Kyselina sírová: zloženie, výrobné procesy, priemyselné využitie a bezpečnosť

Táto zlúčenina sa v priemysle po celom svete tak široko používa, že jej použitie dokonca určuje úroveň rozvoja v tomto sektore v rámci krajín. Produkcia kyseliny sírovej je mimoriadne vysoká, pretože má mnoho vlastností, vďaka ktorým je vynikajúca na výrobu a spracovanie určitých materiálov, ktoré sú na celom svete veľmi obľúbené. Má vlastnosti, ktoré jej dávajú... korozívna sila neuveriteľné, odtiaľ pochádza aj jeho názov.

V stredoveku bola táto zlúčenina známa ako vitriolový olej, ktorej meno dali vtedajší alchymisti približne medzi 8. a 9. storočím. Boli to tiež najdôležitejšie storočia, pokiaľ ide o jej objavenie a začiatok štúdia jej funkcií.

Existuje niekoľko spôsobov na získanie kyseliny sírovej, medzi ktoré patria: proces olovenej komory Najstarší zo všetkých, ktorý možno stále pozorovať v historických kontextoch alebo starších zariadeniach. Dlho sa bežne používal v priemysle hnojív na uľahčenie jeho výroby.

Procesy získavania tejto kyseliny môžu byť veľmi nebezpečné, ak nie sú presne známe všetky kroky, ktoré treba dodržať, pretože vzniká veľké množstvo tepla A jej telo je zase veľmi horúce, takže akékoľvek špliechajúce môže spôsobiť ťažké popáleniny.

Zloženie kyseliny sírovej

Toto je jedna z najpoužívanejších zlúčenín na svete, pričom najviac kyseliny sírovej spotrebuje priemysel... výrobcovia hnojívNajsilnejšou vlastnosťou tejto kyseliny je, že je súčasťou extrémne korozívnea jeho správny chemický vzorec je H₂SO₄.

Kyselina sírová je komponent s najvyššou produkciou na sveteJe to preto, že má určité vlastnosti, ktoré umožňujú výrobu nespočetného množstva odvodených produktov a možno ho použiť aj na... syntéza iných látok ako sú kyseliny, sírany, fosfátové hnojivá, detergenty a široká škála organických a anorganických zlúčenín.

V staroveku bol známy ako olej alebo vitriolový destilát, pretože sa získaval z minerálov všeobecne známych ako jedovaté výčitky (kryštalické sírany rôznych kovov). Túto zlúčeninu možno vo všeobecnosti získať z oxidu siričitého procesom nazývaným oxidácia oxidmi dusíka vo vodnom roztokualebo katalytickou oxidáciou v kontaktnom procese. Po jeho získaní je potrebné vykonať ďalšie procesy, aby sa zvýšiť koncentráciu z toho istého až do hodnôt blízkych 98 % hmotnosti na priemyselné použitie.

Dva atómy vodíka v tejto molekule sú viazané na dva atómy kyslíka. V závislosti od roztoku môžu byť tieto atómy vodíka... odlúčiť vo vode, uvoľňujúc protóny (H⁺) a dodáva mu silne kyslý charakter.

Molekula kyseliny má zvláštny tvar skreslený pyramídový alebo tetraedrickýJe charakterizovaný tým, že má atóm síry v strede, zatiaľ čo atómy kyslíka sú viditeľné v štyroch rohoch. Vo vode sa správa ako... silná kyselina pri svojej prvej disociácii, čoho výsledkom je hydrogénsulfátový anión (HSO₄^-), hoci pri druhej disociácii sa prejavuje ako slabá kyselina, čo vedie k sulfátovému aniónu (SO₄^2-).

Fyzikálne a chemické vlastnosti kyseliny sírovej

Okrem svojho zloženia má kyselina sírová množstvo fyzikálno-chemické vlastnosti čo vysvetľuje, prečo je taký všestranný a zároveň taký nebezpečný.

