Kyselina sírová: složení, výrobní procesy, průmyslové využití a bezpečnost

Tato sloučenina je v průmyslových odvětvích po celém světě tak široce používána, že její použití dokonce určuje úroveň rozvoje v tomto odvětví v rámci jednotlivých zemí. Produkce kyseliny sírové je extrémně vysoká, protože má mnoho vlastností, díky nimž je vynikající pro výrobu a produkci určitých materiálů, které jsou celosvětově velmi oblíbené. Má vlastnosti, které jí dávají... korozivní síla neuvěřitelné, odtud jeho příslušný název.

Ve středověku byla tato sloučenina známá jako vitriolový olej, jehož jméno dali tehdejší alchymisté přibližně mezi 8. a 9. stoletím. Tato století byla také nejdůležitější z hlediska jeho objevu a začátku studia jeho funkcí.

Existuje několik způsobů pro získání kyseliny sírové, jeden z nich je následující proces v olověné komoře Nejstarší ze všech, který lze stále pozorovat v historických kontextech nebo starších zařízeních. Po dlouhou dobu se běžně používal v průmyslu hnojiv k usnadnění jeho výroby.

Postupy pro získání této kyseliny mohou být velmi nebezpečné, pokud nejsou přesně známy všechny kroky, které je třeba dodržet, protože vzniká velké množství tepla A její tělo je zase velmi horké, takže jakýkoli postříkání by mohl způsobit těžké popáleniny.

Složení kyseliny sírové

Toto je jedna z nejpoužívanějších sloučenin na světě, přičemž nejvíce kyseliny sírové se používá v průmyslu... výrobci hnojivNejsilnější vlastností této kyseliny je, že je součástí extrémně korozivnía jeho správný chemický vzorec je H₂SO₄.

Kyselina sírová je komponent s celosvětově nejvyšší produkcíJe to proto, že má určité vlastnosti, které umožňují výrobu nespočtu odvozených produktů, a lze jej také použít pro syntéza dalších látek jako jsou kyseliny, sírany, fosfátová hnojiva, detergenty a široká škála organických a anorganických sloučenin.

Ve starověku byl známý jako olej nebo vitriol, protože se získával z minerálů obecně známých jako jedovaté výlevy (krystalické sírany různých kovů). Tuto sloučeninu lze obecně získat z oxidu siřičitého procesem zvaným oxidace oxidy dusíku ve vodném roztokunebo katalytickou oxidací v kontaktním procesu. Po jeho získání je nutné provést další procesy, aby se zvýšit koncentraci z toho až do hodnot blízkých 98 % hmotnostních pro průmyslové použití.

Dva atomy vodíku v této molekule jsou vázány na dva atomy kyslíku. V závislosti na roztoku mohou být tyto atomy vodíku... distancovat ve vodě, uvolňujíc protony (H⁺) a dodává mu silně kyselý charakter.

Molekula kyseliny má zvláštní tvar zkreslený pyramidální nebo tetraedrickýJe charakterizován tím, že má atom síry uprostřed, zatímco atomy kyslíku jsou viditelné ve čtyřech rozích. Ve vodě se chová jako silná kyselina při své první disociaci, což vede k hydrogensulfátovému aniontu (HSO₄^-), ačkoli při druhé disociaci se projevuje jako slabá kyselina, což vede ke vzniku sulfátového aniontu (SO₄^2-).

Fyzikální a chemické vlastnosti kyseliny sírové

Kromě svého složení má kyselina sírová řadu dalších fyzikálně-chemické vlastnosti což vysvětluje, proč je tak všestranný a zároveň tak nebezpečný.

• Chemický vzorec: H₂SO₄.
• Přibližná molární hmotnost: X.
• Hustota (koncentrovaná kyselina): kolem 1,84 g / cm³ při pokojové teplotě, což naznačuje, že je mnohem hustší než voda.
• Bod tání: blízko 10 ºC, takže to může částečně ztuhnout ve velmi chladném prostředí.
• Bod varu: kolem 337 ºC, což z něj činí kapalinu s vysoký bod varu.
• Rozpustnost ve vodě: zcela mísitelnýale rozpuštění je silné exotermický (Uvolňuje hodně tepla).
• pH (velmi koncentrovaná kyselina): pod 1, což naznačuje extrémně vysokou kyselost.
• Vzhled: tekutý bezbarvý nebo mírně nažloutlý, olejovitý a viskózní, se sotva znatelným zápachem, který však může být spojen se sloučeninami síry, pokud jsou přítomny nečistoty.
• Další vlastnosti: je to sloučenina hygroskopický (absorbuje vodu z prostředí), oxidants velkým dehydratační síla (schopný odstraňovat vodu z mnoha látek, dokonce i organických, jako jsou cukry a tkáně).

