Сярна киселина: състав, производствени процеси, промишлена употреба и безопасност

Това съединение е толкова широко използвано в индустриите по целия свят, че употребата му дори определя нивото на развитие в този сектор в рамките на отделните страни. Производството на сярна киселина е изключително високо, защото притежава много качества, които я правят отлична за производството и производството на определени материали, които са много популярни в световен мащаб. Тя има характеристики, които ѝ дават... корозивна сила невероятно, откъдето идва и съответното му име.

През Средновековието това съединение е било известно като витриолово масло, чието име е дадено от алхимиците от онова време, приблизително между 8-ми и 9-ти век. Това са и най-важните векове по отношение на неговото откриване и началото на изучаването на неговите функции.

Съществуват няколко процеса за получаване на сярна киселина, като един от тях е следният... процес с оловна камера Най-старият от всички, който все още може да се наблюдава в исторически контекст или по-стари съоръжения. Дълго време е бил широко използван в торовата промишленост, за да се улесни производството му.

Процесите за получаване на тази киселина могат да бъдат много опасни, ако не са известни точно всички стъпки, които трябва да се следват, защото тя произвежда големи количества топлина И от своя страна тялото ѝ е много горещо, така че всяко пръскане може да причини тежки изгаряния.

Състав на сярна киселина

Това е едно от най-широко използваните съединения в световен мащаб, като индустрията, която използва най-много сярна киселина, е... производители на торовеНай-силната характеристика на тази киселина е, че е компонент изключително корозивен, а правилната му химическа формула е H₂SO₄.

Сярната киселина е компонент с най-високо производство в световен мащабТова е така, защото притежава определени характеристики, които позволяват производството на безброй производни продукти, а също така може да се използва за... синтез на други вещества като киселини, сулфати, фосфатни торове, детергенти и голямо разнообразие от органични и неорганични съединения.

В древността е било известно като масло или спирт от витриол, защото се е получавало от минерали, общоизвестни като злоба (кристални сулфати на различни метали). Това съединение може да се получи от серен диоксид чрез процес, наречен окисление с азотни оксиди във воден разтворили чрез каталитично окисление в контактния процес. След получаването му е необходимо да се проведат други процеси, за да се повишаване на концентрацията от същото до стойности близо до 98% тегловни за промишлена употреба.

Двата водородни атома в тази молекула са свързани с два кислородни атома. В зависимост от разтвора, тези водороди могат да бъдат... отлъчвам във вода, освобождавайки протони (H⁺) и му придавайки силно киселинния му характер.

Молекулата на киселината има специфична форма изкривена пирамидална или тетраедричнаХарактеризира се с това, че серен атом е в центъра, докато кислородните атоми могат да се видят в четирите ъгъла. Във водата се държи като... силна киселина при първата си дисоциация, което води до образуването на водород-сулфатния анион (HSO₄^-), въпреки че при втората дисоциация се представя като слаба киселина, което води до сулфатния анион (SO₄^2-).

Физични и химични свойства на сярната киселина

В допълнение към състава си, сярната киселина притежава редица физикохимични свойства което обяснява защо е толкова универсален и същевременно толкова опасен.

Химична формула: H₂SO₄.
Приблизителна моларна маса: X.
Плътност (концентрирана киселина): около 1,84 g / cm³ при стайна температура, което показва, че е много по-плътен отколкото вода.
Точка на топене: близо до 10 ºC, така че може частично втвърдявам в много студени среди.
Точка на кипене: около 337 ºC, което го прави течност с висока точка на кипене.
Разтворимост във вода: напълно смесимно разтварянето е силно екзотермичен (Освобождава много топлина).
pH (силно концентрирана киселина): под 1, което показва изключително висока киселинност.
Външен вид: течност безцветен или леко жълтеникав, мазна и вискозна, с едва доловима миризма, но която може да бъде свързана със серни съединения, когато има примеси.
Допълнителни свойства: това е съединение хигроскопичен (абсорбира вода от околната среда), оксидант, с велик дехидратираща сила (способен да отстранява вода от много вещества, дори органични, като захари и тъкани).