Chemický vzorec: H₂SO₄.
Približná molárna hmotnosť: X.
Hustota (koncentrovaná kyselina): okolo 1,84 g / cm³ pri izbovej teplote, čo naznačuje, že je oveľa hustejšie než voda.
Teplota topenia: blízko 10 ºC, takže to môže čiastočne stuhnúť vo veľmi chladnom prostredí.
Bod varu: okolo 337 ºC, čo z neho robí kvapalinu s vysoký bod varu.
Rozpustnosť vo vode: úplne miešateľnýale rozpustenie je silné exotermický (Uvoľňuje veľa tepla).
pH (veľmi koncentrovaná kyselina): pod 1, čo naznačuje extrémne vysokú kyslosť.
Vzhľad: tekutý bezfarebný alebo mierne žltkastý, olejovitý a viskózny, s sotva vnímateľným zápachom, ktorý však môže byť spojený so zlúčeninami síry, ak sú prítomné nečistoty.
Ďalšie vlastnosti: je to zlúčenina hygroskopický (absorbuje vodu z prostredia), oxidačné činidlo, s veľkým dehydratačná sila (schopný odstraňovať vodu z mnohých látok, dokonca aj organických, ako sú cukry a tkanivá).

Tieto vlastnosti vysvetľujú, prečo sa kyselina sírová používa ako dehydratačné činidlo na sušenie plynov a kvapalín, ako napr. oxidačné činidlo v chemických reakciách a ako základná zložka v mnohých syntetických procesoch.

Tvorba kyseliny sírovej

Toto sa dá nájsť v rôznych komerčných oblastiach v rôznych prezentáciách, od najčistejších až po všetky typy zmesí z nich odvodených, ktoré sa merajú pomocou stupne čistoty a koncentrácie.

Na vytvorenie kyseliny sírovej je potrebné prejsť určitými procesmi, medzi ktorými sú najznámejšie a najpoužívanejšie... olovená komora a proces kontaktovaniaPrvá je najstaršia metóda na získanie tejto zlúčeniny a hoci dnes v priemyselnej výrobe dominuje kontaktný proces, olovené komory boli dlho technikou používanou v priemysle hnojív a stále ich možno pozorovať v starých zariadeniach alebo v historických kontextoch.

Túto zlúčeninu je možné získať v laboratóriách. sa dosiahne prechodom prúdu plynu oxidu siričitého v roztoku peroxidu vodíka. Koncentrácia kyseliny sírovej sa týmto procesom dosiahne odparovanie vody kým sa nedosiahne požadovaná úroveň koncentrácie.

Kontaktný proces

Pri tomto procese získavania kyseliny sírovej možno pozorovať zmes plynov, ktorá obsahuje približne medzi 7 a 10% z operačného systému₂, podľa zdroja výroby, a približná hodnota medzi 11 a 13% kyslíka. Táto zmes sa potom... predhrievanie a ladenie s maximálnou prísnosťou na odstránenie nečistôt, ako je prach, zlúčeniny arzénu alebo iné látky, ktoré môžu poškodiť následný katalyzátor.

Keď je plynná zmes čo najviac vyčistená, prechádza cez konvertor jedného alebo viacerých katalytických lôžok, v ktorých sa tradične používal platinový katalyzátor a následne oxid vanádu na pevných nosičoch. V týchto katalytických lôžkach dochádza k nasledovnému: Oxidácia SO₂ a SO₃Na dosiahnutie maximálnej možnej účinnosti sa zvyčajne používajú dva alebo viac meničov alebo niekoľko lôžok zapojených do série.

Výroba tejto zlúčeniny prostredníctvom spaľovanie elementárnej síry Zvyčajne má lepšiu energetickú bilanciu, čo si nevyhnutne nevyžaduje prísne čistiace systémy, ktoré sú v iných prípadoch povinné. Keď sa oxid siričitý vytvára pražením sulfidových minerálov, ako je pyrit, zvyčajne sa vyžaduje zložitejšie čistenie plynu.

Je medzi nimi veľký rozdiel SO výroba₂ spaľovaním síry a druhá metóda známa ako praženie pyritovnajmä ak sú tieto arzénové. Je to preto, že druhý variant ich v konečnom dôsledku zanecháva veľa nečistoty ktoré sa nikdy nedajú úplne odstrániť.

