно судить по количеству серной кислоты, которую она потребляет» (Ю.Либих)

Контактный способ получения серной кислоты

Ежегодно производство серной кислоты в мире превышает 100 млн.тонн. В настоящее время серную кислоту во всем мире получают контактным способом. .

1 стадия: обжиг пирита

Сырьем для производства серной кислоты служат самородная сера и сульфидные руды. Среди них наибольшее значение имеет железный колчедан – пирит FeS2. В природе он залегает массивными плотными слоями, из которых добывается в виде кусков, которые дробят и измельчают.

При производстве серной кислоты из пирита сернистый газ получают путем обжига серного колчедана:

$4FeS_2 + 11O_2 = 2Fe_2O_3 + 8SO_2­ + Q$

— реакция экзотермическая, необратимая, некаталитическая, гетерогенная.

Желательно эту реакцию проводить при таких условиях, когда, содержащаяся в пирите, сера наиболее полно используется для получения SO2 и реакция протекает быстро. Производительность печи растет с увеличением скорости реакции обжига. Этого добиваются применяя оптимальные условия для данной реакции.

1. Измельчение пирита — Пирит перед обжигом измельчают до оптимальных размеров, увеличивая площадь его соприкосновения с кислородом воздуха. Частицы не должны быть крупными иначе они будут обжигаться только на поверхности, а внутри останется непрореагировавший пирит – это приведет к потерям сырья. Но и слишком мелкими тоже не должны быть, т.к. в этом случае произойдет слеживание, уплотнение слоя, через который кислород почти не проходит и площадь соприкосновения уменьшается, что приведет к уменьшению скорости реакции. 

2. Обогащение воздуха кислородом – таким образом увеличивается концентрация одного из реагирующих веществ, что также способствует увеличению скорости реакции. 

3. Обжиг пирита в кипящем слое — Чтобы увеличить скорость обжига используют принцип противотока – сверху в печь подают измельченный пирит, а снизу — воздух, обогащенный кислородом. Воздух вдувается через множество трубок под определенным давлением, которое отрегулировано так, чтобы частицы пирита не распылялись и не слеживались. Частицы оказываются в подвешенном состоянии, создавая иллюзию кипящей жидкости. Поэтому такой слой мелких частиц называется – кипящим. Таким образом, увеличивается площадь соприкосновения пирита и кислорода, каждая твердая частица омывается воздухом увеличивается скорость реакции. Раньше этот процесс длился 5-6 часов, а теперь занимает считанные секунды. 

4. Поддержание определенной температуры — оптимальной считается температура 800оС. Именно при этой температуре увеличивается число активных молекул, с достаточной кинетической энергиейскорость реакции увеличивается. Но реакция экзотермическая, идет с выделением тепла, а значит температура будет повышаться и произойдет спекание частиц пирита. Чтобы избежать этого избыток теплоты отводят. В реакционный аппарат встраивают трубки, по которым пускают холодную воду. Нагреваясь, вода забирает лишнее тепло и превращается в водяной пар, который используется для производства электроэнергии или других целей. 

Процесс обжига пирита непрерывный и механизированный. Пирит подается ленточным транспортером в бункер и из него в печь. Огарок, образующийся в процессе обжига, частично уносится печным газом, частично выводится через боковое отверстие в печи. 
Оптимальные условия: 

1. t = 800оС

2. Измельчение пирита

3. Обогащение воздуха кислородом

4. Противоток пирита и воздуха

5. Обжиг пирита в «кипящем слое»

6. Теплообмен

Промежуточными стадиями являются очистка, осушение, теплообмен.

Печной газ, полученный при обжиге пирита, содержит примеси: огарок Fe2O3, N2, O2, примеси Cu, Ag, Zn, соединения As, водяные пары. Поэтому вначале необходимо этот газ очистить от пыли. Это осуществляется при помощи 2 аппаратов: циклона и электрофильтра. Вначале газ направляют на очистку от крупной пыли в циклон. Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Газ подается сбоку в наружный цилиндр и перемещается сверху вниз по спирали. Под действием центробежной силы частицы пыли отбрасываются к стенкам наружного цилиндра и падают в бункер, откуда затем удаляются. Очищенный газ по внутреннему цилиндру из аппарата уходит. Циклон – простой и экономичный аппарат, но он не очищает газ от мелких пылинок.

От мелкой пыли газ очищают в электрофильтре. Он состоит из мелких сеток, между которыми протянута проволока . К ней подведен ток высокого напряжения(60000 В). При этом проволока заряжается «-», сетки «+» . газ поступает в камеру снизу. Под действием сильного электрического поля частицы пыли ионизируются и притягиваются к сеткам. Там они теряют свой заряд и падают вниз, в специальный бункер.

