Күкірт қышқылын алудың контакт әдісі. Химия, 11 сынып, қосымша материал 1.

 Күкірт қышқылы

 Күкірт қышқылы — химиялық өндірістің көбінде қолданылатын негізгі өнім. Басқа қышқылдармен салыстырғанда, химия өнеркәсібінде кең көлемде қолданылуына сәйкес күкірт қышқылы бірінші орында тұр. Ол басқа бейорганикалық қышқылдарды HCl, HNO₃, Н3РO₄ және минералдық тыңайтқыштарды алуда кеңінен пайдаланылады. Металлургияда түсті металдар алу үшін мұнай өңдеуде түрлі өнімдерді тазартуға, қопарылғыш заттар, жасанды талшықтар, бояулар, дәрі-дәрмектер парфюмерия өндіруде, тері илеуде және пластмасса синтездеуде алатын орны ерекше.

 Күкірт қышқылы өндірісі

 Күкірт қышқылын өндірісте екі түрлі әдіспен өндіреді – контакт (байланыс) және нитрозды.

 Басқа әдістермен салыстырғанда, барлық мақсатта қолдануға жарамды, таза күйінде концентрлі күкірт қышқылы алынатындықтан және қоршаған ортаға таралатын зиянды қалдықтардың мөлшері аз болғандықтан көбіне өндірісте байланыс әдісі көп қолданылады.

 Негізгі шикізат көзі:

• Күкірт, S;
• Күкірт колчеданы немесе пирит, FeS₂;
• Түсті металл сульфидтері, Cu2S, ZnS, PbS;
• Күкіртсутек, H₂S;

Көмекші материал:

Катализатор – ванадий (V) оксиді, V₂O₅;

Бірінші кезең

1. Пириттің жануы.

•  Пиритті жоғары температурада жақпас бұрын, алдымен оны ұсақтайды. Реакцияға қатысатын заттарды ұнтақтағанда, жанасу ауданы артып, реакцияның жылдамдығы артады;
•  Ұнтақталған пиритті флотация әдісі* арқылы қоспалардан тазартады. Үгітілген, тазартылған дымқыл (флотациядан кейінгі) пиритті пеш үстіне «қайнау қабатына» кептіру үшін салады. Пиритті толық жағу үшін астынан (керіағыс принціпі бойынша) оттекпен байытылған ауа жібереді. Пириттің жануы 800⁰С температуарада жүреді:

4FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

 Реакция нәтижесінде бөлінетін жылудың арқасында пеш температурасы түспейді. Артық жылу пеш периметірі бойынша орналасқан суы құбырлары арқылы алынып, өндіріс орнына жақын орналасқан тұрғын үйлерді жылыту үшін қолданылады. Жану нәтижесінде алынған темір (ІІІ) оксидін, Fe₂O₃ күкірт қышқылы өндірісінде қолданбайды. Бірақ оны жинап, металлургиялық комбинаттарға жібереді. Онда темір (ІІІ) оксидінен - темір металы мен оның көміртекпен балқымалары болат (2% С) және шойын (4% С) алады.

2. Пеш газын тазалау

Пештен бөлініп шығатын газдар құрамында - SO₂, O₂, су буы (пирит дымқыл болған!) және шаң-тозаңдар болғандықтан, SO₂ газын түрлі қоспалардан, яғни қатты бөлшектер мен су буынан тазарту қажет.

Пеш газынан – күйе (темір оксиді) бөлшектерінен тазалау екі кезеңнен тұрады.

Циклон

 Циклонда ортадан тепкіш күш нәтижесінде қатты бөлшектер циклон қабырғасына соғылып қатты бөлшектер астына тұнады. Циклонда қоспа ауыр шаңдар мен ірі шаң тозаңнан тазартылады.

 Электрофильтр

 Электростатикалық тартылыс нәтижесінде ионды қосылыс темір (ІІІ) оксиді зарядталған торға немесе сымға тартылып, нәтижесінде өздерінің ауырлық күкішінің нәтижесінде астына тұнады. Қоспа электрофильтрде ұсақ шаңдардан тазартылып, нәтижесінде қоспада тек қана су буы, оттегі және күкірт диоксиді ғана қалады.

 Кептіргіш мұнара

 Пеш газынан су буын жою үшін (пеш газын құрғату) концентрленген күкірт қышқылы қолданылады, себебі күкірт қышқылы суды сіңіргіш, өте жақсы құрғатқыш болып табылады. Пеш газын құрғату кептіргіш мұнарасында жүреді. Кептіргіш мұнарадан шыққан кезде пеш газы қоспалардан тазарып, тек оттегі, О₂ мен күкірт диоксиді, SO₂ қоспасынан тұрады.

2. Күкірт диоксидінің тотығуы.