V závode v normálnej prevádzke je konverzný výkon SO₂ do SO₃ sa pohybuje od 96 % a 97 %pretože jeho účinnosť časom klesá. Tento účinok sa častejšie pozoruje v zariadeniach využívajúcich východiskové pyrity s vysokým obsahom arzénu, ktorý sa nedá zo zlúčeniny úplne odstrániť, a preto sprevádza plyny, ktoré prechádzajú procesom katalýzy, čo spôsobuje... otrava katalyzátoromTo je hlavná príčina náhleho poklesu výkonu.

V druhom konvertore majú plyny dobu zotrvania približne 2 až 4 sekúnda v tomto prípade musí byť teplota medzi 500 a 600 °C dosiahnuť optimálnu rovnovážnu konštantu a maximálna konverzia za čo najnižšie náklady.

Po predchádzajúcom procese sa plyny z katalýzy ochladia na teplotu blízku 100 ºCa potom prejdite cez oleum vežaVďaka tomu sa dosiahne čiastočná, nie úplná absorpcia SO₂.₃Zvyšné plyny z tohto procesu prechádzajú druhou vežou, kde sa zlúčenina čistí a premyje koncentrovanou kyselinou sírovou. Po dokončení všetkých týchto krokov sa odpad odstráni. odpadové plyny cez komín do atmosféry, pričom spĺňa prísne environmentálne požiadavky.

Počas tohto procesu obrovské množstvo teplo (exotermická reakcia), ktorá sa v mnohých moderných zariadeniach používa na výrobu vodná para a z neho, elektrickej energieVo veľkokapacitných elektrárňach sa veľmi významná časť tohto tepla predáva ako para alebo sa používa interne na pohon iných priemyselných procesov, čím sa zlepšuje celková energetická účinnosť.

Proces vedúcej komory

Tento konkrétny proces je najstaršou známou metódou výroby a získavania kyseliny sírovej. V ňom SO₂₃ plynné vstupuje do reaktora známeho ako veža rukavíckde sa podrobuje procesu prania s dusný vitriolčo je kyselina sírová s rozpustenými oxidmi dusíka a časticami oxidu uhličitého, ktorá je zase zmiešaná s dvoma typmi oxidov dusíka: oxidom dusnatým (NO) a oxidom dusičitým (NO₂).₂).

Veľká časť tu použitého oxidu síry(IV) sa oxiduje na oxid síry(VI) a rozpúšťa sa v kyslom kúpeli za vzniku tzv. vežová kyselinacharakteristické pre Gloverovu vežu. Tento systém využíva cyklus oxidov dusíka ako oxidačné a regenerovateľné medziprodukty v rámci procesu.

Po prechode plynných zmesí cez Gloverovu vežu sú odvedené do komora s olovenou výstelkou (odtiaľ pochádza ich názov), kde sa ošetrujú veľkým množstvom vody. Tieto komory majú rôzne tvary v závislosti od kritérií výrobcu, medzi ktorými sú najbežnejšie námestie alebo tie, ktoré majú tvar podobný tvaru kužeľ.

Kyselina sírová kondenzuje na stenách, vzniká sériou reakcií a hromadí sa na dne komory s olovenou výstelkou. Typicky možno pozorovať prítomnosť medzi 3 až 6 kamier postupne. Konečný produkt získaný z týchto komôr je zvyčajne známy ako kyselina z fotoaparátualebo častejšie ako kyselina hnojivápretože jeho koncentrácia je zvyčajne nižšia ako koncentrácia kyseliny získanej kontaktným procesom.

V záverečnej fáze tohto procesu plyny prechádzajú cez ďalší reaktor nazývaný Gay-Lussacova vežakde sa začína kontinuálny proces prania s použitím koncentrovaných, studených kyselín z Gloverovej veže. Nakoniec sa nespracované plyny uvoľňujú do atmosféry, ideálne s čo najnižším obsahom kontaminantov.

História kyseliny sírovej

Ich pôvod siaha do stredoveku, keď namiesto vedcov... alchymisti Tí, ktorí experimentovali s látkami získanými zo zeme, z ktorých väčšina bola prírodných, hoci niektorým sa podarilo vyrobiť zlúčeniny. To je prípad... Džabir Ibn Hajján, ktorý bol jedným z priekopníkov v popise kyseliny sírovej pomocou metód zahŕňajúcich destiláciu síranových minerálov a zmesí s inými zlúčeninami.