Tyto vlastnosti vysvětlují, proč se kyselina sírová používá jako dehydratační činidlo pro sušení plynů a kapalin, jako např. oxidant v chemických reakcích a jako nezbytná složka v mnoha syntetických procesech.

Tvorba kyseliny sírové

To lze nalézt v různých komerčních oblastech v různých prezentacích, od nejčistšího až po všechny typy směsí z něj odvozených, které se měří pomocí stupně čistoty a soustředění.

Aby se kyselina sírová vytvořila, je nutné ji získat určitými procesy, z nichž nejznámější a nejpoužívanější jsou ty, které... olověná komora a kontaktní procesPrvní je nejstarší metoda pro získání této sloučeniny a ačkoli dnes kontaktní proces dominuje průmyslové výrobě, olověné komory byly po dlouhou dobu technikou používanou v průmyslu hnojiv a lze je stále pozorovat ve starých zařízeních nebo v historických kontextech.

Tuto sloučeninu je možné získat v laboratořích. je dosaženo průchodem proudu plynu oxidu siřičitého v roztoku peroxidu vodíku. Tímto procesem se dosáhne koncentrace kyseliny sírové odpařování vody dokud není dosaženo požadované úrovně koncentrace.

Kontaktní proces

Při tomto procesu získávání kyseliny sírové lze pozorovat směs plynů, která obsahuje přibližně mezi 7 a 10% z operačního systému₂, podle zdroje produkce, a přibližnou hodnotu mezi 11 a 13% kyslíku. Tato směs je pak... předehřátí a ladění s maximální důsledností k odstranění nečistot, jako je prach, sloučeniny arsenu nebo jiné látky, které by mohly poškodit následný katalyzátor.

Jakmile je směs plynů co nejvíce vyčištěna, prochází přes konvertor jednoho nebo více katalytických ložisek, ve kterých se tradičně používal platinový katalyzátor, a následně oxid vanadičný na pevných nosičích. V těchto katalytických ložiscích dochází k následujícímu: Oxidace SO₂ a SO₃Obvykle se pro dosažení maximální možné účinnosti používají dva nebo více měničů nebo několik lůžek zapojených do série.

Výroba této sloučeniny prostřednictvím spalování elementární síry Obvykle má lepší energetickou bilanci, což nutně nevyžaduje přísné čisticí systémy, které jsou v jiných případech povinné. Pokud se oxid siřičitý vytváří pražením sulfidických minerálů, jako je pyrit, je obvykle nutné složitější čištění plynu.

Mezi nimi je velký rozdíl Výroba SO₂ spalováním síry a druhá metoda známá jako pražení pyritůzvláště pokud se jedná o arsen. Je to proto, že druhý způsob v konečném výsledku zanechává mnoho nečistoty které se nikdy nelze úplně zbavit.

V závodě v normálním provozu je konverzní výkon SO₂ na SO₃ se pohybuje od 96% a 97%protože jeho účinnost časem klesá. Tento efekt je častěji pozorován v zařízeních používajících výchozí pyrity s vysokým obsahem arsenu, který nelze ze sloučeniny zcela odstranit, a proto doprovází plyny, které procházejí katalýzou, což způsobuje... otrava katalyzátoremTo je hlavní příčina náhlého poklesu výkonu.

Ve druhém konvertoru mají plyny dobu zdržení přibližně 2 až 4 sekund, a v tomto případě musí být teplota mezi 500 a 600 °C k dosažení optimální rovnovážné konstanty a maximální konverze za nejnižší možné náklady.

Po předchozím procesu se plyny z katalýzy ochladí na teplotu blízkou 100 ºCa poté projděte oleum towerDíky tomu je dosaženo částečné, nikoli úplné absorpce SO₂.₃Zbývající plyny z tohoto procesu procházejí druhou věží, kde se sloučenina čistí a promývá koncentrovanou kyselinou sírovou. Po dokončení všech těchto kroků se odpad odstraní. odpadní plyny komínem do atmosféry, splňující přísné environmentální požadavky.

Během tohoto procesu obrovské množství teplo (exotermická reakce), která se v mnoha moderních zařízeních používá k výrobě vodní pára a z toho, elektrická energieVe velkokapacitních zařízeních se velmi významná část tohoto tepla prodává jako pára nebo se používá interně k napájení jiných průmyslových procesů, čímž se zlepšuje celková energetická účinnost.