Жылуалмастырғыш немесе контакт аппараты

 Екінші сатының қиындығы, бір оксидтің екінші оксидке тотығуы қайтымды реакция болып табылады. Сол себепті тура реакцияның жүруіне оптималды жағдайлар жасау керек (SO₃ алу үшін).

 2SO₂ + O₂ 2SO₃ + Q

а) Температура

 Тура реакция экзотермиялық болып табылады (+Q) химиялық тепе-теңдік заңдылықтарына сәйкес, реакция тепе-теңдігін экзотермиялық реакция бағытына қарай ығыстыру үшін жүйеде температураны төмендету керек. Бірақ, температураны төмендеткен жағдайда реакция жылдамдығы айтарлықтай төмендейді. Тәжірибелік жолмен химик-технологтар SO₃ –тің көп мөлшері түзіле жүретін тура реакция үшін оптималды температура 400-500⁰С болатынын анықтады. Бұл температура - химиялық өндірістерде төмен температура болып саналады. Осындай төмен температурада жүретін реакция жылдамдығын арттыру үшін катализаторлар енгізіледі. Осы процесс үшін ең жақсы катализатор ванадий (V) оксиді V₂O₅ екені тәжірибелік жолмен анықталған.

б) қысым:

Тура реакция газ көлемдерінің азаюымен жүреді: газдардың сол жағыда 3 көлем (2 көлем SO₂ және 1 көлем O₂), ал оң жағында - 2 көлем SO₃. Тура реакция газ көлемдерінің азаюымен жүретіндіктен химиялық тепе-теңдік ығысу заңдылықтарына сәйкес жүйеде қысымды арттыру керек. Сол себепті бұл процесс жоғары қысымда жүреді. SO₂ және O₂ қоспасы контактті аппаратқа түспес бұрын, оны алдымен 400-500°С температураға дейін қыздыру керек. Қоспа контактті аппарат алдында орнатылған жылу алмастырғышта қыздырылады. Қоспа жылу алмастырғыш трубкалар арасынан өтіп, қыздырылады. Трубкалар ішінде контактті аппараттан SO₃ өтіп жатады. SO2 және O₂ қоспасы контактті аппаратқа түсіп, қажет температураға жеткенше трубкалар арасынан өту арқылы қыздырыла береді.

 Аппараттағы температура 400-500⁰С, SO₂ -нің SO₃- ке тотығу процесінде бөлінген жылу әсерінен температура қалыпты болады. Оксид пен оттек қоспасы катализаторлық қабатқа жеткен кезде, SO₂-нің SO₃ -ке тотығу процесі басталады. Түзілген күкірт оксиді SO₃ контактті аппараттан шығып, жылу алмастырғыш трубкалары арқылы сіңіргіш мұнараға түседі.

 3. H₂SO₄ – ті алу

 Сіңіргіш мұнара

 Не себепті күкірт оксидін SO₃ суда ерітіп күкірт қышқылын алмайды? Бұл жағдайда реакция теңдеуі мындай болар еді:

 SO₃ + H₂O H₂SO₄ + Q

 Бірақ, егер күкірт оксидін сіңіру үшін суды қолданған кезде тұман түрінде күкірт қышқылының ұсақ тамшылары түзілер еді; (күкірт оксиді суда еріген кезде үлкен мөлшерде жылу бөлінеді, күкірт қышқылы қатты қызғаны сонша, ол қайнап буға айналады). Күкірт қышқылды тұман түзілуін болдырмау үшін 98%-ды концентрленген күкірт қышқылын қолданады. Судың екі пайызы - бұл көрсеткіш аз болып саналады, сұйықтықтың қыздырылуы әлсіз және қауіпсіз болады. Күкірт оксиді мұндай қышқылда жақсы еріп, олеум түзеді: H₂SO₄·nSO₃.

 Осы процестің реакция теңдеуі:

 nSO₃ + H₂SO₄ H₂SO₄·nSO₃

 Түзілген олеумді металдық резервуарларға құйып, қоймаларға жіберіледі. Сосын олеуммен цистерналарды толтырып, теміржолдар арқылы тұтынушыға жіберіледі.

*Флотация (фр. flottation — су бетіне қалқып шығу) — сулы ортадағы бір минералды басқа минералдан ажыратып алу әдісі. Ол бір минерал бөлшегінің ауа көпіршігіне жабысып көбік қабатына ауысуына (концентрат), ал басқа минералдың су түбіне шөгіп қалуына (шөгінді, қалдық) негізделген. Флотацияны тиімді жүргізу үшін минерал бетінің физика-химия қасиеттері флотация реагенттермен күшейтіледі. Флотация машиналарда жүргізіледі. Флотацияның майлы, қабыршақты, көбікті деп аталатын түрлері бар. Флотация сирек кездесетін және құрамында өте аз заттарды байытып, бөліп алу үшін кеңінен қолданылады. Флотациялық машиналардың қуаттылығы 100 мың т-ға жетеді.