Neskôr, v nasledujúcich storočiach, sa kyselina začala hlbšie študovať, keďže sa rozpoznali jej pozoruhodné vlastnosti a potenciálne využitie na výrobu nových artefaktov a produktov. Tento proces získal v tomto období popularitu vďaka traktátom a knihám Arabov aj Peržanov a neskôr aj európskych alchymistov.

V Európe v tom čase, konkrétne v stredoveku, bola kyselina sírová známa ako jedovatosťVitriol alebo vitriolová zlúčenina, vitriolový lúh alebo vitriolový olej sa získaval z kryštálov síranovej soli. Slovo vitriol pochádza z latinčiny. sklovca, ktorý sa vzťahuje na kryštalické soli síranu a jeho preklad do španielčiny by bol kryštál.

Táto zložka sa od svojho vzniku ukázala byť pre alchymistov veľmi zaujímavá, a to natoľko, že v určitých obdobiach bola považovaná za možnú Kameň mudrcovhoci medzi jeho najčastejšie použitia patrilo reagovanie látok s cieľom pozorovať zmeny farby, zrazeniny a transformácie.

Johann Glauber, nemecký chemik holandského pôvodu, úspešne získal kyselinu sírovú alebo vitriol procesom... spaľovanie síry s dusičnanom draselným v prítomnosti vodnej pary. Bolo to preto, lebo pri rozklade dusičnanu draselného bolo možné pozorovať oxidáciu síry na SO₂.₃ktorý po zmiešaní s vodou poskytol zlúčeninu. Toto sa stalo skvelou metódou na komercializáciu kyseliny sírovej, pretože jej výroba bola jednoduchšia. masová výroba.

Približne v polovici 18. storočia, okolo roku 1746, sa začala používať metóda komory s olovenou výstelkou, ktorá stabilizovala priemysel výroby olova a umožnila širší obchod. Neskôr, v 19. storočí, boli vyvinuté udržateľnejšie a efektívnejšie procesy; v roku 1831 bol zavedený prístup, ktorý s následnými vylepšeniami katalyzátorov a absorpcie viedol k... proces kontaktovania ktorý dnes zabezpečuje väčšinu dodávok.

Počiatočné úrovne koncentrácie starých procesov boli relatívne nízke, približne jedna 40%Toto sa však zlepšilo štúdiom charakteristík zlúčeniny, čo viedlo k výrobe nových produktov, ktoré vyžadovali vyššie koncentrácie. So zlepšením katalyzátorov a absorpčných systémov sa kyselina sírová začala vyrábať v čoraz čistejších a koncentrovanejších formách a stala sa... pilier moderného chemického priemyslu a v kľúčovom ukazovateli úrovne industrializácie krajín.

Kyselina sírová s koncentráciou 98 % a iné koncentrácie

V priemyselnom sektore je jednou z najdôležitejších prezentácií 98% kyselina sírováčo sa považuje za prakticky koncentrované. Táto čistota je základom pre vykonávanie procesov, ktoré vyžadujú presné ovládanie kyslosti a minimalizovať prítomnosť vody.

Z tejto koncentrovanej kyseliny je možné pripraviť roztoky s rôznymi koncentráciami. komerčné koncentráciektoré sú prispôsobené špecifickému použitiu v priemysle, poľnohospodárstve, automobilovom priemysle alebo upratovaní. Niektoré bežné koncentrácie sú:

30-40%: používa sa v určitých povrchových úpravách a špecifických formuláciách s miernou, ale stále veľmi korozívnou kyslosťou.
50-60%: používa sa v priemyselných procesoch, ktoré vyžadujú rovnováhu medzi reaktivitou a manipuláciou, napríklad v niektorých fázach výroby hnojív alebo čistiacich prostriedkov.
98%vysoko koncentrovaná kyselina, typická pre kontaktný proces, používaná ako základná surovina pre väčšinu priemyselných aplikácií a na výrobu Olea (zmes kyseliny sírovej s SO)₃).