Proces vedoucí komory

Tento konkrétní proces je nejstarší známou metodou výroby a získávání kyseliny sírové. V něm SO₂₃ plyn vstupuje do reaktoru známého pod jménem věž s rukavicemi, kde prochází procesem praní s dusný vitriolcož je kyselina sírová s rozpuštěnými částicemi oxidů dusíku a oxidu uhličitého, která je zase smíchána se dvěma typy oxidů dusíku: oxidem dusnatým (NO) a oxidem dusičitým (NO₂).₂).

Velká část zde použitého oxidu sírového(IV) se oxiduje na oxid sírový(VI) a rozpouští se v kyselé lázni za vzniku tzv. kyselina věžcharakteristické pro Gloverovu věž. Tento systém využívá cyklu oxidů dusíku jako oxidačních a regenerovatelných meziproduktů v rámci procesu.

Poté, co směsi plynů projdou Gloverovou věží, jsou odvedeny do komora s olovem (odtud jejich název), kde jsou ošetřeny velkým množstvím vody. Tyto komory mají různé tvary v závislosti na kritériích výrobce, mezi nimiž nejběžnější jsou náměstí nebo ty, které mají tvar podobný tvaru kužel.

Kyselina sírová kondenzuje na stěnách, vzniká řadou reakcí a hromadí se na dně komory s olovem. Typicky lze pozorovat přítomnost mezi 3 až 6 kamer postupně. Konečný produkt získaný z těchto komor je obvykle známý jako kyselina z fotoaparátu, nebo častěji jako kyselina hnojivaprotože jeho koncentrace je obvykle nižší než koncentrace kyseliny získané kontaktním procesem.

V závěrečné fázi tohoto procesu plyny procházejí dalším reaktorem, tzv. Gay-Lussacova věžkde začíná kontinuální proces čištění s použitím koncentrovaných, studených kyselin z Gloverovy věže. Nakonec se nezpracované plyny uvolňují do atmosféry, ideálně s co nejnižším obsahem kontaminantů.

Historie kyseliny sírové

Jejich počátky sahají až do středověku, kdy místo vědců byli alchymisté Ti, kteří experimentovali s látkami získanými ze Země, z nichž většina byla přírodní, ačkoli některým se podařilo vyrobit sloučeniny. To je případ Džabir ibn Hajján, který byl jedním z průkopníků v popisu kyseliny sírové pomocí metod zahrnujících destilaci síranových minerálů a směsí s jinými sloučeninami.

Později, v následujících stoletích, se kyselina začala hlouběji studovat, protože byly rozpoznány její pozoruhodné vlastnosti a potenciální využití pro výrobu nových artefaktů a produktů. Tento proces si v té době získal popularitu díky pojednáním a knihám Arabů i Peršanů a později i evropských alchymistů.

V tehdejší Evropě, konkrétně ve středověku, byla kyselina sírová známá jako skaliceVitriol, neboli vitriolová sloučenina, vitriolový louh nebo vitriolový olej, byl získán z krystalů síranové soli. Slovo vitriol pochází z latiny. sklovitý, který odkazuje na krystalické soli síranu a jeho překlad do španělštiny by byl krystal.

Tato složka se od svého vzniku ukázala být pro alchymisty velmi zajímavá, a to natolik, že v určitých dobách byla považována za možnou Kámen mudrcůačkoli mezi jeho nejběžnější použití patřilo reagovat s látkami za účelem pozorování změn barvy, sraženin a transformací.

Johann Glauber, německý chemik nizozemského původu, se podařilo získat kyselinu sírovou neboli vitriol procesem... spalování síry s dusičnanem draselným za přítomnosti vodní páry. Důvodem bylo, že při rozkladu dusičnanu draselného bylo možné pozorovat oxidaci síry na SO₂.₃který po smíchání s vodou poskytl sloučeninu. To se stalo skvělou metodou pro komercializaci kyseliny sírové, protože její výroba byla jednodušší. masová produkce.

Kolem poloviny 18. století, kolem roku 1746, se začala používat metoda komor s olovnatou vložkou, která stabilizovala průmysl výroby olova a umožnila širší obchod. Později, v 19. století, byly vyvinuty udržitelnější a efektivnější procesy; v roce 1831 byl zaveden přístup, který s následným zlepšením katalyzátorů a absorpce vedl k kontaktní proces který dnes zajišťuje většinu dodávek.