Тези свойства обясняват защо сярната киселина се използва като дехидратиращ агент за сушене на газове и течности, като например оксидант в химични реакции и като съществен компонент в множество синтетични процеси.

Образуване на сярна киселина

Това може да се намери в различни търговски области в различни презентации, вариращи от най-чистите до всички видове смеси, получени от него, които се измерват чрез степени на чистота и концентрация.

За да се образува сярна киселина, е необходимо да се премине през определени процеси, сред които най-известните и най-използваните са тези на оловна камера и процес на контактПървият е най-старият метод за получаване на това съединение и въпреки че днес контактният процес доминира в промишленото производство, оловните камери дълго време са били техниката, използвана от торовата индустрия, и все още могат да се наблюдават в стари съоръжения или в исторически контекст.

Възможно е това съединение да се получи в лаборатории. Това се постига чрез преминаване на поток от серен диоксид газ в разтвор на водороден пероксид. Концентрацията на сярна киселина чрез този процес се постига изпаряване на водата докато се достигне желаното ниво на концентрация.

Процес на контакт

При този процес на получаване на сярна киселина може да се наблюдава смес от газове, която съдържа приблизително между 7 и 10% от операционната система₂, според източника на производство, и приблизителна стойност между 11 и 13% кислород. Тази смес след това... предварително загряване и отстраняване на грешки с най-голяма прецизност за отстраняване на примеси като прах, арсенови съединения или други вещества, които могат да повредят последващия катализатор.

След като газовата смес е пречистена максимално, тя се прекарва през конвертор от един или повече каталитични слоеве, в които традиционно се използва платинен катализатор и впоследствие ванадиев пентаоксид върху твърди носители. В тези каталитични слоеве се случва следното: SO окисление₂ a SO₃Обикновено се използват два или повече преобразувателя или няколко легла, свързани последователно, за да се постигне максимална възможна ефективност.

Производството на това съединение чрез изгаряне на елементарна сяра Той има по-добър енергиен баланс, което не изисква непременно строги системи за пречистване, задължителни в други случаи. Когато се генерира серен диоксид чрез изпичане на сулфидни минерали, като пирит, обикновено се изисква по-сложна обработка на газа.

Има голяма разлика между SO производство₂ чрез изгаряне на сяра и другият метод, известен като печене на пиритиособено ако са арсенови. Това е така, защото вторият вариант оставя много в крайния резултат примеси което никога не може да бъде напълно елиминирано.

В инсталация в нормална експлоатация ефективността на преобразуване на SO₂ до SO₃ варира от 96% и 97%тъй като ефективността му намалява с времето. Този ефект се наблюдава по-често в инсталации, използващи изходни пирити с високо съдържание на арсен, който не може да бъде напълно отстранен от съединението и следователно съпътства газовете, които претърпяват процеса на катализа, причинявайки отравяне с катализаторТова е основната причина за внезапния спад в производителността.

Във втория конвертор газовете имат време на престой приблизително 2 до 4 секунди, и в този случай температурата трябва да бъде между 500 и 600 ºC за постигане на оптимална равновесна константа и максимална конверсия на възможно най-ниската цена.

След предишния процес, газовете от катализа се охлаждат до температура, близка до 100 ºCи след това преминете през олеумна кулаБлагодарение на това се постига частично, а не пълно усвояване на SO₂.₃Останалите газове от този процес преминават през втора кула, където съединението се пречиства и промива с концентрирана сярна киселина. След като всички тези стъпки са завършени, отпадъците се отстраняват. отпадъчни газове през комин в атмосферата, отговаряйки на строги екологични изисквания.

По време на този процес, огромно количество топлина (екзотермична реакция), която в много съвременни съоръжения се използва за производство водна пара и от него, електрическа енергияВ инсталациите с голям капацитет, много значителна част от тази топлина се продава като пара или се използва вътрешно за захранване на други промишлени процеси, като по този начин се подобрява общата енергийна ефективност.