Ovládanie sústredenia je kľúčové, pretože je nevyhnutné pre výkon ostatných. viskozitav Reakčná kapacita, riziko korózie vybavenia a materiálov, ako aj bezpečnostné požiadavky pri preprave a skladovaní.

Aplikácie a bezpečnostné opatrenia týkajúce sa kyseliny sírovej

Keď sú známe všetky aspekty a história toho, ako bola táto zlúčenina prvýkrát získaná, je mimoriadne dôležité vedieť, čo to je. najbežnejšie aplikácie a opatrenia To sa musí vziať do úvahy, pretože pri väčšine týchto procesov sa látka zahrieva na takú teplotu, že v prípade kontaktu by mohla kohokoľvek vážne popáliť.

Najčastejšie aplikácie

niektorí priemyselných procesov Výrobcovia drevárskych a papierenských výrobkov potrebujú kyselinu sírovú, rovnako ako textilný priemysel, kde sa používa na... úprava vlákien a úprava pH v rôznych fázach spracovania.
Priemysel výroby hnojív zaznamenal zvýšenú spotrebu a dopyt po tejto zlúčenine, pretože jej zložky sú veľmi účinné pre... výroba fosfátových hnojív a anorganické. Je to preto, že pôsobí ako činidlo na výrobu kyselina fosforečná y síranu amónneho, okrem iného, ktoré sa používajú ako hnojivá.
Vo väčšine prípadov sa táto zlúčenina používa ako surovinahoci sa to len zriedka odráža v konečnom produkte. Zasahuje ako katalyzátor, dehydratačné alebo oxidačné činidlo v mnohých chemických syntetických procesoch.
Medzi najdôležitejšie použitia patria rafinácia ropyÚpravy ocele (morenie a čistenie kovových povrchov), výroba pigmentov, výroba výbušniny, plasty, syntetické vlákna a detergenty, ako aj ťažba neželezné kovy ako napríklad meď, nikel alebo zinok.
Slúži ako metóda spracovanie kovov rôzne materiály ako oceľ, meď, vanád a ďalšie, odstraňovanie povrchových oxidov a príprava povrchov na nátery, zinkovanie alebo následné úpravy.
V niektorých krajinách je jeho používanie prísne monitorované úradmi pretože sa môže použiť pri výrobe nelegálnych drog alebo výbušnín, ako aj kvôli jeho nebezpečnosti pre životné prostredie, ak sa s ním nesprávne zaobchádza.
Jeho najpriamejšie využitie, takpovediac, je pri výrobe sulfónované povrchovo aktívne látky, ktoré sa zapracovávajú organickou sulfonáciou alebo sulfuráciou, čo sú základné procesy v priemyselných odvetviach detergenty a čistiace prostriedky.
V automobilovom priemysle Používa sa v olovené akumulátorykde roztok kyseliny sírovej pôsobí ako elektrolyt, čo umožňuje ukladanie a uvoľňovanie elektrickej energie.
V farmaceutického priemyslu Podieľa sa na syntéze mnohých účinných látok a pomocných látok vďaka svojej úlohe ako sulfonačného, dehydratačného a pH upravujúceho činidla v reakčných a čistiacich fázach.
V oblasti upratovanie a údržba domácnostíV kontrolovaných koncentráciách a podľa špecifických receptúr sa používa v niektorých odblokovačov a čističe odtokov, využívajúce ich schopnosť rozpúšťať organické látky. Ich používanie však musí byť mimoriadne opatrné.

opatrenia

Výrobné procesy kyseliny sírovej môžu byť mimoriadne nebezpečné, pretože vo väčšine, ak nie vo všetkých prípadoch, sa zlúčenina zahrieva na extrémne teploty. Preto je dôležité pamätať na to, že pri jej riedení musí byť správne pripravená. naliate na vodu a nikdy nie naopak, pretože to môže spôsobiť agresívne striekanie ktoré môžu spôsobiť vážne popáleniny kože.

Kyselina sírová je veľmi korozívne, oxidačné a dehydratačnéPreto kontakt s tkanivami môže tieto tkanivá vážne poškodiť. Aj minimálne množstvo kyseliny sírovej pri kontakte s pokožkou môže spôsobiť chemické popáleniny veľmi vážne. Kontakt s očami môže spôsobiť trvalé poškodenie a dokonca aj slepota.