Но газ еще насыщен водяным паром, поэтому далее его направляют в сушильную башню. Сушильная башня заполнена керамическими кольцами, чтобы увеличить площадь соприкосновения газа и концентрированной серной кислоты. Сернистый газ поступает в башню снизу, а сверху разбрызгивается концентрированная серная кислота (принцип противотока). Кислота, стекая по кольцам вниз, образует на их поверхности пленку. При этом площадь соприкосновения кислоты и газа многократно увеличивается.

Очищенный газ подогревают в теплообменнике, используя тепло II стадии процесса: газовую смесь перед началом реакции окисления сернистого газа нужно нагреть, т.к. в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом помещают теплообменник. Горячий газ из контактного аппарата пропускают по трубам теплообменника, а между ними в противоположном направлении пропускают подогреваемую смесь газов. Таким образом происходит теплообмен между продуктами реакции и исходными веществами, поступающими в контактный аппарат.    

II стадия: Окисление сернистого газа в серный ангидрид.

2 SO2 + О2 2 SO3 +Q

— реакция экзотермическая, обратимая, каталитическая, гетерогенная за счет катализатора, идет с уменьшением объема.

Используя принцип Ле-Шателье, найдем оптимальные условия ее протекания. Повышение температуры смещает равновесие влево, то есть вызывает разложение серного ангидрида. Поэтому процесс желательно проводить при низких температурах. В то же время, если не прибегать к нагреванию, скорость реакции, то есть скорость достижения состояния равновесия, оказывается необычайно низкой. Окисление происходит с заметной скоростью только при температуре выше 400°C.

Процесс проводят в контактном аппарате, представляющем собой цилиндр. В нем, на специальных полках, слоями размещен катализатор (V2O5). Между полками с катализатором размещаются трубки теплообменника. При этом одновременно решается проблема нагревания сернистого газа и охлаждения до необходимой температуры серного газа (принцип теплообмена).

Оптимальные условия: 

1. t= 400 – 500оС

2. Повышение давления

3. Окисление в «кипящем слое» катализатора. 

III стадия: Поглощение серного газа

SO3 + Н2О → H2SО4 + Q

— реакция экзотермическая, необратимая при t меньше 300оС, некаталитическая.

Поглощение серного газа происходит в поглотительной башне, заполненной керамическими кольцами. Газ подается снизу, а сверху разбрызгивается 98% серная кислота. Поглощать серный газ водой нельзя, т.к. над ней всегда находится пар, который образует с серным газом очень устойчивый сернокислый туман, который не поглощается водой. Процесс осуществляют в специальных поглотительных башнях, по устройству напоминающих сушильные. При этом используют принцип противотока – пары серного ангидрида подаются снизу, а навстречу ему сверху течет серная кислота.

Продуктом взаимодействия концентрированной серной кислоты с серным ангидридом является олеум – раствор серного ангидрида в серной кислоте. В отличие от концентрированной серной кислоты олеум сильно дымит – из него выделяется серный ангидрид. При растворении олеума в воде образуется серная кислота. Олеум хранят и перевозят в стальных цистернах – при комнатной температуре сталь устойчива к действию концентрированной серной кислоты и серного ангидрида.

Оптимальные условия: 

1. t до 300оС

2. Противоток газа и кислоты

3. Использование 98% серной кислоты. 

Сернокислотные заводы способны нанести серьезный ущерб окружающей среде. Во избежание этого отходящие газы подвергают тщательной очистке от следов сернистого газа, серного ангидрида и других вредных примесей. С каждым годом проблемам охраны природы уделяется все больше внимания.

Экологические проблемы:

Производство серной кислоты создает немало экологических проблем – на I стадии это потери сырья при добыче, транспортировке, хранении, и переработке. Далее продукты промежуточных реакций SO2 и SO3, при попадании в атмосферу вызывают образование кислотных дождей, которые ведут к гибели растительности, возникновению респираторных заболеваний у животных и человека. Вызывают коррозию металлов, мрамора, закисление почв и водоемов.

Чтобы избежать загрязнения окружающей среды: 

• Создаются безотходные производства. При этом используются бессточные системы. 

• Для предотвращения выбросов SO2 и SO3, используют специальные фильтры. 

• Необходимо кооперировать различные производства. Например, металлургические предприятия и производства серной кислоты.(Комплексная переработка сырья – является экономически целесообразной. Она позволяет использовать все составные части сырья, что способствует повышению эффективности производства, сокращается расход природного сырья, снижается стоимость сырья, стоимость конечных продуктов, снижается загрязнение окружающей среды вредными веществами). 

• Использование в качестве сырья — сероводорода (нефтеперерабатывающие заводы). 

За это задание ты можешь получить 1 балл. На решение дается около 7 минут. Уровень сложности: базовый.
Средний процент выполнения: 66.8%
Ответом к заданию 26 по химии может быть последовательность цифр, чисел или слов. Порядок записи имеет значение.

Задачи для практики