Процес на водеща камара

Този конкретен процес е най-старият известен метод за производство и получаване на сярна киселина. В него SO₂₃ газообразно влиза в реактор, известен с името на кула на ръкавицата, където преминава през процес на измиване с азотен витриолкоето е сярна киселина с разтворени в нея азотни оксиди и частици въглероден диоксид, която от своя страна е смесена с два вида азотен оксид: азотен оксид (NO) и азотен диоксид (NO₂).₂).

Голяма част от използвания тук серен(IV) оксид се окислява до серен(VI) оксид и се разтваря в киселинна баня, за да се образува така нареченото киселина от кулатахарактерно за кулата Глоувър. Тази система използва цикъла на азотните оксиди като окислителни и регенерируеми междинни продукти в рамките на процеса.

След като газовите смеси преминат през кулата Глоувър, те се отвеждат до камера с оловна облицовка (оттук и името им), където се обработват с обилно количество вода. Тези камери имат различни форми в зависимост от критериите на производителя, сред които най-често срещаните са квадрат или такива, които имат форма, подобна на тази на конус.

Сярна киселина кондензира по стените, образувана от поредица от реакции, и се натрупва на пода на облицованата с олово камера. Обикновено може да се наблюдава наличието на между 3 до 6 камери последователно. Крайният продукт, получен от тези камери, обикновено е известен като киселина от камератаили по-често като торова киселинатъй като концентрацията му обикновено е по-ниска от тази на киселината, получена чрез контактния процес.

В последния етап на този процес газовете преминават през друг реактор, наречен Кулата Гей-Люсаккъдето започва непрекъснат процес на пречистване, използващ концентрирани, студени киселини от кулата на Глоувър. Накрая, необработените газове се изпускат в атмосферата, в идеалния случай с възможно най-ниско съдържание на замърсители.

История на сярната киселина

Произходът им датира от средновековието, когато вместо учени, те са били алхимици Тези, които експериментирали с вещества, получени от земята, повечето от които били естествени, въпреки че някои успели да произведат съединения. Такъв е случаят с Джабир Ибн Хайян, който е един от пионерите в описанието на сярна киселина, използвайки методи, включващи дестилация на сулфатни минерали и смеси с други съединения.

По-късно, през следващите векове, киселината започва да се изучава задълбочено, тъй като са признати нейните забележителни качества и потенциални приложения за производството на нови артефакти и продукти. Този процес добива популярност през тази епоха чрез трактати и книги както от араби, така и от перси, а по-късно и от европейски алхимици.

В Европа по това време, по-специално през средновековието, сярната киселина е била известна като яростВитриолът, или витриловото съединение, витриолова луга или витриолово масло, е получен от кристали сулфатна сол. Думата витриол произлиза от латински. стъкловидно тяло, което се отнася до кристални соли на сулфат, а преводът му на испански би бил кристал.

Този компонент, от самото си създаване, се оказва от голям интерес за алхимиците, дотолкова, че в определени моменти е бил смятан за възможен... пиедра философвъпреки че сред най-често срещаните му приложения е било да реагира с вещества, за да се наблюдават промени в цвета, утайки и трансформации.

Йохан Глаубер, немски химик от холандски произход, успява да получи сярна киселина, или витриол, чрез процес на изгаряне на сяра с калиев нитрат в присъствието на водна пара. Това се дължеше на факта, че при разлагането на калиевия нитрат се наблюдаваше окисление на сярата до SO₂.₃което, когато се комбинира с вода, дава съединението. Това се превръща в чудесен метод за комерсиализация на сярна киселина, защото е по-лесно за производство. масова продукция.

Около средата на 18-ти век, около 1746 г., започва да се използва методът с камери, облицовани с олово, което стабилизира индустрията за производство на олово и позволява по-широка търговия. По-късно, през 19-ти век, са разработени по-устойчиви и ефикасни процеси; през 1831 г. е въведен подход, който с последващи подобрения в катализаторите и абсорбцията води до... процес на контакт което днес осигурява по-голямата част от доставките.