Počáteční úrovně koncentrace starých procesů byly relativně nízké, přibližně jedna 40%Toto se však zlepšilo studiem vlastností sloučeniny, což vedlo k výrobě nových produktů, které vyžadovaly vyšší koncentrace. S vylepšeními katalyzátorů a absorpčních systémů se kyselina sírová začala vyrábět ve stále čistší a koncentrovanější formě a stala se... pilíř moderního chemického průmyslu a v klíčovém ukazateli úrovně industrializace zemí.

Kyselina sírová o koncentraci 98 % a jiné koncentrace

V průmyslovém sektoru je jednou z nejdůležitějších prezentací 98% kyselina sírovácož je považováno za prakticky koncentrované. Tato čistota je zásadní pro provádění procesů, které vyžadují přesné ovládání kyselosti a minimalizovat přítomnost vody.

Z této koncentrované kyseliny je možné připravit roztoky o různých koncentracích. komerční koncentracekteré jsou přizpůsobeny specifickému použití v průmyslu, zemědělství, automobilovém průmyslu nebo úklidu. Některé běžné koncentrace jsou:

• 30-40%: používá se v určitých povrchových úpravách a specifických formulacích, se střední, ale stále velmi korozivní kyselostí.
• 50-60%používá se v průmyslových procesech, které vyžadují rovnováhu mezi reaktivitou a manipulací, například v některých fázích výroby hnojiv nebo detergentů.
• 98%vysoce koncentrovaná kyselina, typická pro kontaktní proces, používaná jako základní surovina pro většinu průmyslových aplikací a pro výrobu olej (směs kyseliny sírové s SO)₃).

Ovládání soustředění je klíčové, protože je nezbytné pro výkon ostatních. viskozita, Reakční kapacitase riziko koroze vybavení a materiálů, jakož i bezpečnostní požadavky při přepravě a skladování.

Aplikace a bezpečnostní opatření kyseliny sírové

Jakmile jsou známy všechny aspekty a historie toho, jak byla tato sloučenina poprvé získána, je nesmírně důležité vědět, co to je. nejběžnější aplikace a opatření To je třeba vzít v úvahu, protože ve většině těchto procesů se látka zahřívá na takovou úroveň, že by v případě kontaktu mohla kohokoli vážně popálit.

Nejběžnější aplikace

• někteří průmyslových procesů Výrobci dřeva a papírenských výrobků potřebují kyselinu sírovou, stejně jako textilní průmysl, kde se používá k... úprava vláken a úprava pH v různých fázích zpracování.
• Průmysl výroby hnojiv zaznamenal zvýšenou spotřebu a poptávku po této sloučenině, protože její složky jsou velmi účinné pro... výroba fosfátových hnojiv a anorganické. Je to proto, že působí jako činidlo pro tvorbu kyselina fosforečná y síran amonný, mimo jiné, které se používají jako hnojiva.
• Ve většině případů se tato sloučenina používá jako surovinaačkoli se to v konečném produktu jen zřídka projeví. Zasahuje to jako katalyzátor, dehydratační nebo oxidační činidlo v mnoha chemických syntetických procesech.
• Mezi nejdůležitější využití patří čištění ropyÚpravy oceli (moření a čištění kovových povrchů), výroba pigmentů, výroba výbušniny, plasty, syntetická vlákna a detergenty, stejně jako těžba neželezné kovy jako je měď, nikl nebo zinek.
• Slouží jako metoda zpracování kovů různé materiály, jako je ocel, měď, vanad a další, odstraňování povrchových oxidů a příprava povrchů pro nátěry, zinkování nebo následné úpravy.
• V některých zemích je jeho používání striktně monitorováno úřady protože může být použit při výrobě nelegálních drog nebo výbušnin, a také kvůli jeho nebezpečnosti pro životní prostředí, pokud se s ním nesprávně zachází.
• Jeho nejpřímější využití, takříkajíc, je při výrobě sulfonované povrchově aktivní látky, které se zabudovávají organickou sulfonací nebo sulfurací, což jsou základní procesy v průmyslových odvětvích detergenty a čisticí prostředky.
• V automobilový průmysl Používá se v olověné bateriekde roztok kyseliny sírové působí jako elektrolyt, což umožňuje ukládání a uvolňování elektrické energie.
• V farmaceutického průmyslu Podílí se na syntéze řady účinných látek a pomocných látek díky své roli jako sulfonačního, dehydratačního a pH upravujícího činidla v reakčních a purifikačních fázích.
• V oblasti úklid a údržba domácnostíV kontrolovaných koncentracích a za specifických receptur se používá v některých odblokovače a čističe odpadů, využívající jejich schopnost rozpouštět organické látky. Jejich používání však musí být extrémně opatrné.

