Короткі відомості про процес

Першою стадією виробництва сірчаної кислоти є отримання оксиду сірки (ІV) в складі пічного газу при спалюванні сірки, сульфідних руд або іншої сірковмісної сировини.

При обпалюванні колчедану FeS₂ йде кілька реакцій. Спочатку йде розкладання FeS₂ з утворенням FeS та виділенням сірки в пароподібному стані:

2 FeS ₂ = 2 FeS + S₂.

Виділення сірки починається при температурі 500 °С та значно прискорюється з підвищенням температури. Пари сірки згоряють з утворенням оксиду сірки (ІV):

S_(г)+0_2(г)= S0₂(_г).

FeS також згоряє, а сумарний процес горіння колчедану при великому надлишку кисню протікає з утворенням оксиду заліза за рівнянням:

4 FeS ₂ + 110₂ = 2Fе₂0₃ + 8S0₂ + 3420 кДж,

а для меншої кількості кисню, високої температури та підвищеного вмісту оксиду сірки (ІV) в газі - з утворенням Fе₃0₄:

З FeS₂ + 80₂ = Fе₃0₄ + 6S0₂ +2430 кДж.

Ці реакції практично необоротні. Швидкість цих реакцій зростає із зростанням температури, концентрації кисню в газовій суміші, поверхні контакту та концентрації реагуючих речовин. Швидкість процесу окислення колчедану лімітується дифузією кисню та оксиду сірки (ІV) всередині зерен колчедану, тому процес дуже прискорюється із зменшенням розміру часточок сировини. Інтенсивність процесу обпалювання залежить також від умов припливу та видалення газів з поверхні кожного зерна. Іншими словами, швидкість горіння колчедану, за інших рівних умов, як і швидкість інших гетерогенних процесів, обмежується швидкістю дифузійних процесів.

Гази, що виходять з печі, містять оксид сірки (ІV), надлишок кисню, азот, вологу, й приблизно 0.5 % оксиду сірки (VІ). Випалювання сірки з колчeдану як правило, відбувається не повністю і в недогарок переходить невелика кількість колчедану, що не розклався. Тому недогарок вміщує крім Fе₂0з, ще Fе₃0₄. FеS та домішки інших металів і їх оксидів.

Таким чином, швидкість процесу обпалення колчедану FeS₂ залежить від багатьох факторів: масової частки сірки в колчедані, ступеня вилучення, температури, об’ємної частки кисню в зоні обпалення, інтенсивності перемішування колчедану, його хімічного та мінералогічного складу, швидкості потоку повітря і відводу газоподібних продуктів із зони реакції.

2. Обладнання, хімічні реактиви:

Ресивер ГОСТ 8682-70.

Компресор УКМ.

Склянка Тищенко ГОСТ 8682-70.

Ротаметр-витратомір ГОСТ 13045-81.

Крани ГОСТ 7995-80Е.

Поглинальні склянки ГОСТ 8682-70.

Триходовий кран ГОСТ 7995-80Е.

Розходомір повітря ГОСТ 13045-81.

Термопара ГОСТ 3044-84 (СТСЕВ 1059-85).

Термометр ГОСТ 28498-90.

3. Порядок виконання роботи

3.1. Схема лабораторної установки

Схема зображена на рисунку 5.1.

Повітря для горіння подається за допомогою компресора 1 через ресивер 2, осушувач повітря, ротаметр 3 в трубчасту піч 4. Відведення газів здійснюється через вихідний отвір з кварцової трубки трубчастої печі через поглиначі 5.

1 - компресор, 2 - ресивер, 3 - ротаметр, 4 - трубчаста піч, 5 - поглинальні склянки. Рисунок 5.1 - Схема установки для дослідження процесу обпалення сірковмісного колчедану

Методика проведення досліду

Для проведення досліду вмикають піч для нагрівання і доводять температуру до необхідної межі (для колчедану 700-800 °С; для сірки 300- 400 °С). Далі беруть наважку колчедану (сірки), кладуть у фарфоровий човник, який швидко вміщують всередину кварцової трубки. Вихідний кінець кварцової трубки щільно закривають гумовою пробкою, яка за допомогою вмонтованої скляної трубки та газопроводу з’єднана із вхідним отвором поглинача. Швидкість подачі повітря регулюється за допомогою триходового крана. Момент переключення повітря на піч фіксується як початок досліду.