Първоначалните нива на концентрация на старите процеси са били относително ниски, приблизително една 40%Това обаче е подобрено чрез изучаване на характеристиките на съединението, което води до производството на нови продукти, изискващи по-високи концентрации. С подобренията в катализаторите и абсорбционните системи, сярната киселина започва да се произвежда във все по-чисти и концентрирани форми, превръщайки се в... стълб на съвременната химическа индустрия и в ключов показател за нивото на индустриализация на страните.

Сярна киселина при 98% и други концентрации

В индустриалния сектор една от най-важните презентации е 98% сярна киселинакоето се счита за практически концентрирано. Тази чистота е от основно значение за провеждане на процеси, които изискват прецизен контрол на киселинността и минимизиране на наличието на вода.

От тази концентрирана киселина е възможно да се приготвят разтвори с различна концентрация. търговски концентрациикоито са пригодени за специфични приложения в промишлеността, селското стопанство, автомобилостроенето или почистването. Някои често срещани концентрации са:

30-40%: използва се в определени повърхностни обработки и специфични формулировки, с умерена, но все пак много корозивна киселинност.
50-60%: използва се в промишлени процеси, които изискват баланс между реактивност и обработка, например в някои етапи от производството на торове или перилни препарати.
98%: силно концентрирана киселина, типична за контактния процес, използвана като основна суровина за повечето промишлени приложения и за производството на олеум (смес от сярна киселина със SO)₃).

Контролирането на концентрацията е от решаващо значение, тъй като е от съществено значение за представянето на другите. вискозитет, The Реакционен капацитет, на риск от корозия на оборудване и материали, както и изисквания за безопасност при транспорт и съхранение.

Приложения и предпазни мерки на сярната киселина

След като са известни всички аспекти и историята на първоначалното получаване на това съединение, е изключително важно да се знае какво представлява то. най-често срещаните приложения и предпазни мерки това трябва да се вземе предвид, защото при повечето от тези процеси веществото се нагрява до такава степен, че може да причини сериозни изгаряния при контакт.

Най-често срещаните приложения

някои индустриални процеси Производителите на дървени и хартиени изделия се нуждаят от сярна киселина, както и текстилната промишленост, където тя се използва за... обработка с влакна и регулиране на pH на различните етапи от обработката.
Производствената промишленост на торове е отчела увеличено потребление и търсене на това съединение, тъй като неговите компоненти са много ефективни за... производство на фосфатни торове и неорганични. Това е така, защото действа като реагент за производство фосфорна киселина y амониев сулфат, между другото, които се използват като торове.
В повечето случаи това съединение се използва като суровинавъпреки че рядко се отразява в крайния продукт. То се намесва като катализатор, дехидратиращ или окислителен агент в много процеси на химичен синтез.
Сред най-важните употреби са рафиниране на петролОбработка на стомана (ецване и почистване на метални повърхности), производство на пигменти, производство на експлозиви, пластмаси, синтетични влакна и детергенти, както и добивът на цветни метали като мед, никел или цинк.
Той служи като метод за обработка на метал различни материали като стомана, мед, ванадий и други, премахване на повърхностни оксиди и подготовка на повърхности за покрития, поцинковане или последващи обработки.
В някои страни употребата му е строго наблюдавани от властите защото може да се използва в производството на незаконни наркотици или взривни вещества, както и поради опасността му за околната среда, ако се борави неправилно.
Най-директното му приложение, така да се каже, е в производството на сулфонирани повърхностноактивни вещества, които се вграждат чрез органично сулфониране или сулфуриране, основни процеси в индустриите на перилни препарати и почистващи продукти.
В автомобилна индустрия Използва се в оловно киселинни батериикъдето разтвор на сярна киселина действа като електролит, позволявайки съхранението и освобождаването на електрическа енергия.
В фармацевтичната промишленост Той участва в синтеза на множество активни съставки и помощни вещества, поради ролята си на агент за сулфониране, дехидратация и регулиране на pH в етапите на реакция и пречистване.
В областта на почистване и поддръжка на домаВ контролирани концентрации и при специфични формулировки се използва в някои деблокери и препарати за почистване на канали, възползвайки се от способността им да разтварят органични вещества. Употребата им обаче трябва да бъде изключително внимателна.