Opatření

Výrobní procesy kyseliny sírové mohou být extrémně nebezpečné, protože ve většině, ne-li ve všech případech, se sloučenina zahřívá na extrémní teploty. Proto je nezbytné pamatovat na to, že při jejím ředění musí být správně připravena. nalil na vodu a nikdy naopak, protože to může způsobit agresivní postříkání které mohou způsobit těžké popáleniny kůže.

Kyselina sírová je velmi korozivní, oxidační a dehydratačníKontakt s tkáněmi je proto může vážně poškodit. I minimální množství kyseliny sírové při kontaktu s kůží může způsobit chemické popáleniny velmi vážné. Kontakt s očima může způsobit trvalé poškození a dokonce i slepota.

Také si musíte dávat pozor na Nevdechujte výpary nebo aerosoly uvolňované reakcemi kyseliny sírové s jinými látkami, protože způsobují potíže s dýcháním a pocit pálení v dýchacích cestách. Dlouhodobé vystavení mlhám kyseliny sírové je spojeno s chronickým podrážděním a dokonce i se zvýšeným rizikem vážných dýchacích problémů.

Ačkoli samotná kyselina sírová Není hořlavý, při kontaktu s určitými kovy uvolňuje vodíkJe to vysoce hořlavý a výbušný plyn. Kromě toho může být při nesprávném zacházení hořlavý v kombinaci s jinými materiály, dokonce i s vodou, a to kvůli jeho... exotermická reakce který vzniká smícháním obou.

Jedním z nejdůležitějších opatření je, aby tato kyselina byla vždy přidat do vody a nikdy naopak. Protože ředění kyseliny sírové uvolňuje velké množství tepla, nalití vody na kyselinu sírovou by mohlo vyvolat prudkou exotermickou reakci, která by generovala šplouchání a nebezpečné výpary.

V případě zasažení kůže neaplikujte okamžitě tlakovou vodu na velké množství koncentrované kyseliny bez předchozího odstranit přebytek a částečně neutralizovat, protože teplo vznikající při ředění může poranění zhoršit. Doporučuje se dodržovat postupy uvedené v bezpečnostní list produktu, v případě potřeby použijte dostatečné množství mýdlových roztoků nebo jemných neutralizačních prostředků a poté dlouze oplachujte tekoucí vodou.

K jeho zvládnutí se používá osobní ochranné prostředky Vhodné osobní ochranné prostředky (OOP): rukavice odolné vůči chemikáliím, ochranné brýle nebo štíty na obličej, ochranný oděv, masky nebo dýchací přístroje, pokud existuje riziko vdechnutí par nebo aerosolů, a vhodná obuv. Skladování by mělo být prováděno v nádobách. schválené a odolné proti korozi, jako je polyethylen s vysokou hustotou nebo speciální skleněné nádoby, na chladných a větraných místech a mimo dosah nekompatibilních látek (silné zásady, reaktivní kovy, redukční činidla, hořlavé organické materiály atd.).

Kompatibility a nekompatibility kyseliny sírové

Při navrhování nebo používání zařízení, která manipulují s kyselinou sírovou, je nezbytné vědět, co materiály jsou kompatibilní a co jsou zač? nekompatibilné nebo nebezpečné.

• Kompatibilní: voda (kyselina se vždy přidává do vody), odolné plastové materiály jako např. polyethylen s vysokou hustotou (HDPE), některé fluoropolymery a borosilikátové sklo nebo odolnou keramiku.
• Nekompatibilní: reaktivní kovy (hliník, zinek, hořčík atd., které uvolňují vodík), hořlavé organické materiály, silné alkalické látky (hydroxidy), redukční činidla (siřičitany, dusitany atd.) a látky, které mohou vyvolat prudké nebo nekontrolované exotermické reakce.

Správný výběr materiálů a návrh vhodných systémů pro zadržování a větrání výrazně snižují rizika spojená s úniky, korozí zařízení a nehodami.

Kyselina sírová se stala nezbytnou vstupní surovinou pro moderní průmysl, zásadní při výrobě hnojiv, rafinaci ropy, syntéze nesčetných chemických sloučenin a při výrobě baterií, detergentů, vláken a pokročilých materiálů. Důkladné pochopení jejích vlastností, historie, výrobních procesů a především bezpečnostních opatření pro její manipulaci a skladování nám umožňuje maximalizovat její potenciál a zároveň udržet rizika pro lidi a životní prostředí pod kontrolou.