Tiež si treba dávať pozor na Nevdychujte výpary alebo aerosóly uvoľňované reakciami kyseliny sírovej s inými látkami, pretože spôsobujú ťažkosti s dýchaním a pocit pálenia v dýchacích cestách. Dlhodobé vystavenie hmlám kyseliny sírovej je spojené s chronickým podráždením a dokonca so zvýšeným rizikom vážnych respiračných problémov.

Hoci samotná kyselina sírová Nie je horľavý, pri kontakte s určitými kovmi uvoľňuje vodíkJe to vysoko horľavý a výbušný plyn. Okrem toho môže byť horľavý v kombinácii s inými materiálmi, dokonca aj s vodou, ak sa s ním správne nezaobchádza, kvôli jeho... exotermická reakcia ktorý vzniká zmiešaním oboch.

Jedným z najdôležitejších opatrení je, aby táto kyselina bola vždy pridať do vody a nikdy nie naopak. Pretože riedenie kyseliny sírovej uvoľňuje veľa tepla, naliatie vody na kyselinu sírovú by mohlo spôsobiť prudkú exotermickú reakciu, ktorá by generovala špliechanie a nebezpečné výpary.

V prípade kontaktu s pokožkou neaplikujte okamžite tlakovú vodu na veľké množstvo koncentrovanej kyseliny bez predchádzajúceho odstrániť prebytok a čiastočne neutralizovať, pretože teplo vznikajúce pri riedení môže zhoršiť poranenie. Odporúča sa dodržiavať postupy uvedené v karta bezpečnostných údajov produktu, v prípade odporúčania použite dostatočné množstvo mydlových roztokov alebo jemných neutralizačných prostriedkov a potom dlhodobo oplachujte tečúcou vodou.

Na zvládnutie tohto problému sa používa osobné ochranné prostriedky Vhodné osobné ochranné prostriedky (OOP): rukavice odolné voči chemikáliám, ochranné okuliare alebo štíty na tvár, ochranný odev, masky alebo dýchacie prístroje, ak existuje riziko vdýchnutia pár alebo aerosólov, a vhodná obuv. Skladovanie by malo byť v nádobách. schválené a odolné voči korózii, ako je polyetylén s vysokou hustotou alebo špeciálne sklenené nádoby, na chladných a vetraných miestach a mimo dosahu nekompatibilných látok (silné zásady, reaktívne kovy, redukčné činidlá, horľavé organické materiály atď.).

Kompatibilita a nekompatibilita kyseliny sírovej

Pri navrhovaní alebo používaní zariadení, ktoré manipulujú s kyselinou sírovou, je nevyhnutné vedieť, čo materiály sú kompatibilné a ktoré to sú nekompatibilných alebo nebezpečné.

Kompatibilné: voda (kyselina sa vždy pridáva do vody), odolné plastové materiály ako napr. polyetylén s vysokou hustotou (HDPE), niektoré fluórované polyméry a borosilikátové sklo alebo odolnú keramiku.
Nekompatibilné: reaktívne kovy (hliník, zinok, horčík atď., ktoré uvoľňujú vodík), horľavé organické materiály, silné alkalické látky (hydroxidy), redukčné činidlá (siričitany, dusitany atď.) a látky, ktoré môžu vyvolať prudké alebo nekontrolované exotermické reakcie.

Správny výber materiálov a návrh vhodných systémov izolácie a vetrania výrazne znižujú riziká spojené s únikmi, koróziou zariadení a nehodami.

Kyselina sírová sa stala nevyhnutnou vstupnou surovinou pre moderný priemysel, je základom pri výrobe hnojív, rafinácii ropy, syntéze nespočetných chemických zlúčenín a pri výrobe batérií, detergentov, vlákien a pokročilých materiálov. Dôkladné pochopenie jej vlastností, histórie, výrobných procesov a predovšetkým bezpečnostných opatrení pri jej manipulácii a skladovaní nám umožňuje maximalizovať jej potenciál a zároveň udržiavať riziká pre ľudí a životné prostredie pod kontrolou.