Записавши час, за який знебарвиться розчин йоду, у першому поглиначі переключають гази, що виходять на інший поглинач. Поглиначі по мірі знебарвлення розчину перезаряджають новим поглинальним розчином та замінюють в установці. Всі ці дії повторюють, доки поглинальний розчин не перестане знебарвлюватися. До складу поглинального розчину входить: 10- 30 см³ 0,5 н розчину І₂ та 50-60 см³ дистильованої води.

За кількістю знебарвленого йоду розраховують кількість SO₂, що утворилася за певний проміжок часу. Якщо віднести цю кількість до теоретично можливої при повному вигорянні сірки, то отримаємо ступінь вигоряння сірки за певний час.

Приклад: нехай у піч завантажено 5г колчедану, який містить 40 % сірки. Теоретично можливо отримати сірчистого газу, г:

Якщо у поглинальну склянку налито 30 см³ 0,5н розчину І₂, і він знебарвився за 3 хв, то кількість S0₂, що знебарвила розчин дорівнюватиме, г:

де — 0,001- маса SO₂, яка відповідає 1 см³ 1н розчину І₂, г.

Значить, за перші 3 хв вигоріло сірки, %: 100 = 12%.

Припустимо, що наступна порція розчину йоду знебарвилася за 5 хв, тобто загальний ступінь вигоряння за 8 хв дорівнюватиме 24 %.

Надалі розрахунок проводиться таким же чином і за даними дослідів будується графічна залежність ступеня вигоряння сірки від часу (ɳ = f()).

Потім змінюють початкові умови проведення досліду (температура, об’ємні витрати повітря).

Роботу виконують за таких умов:

• Температура обпалення - 300-750 °С.

• Об’ємні витрати повітря - 300-600 см³/хв.

Результати роботи зводяться в таблицю:

Наважка FeS2, г	Кількість 0,5 н розчину І2, см^3	Вигоріло сірки	Теоретично можлива кількість сірки, %	Ступінь вигоряння сірки, %ɳ
час, хв	кількість SO2, г

 

4. Вивчення процесу обпалювання сірчистого колчедану з використанням багатофакторного планування експерименту

Метою цього етапу роботи є визначення залежності між параметрами оптимізації ɳ (ступінь вигоряння сірки) та температурою обпалення колчедану і об’ємними витратами повітря, тобто отримання інформації про функції ɳ = f(Т, V_n).

Перед тим, як розпочати виконувати завдання, необхідно визначити похибку експерименту - S_у (відтворення результатів), провести кілька паралельних дослідів, за умов коли значення факторів відповідають головному (нульовому) рівню; оцінити похибку Sу, перед тим як приступити до складання матриці планування в кодованих значеннях для отримання лінійної моделі. Складіть план експерименту, погодьте його з викладачем та розпочинайте його реалізацію. За результатами дослідів розрахуйте коефіцієнти лінійної моделі та перевірте її адекватність.

5. Техніка безпеки

При роботі з оксидом сірки (ІV) слід пам’ятати, що навіть при малих концентраціях S0₂ в повітрі дуже подразнюються слизові оболонки. При високих концентраціях з’являються хрипота, відчуття здавленості та біль у грудях, а також запалення слизових оболонок очей. Високі концентрації швидко провокують бронхіт, задишку, втрату свідомості. При попаданні оксиду сірки (ІV) в атмосферу лабораторії необхідно добре провітрити приміщення. Максимально допустима концентрація сірчистого ангідриду в повітрі - 0,01 мг/дм³, поріг сприйняття - 0,006 мг/дм³.

6. Контрольні питання

1. Сировина у виробництві Н₂S0₄.

2. Хімізм процесу випалювання сірки з сірковмісної сировини.

3. Види печей для спалювання сірковмісної сировини.

4. Хімічний аналіз процесу.

7. Література

1. Амелин А.Г. Технология серной кислоты. - М.: Химия, 1983.

2. І.Кельман Р.Н., Бруцкус Е.Б., Омерович Р.Х. Методы анализа и контроля производства серной кислоты и фосфорных удобрений. - М.: Госхимиздат, 1963.

3. Яковлев К.П. Математическая обработка результатов измерений. - М.: ТИТТ, 1985.

 

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7