предпазни мерки

Производствените процеси за сярна киселина могат да бъдат изключително опасни, защото в повечето, ако не и във всички случаи, съединението се нагрява до екстремни температури. Ето защо е важно да се помни, че при разреждането му то трябва да бъде правилно приготвено. излято върху водата и никога обратното, защото това може да причини агресивни пръски което може да причини тежки изгаряния на кожата.

Сярната киселина е много корозивни, окислителни и дехидратиращиСледователно, контактът с тъканите може сериозно да ги увреди. Дори минимално количество сярна киселина при контакт с кожата може да причини химически изгаряния много сериозно. Контактът с очите може да причини трайно увреждане и дори слепота.

Трябва също да внимавате Не вдишвайте изпаренията или аерозоли, отделяни от реакциите на сярна киселина с други вещества, тъй като те причиняват затруднено дишане и усещане за парене в дихателните пътища. Продължителното излагане на мъгли от сярна киселина е свързано с хронични раздразнения и дори с повишен риск от сериозни респираторни проблеми.

Въпреки че само сярна киселина Не е запалимо, при контакт с определени метали отделя водородТова е лесно запалим и експлозивен газ. Освен това, може да бъде запалим в комбинация с други материали, дори вода, ако не се борави правилно, поради... екзотермична реакция който се получава, когато двете се смесят.

Една от най-важните предпазни мерки е тази киселина винаги да добавете към водата и никога обратното. Тъй като разреждането на сярна киселина отделя много топлина, изливането на вода върху сярна киселина може да предизвика бурна екзотермична реакция, която би генерирала пръскане и опасни изпарения.

В случай на контакт с кожата, не изплаквайте веднага голямо количество концентрирана киселина с вода под налягане, без първо да премахнете излишното и частично неутрализирайте, тъй като топлината, генерирана от разреждането, може да влоши нараняването. Препоръчително е да се следват процедурите, посочени в информационен лист за безопасност от продукта, като използвате обилни сапунени разтвори или меки неутрализиращи агенти, когато е препоръчително, и след това изплакнете с течаща вода за продължителен период от време.

За да се справи с него, използването на лични предпазни средства Подходящи лични предпазни средства (ЛПС): химически устойчиви ръкавици, предпазни очила или предпазни щитове за лице, защитно облекло, маски или дихателни апарати, когато има риск от вдишване на пари или аерозоли, и подходящи обувки. Съхранението трябва да се извършва в контейнери. одобрен и устойчив на корозия, като например полиетилен с висока плътност или специални стъклени контейнери, на хладни и проветриви места и далеч от несъвместими вещества (силни основи, реактивни метали, редуктори, горими органични материали и др.).

Съвместимости и несъвместимости на сярна киселина

При проектирането или използването на съоръжения, които обработват сярна киселина, е важно да се знае какво... материалите са съвместими и какви са те? несъвместими или опасно.

Съвместим: вода (винаги добавяйки киселината към водата), устойчиви пластмасови материали като полиетилен с висока плътност (HDPE), някои флуорополимери и боросиликатно стъкло или устойчива керамика.
Несъвместими: реактивни метали (алуминий, цинк, магнезий и др., които отделят водород), горими органични материали, силни алкални вещества (хидроксиди), редуциращи агенти (сулфити, нитрити и др.) и вещества, които могат да предизвикат бурни или неконтролирани екзотермични реакции.

Правилният избор на материали и проектирането на подходящи системи за ограничаване на проникването и вентилация значително намаляват рисковете, свързани с течове, корозия на оборудването и аварии.

Сярната киселина се е превърнала в основен ресурс за съвременната индустрия, фундаментален елемент в производството на торове, рафинирането на петрол, синтеза на безброй химични съединения и производството на батерии, перилни препарати, влакна и съвременни материали. Задълбоченото разбиране на нейните свойства, история, производствени процеси и най-вече мерките за безопасност при боравенето и съхранението ѝ, ни позволява да увеличим максимално нейния потенциал, като същевременно държим рисковете за хората и околната среда под контрол.