Fysisk-kjemisk grunnlag for svovelforbrenningsprosessen.
Forbrenningen av S skjer med frigjøring av en stor mengde varme: 0,5S 2g + O 2g = SO 2g, ΔH = -362,43 kJ
Forbrenning er et kompleks av kjemiske og fysiske fenomener. I en forbrenningsanordning må man forholde seg til komplekse felt av hastigheter, konsentrasjoner og temperaturer som er vanskelige å beskrive matematisk.
Forbrenningen av smeltet S avhenger av forholdene for interaksjon og forbrenning av individuelle dråper. Effektiviteten til forbrenningsprosessen bestemmes av tidspunktet for fullstendig forbrenning av hver svovelpartikkel. Forbrenningen av svovel, som bare skjer i gassfasen, innledes av fordampning av S, blanding av dampene med luft og oppvarming av blandingen til t, noe som sikrer den nødvendige reaksjonshastigheten. Siden mer intens fordampning fra overflaten av en dråpe begynner først ved en viss t, må hver dråpe flytende svovel varmes opp til denne t. Jo høyere t, jo mer tid vil det ta å varme opp dråpen. Når en brennbar blanding av damp S og luft med maksimal konsentrasjon og t dannes over overflaten av dråpen, oppstår antennelse. Forbrenningsprosessen til en dråpe S avhenger av forbrenningsforholdene: t og den relative hastigheten til gasstrømmen, og de fysiske og kjemiske egenskapene til flytende S (for eksempel tilstedeværelsen av faste aske-urenheter i S), og består av stadier: 1-blande dråper flytende S med luft; 2-oppvarming av disse dråpene og fordampning; 3-termisk splitting av S-damper; 4-dannelse av gassfasen og dens tenning; 5-forbrenning av gassfasen.
Disse stadiene skjer nesten samtidig.
Som et resultat av oppvarming begynner en dråpe væske S å fordampe, S-damp diffunderer til forbrenningssonen, hvor de ved høy t begynner å aktivt reagere med O 2 i luften, og prosessen med diffusjonsforbrenning av S skjer med dannelse av SO 2.
Ved høy t er hastigheten på oksidasjonsreaksjonen S større enn hastigheten til fysiske prosesser, derfor bestemmes den totale hastigheten til forbrenningsprosessen av prosessene for masse og varmeoverføring.
Molekylær diffusjon bestemmer en rolig, relativt langsom forbrenningsprosess, mens turbulent diffusjon akselererer den. Når dråpestørrelsen avtar, reduseres fordampningstiden. Fin forstøvning av svovelpartikler og deres jevne fordeling i luftstrømmen øker kontaktflaten, noe som letter oppvarming og fordampning av partikler. Når du brenner hver enkelt dråpe S i fakkelsammensetningen, bør 3 perioder skilles: Jeg-inkubasjon; II- intens forbrenning; III- perioden med etterforbrenning.
Når en dråpe brenner, slipper det ut flammer fra overflaten, som minner om solflammer. I motsetning til vanlig diffusjonsforbrenning med utslipp av flammer fra overflaten av en brennende dråpe, kalles det "eksplosiv forbrenning".
Forbrenning av en dråpe S i diffusjonsmodus skjer gjennom fordampning av molekyler fra overflaten av dråpen. Fordampningshastigheten avhenger av de fysiske egenskapene til væsken og t av miljøet, og bestemmes av egenskapen til fordampningshastigheten. I differensialmodus lyser S i periode I og III. Eksplosiv forbrenning av en dråpe observeres kun i perioden med intens forbrenning i periode II. Varigheten av perioden med intens forbrenning er proporsjonal med kuben til dråpens første diameter. Dette skyldes det faktum at eksplosiv forbrenning er en konsekvens av prosesser som skjer i dråpens volum. Egenskaper for brennhastighet beregnet. av f-le: TIL= /τ сг;
d n - innledende diameter på dråpen, mm; τ – tidspunkt for fullstendig forbrenning av dråpen, s.
Karakteristikken til dråpeforbrenningshastigheten er lik summen av egenskapene til diffusjon og eksplosiv forbrenning: TIL= K inn + K diff; Kvz= 0,78∙exp(-(1,59∙р) 2,58); K diff= 1,21∙r +0,23; K T2= K T1 ∙exp(E a/R∙(1/T 1 – 1/T 2)); K T1 – forbrenningshastighetskonstant ved t 1 = 1073 K. K T2 – konstant. oppvarmingshastighet ved t forskjellig fra t 1. E a – aktiveringsenergi (7850 kJ/mol).
AT. Hovedbetingelsene for effektiv forbrenning av væske S er: tilførsel av hele den nødvendige mengden luft til munningen av fakkelen, fin og jevn sprøyting av væske S, turbulens i strømmen og høy t.
Den generelle avhengigheten av intensiteten av fordampning av væske S på gasshastighet og t: K 1= a∙V/(b+V); a, b er konstanter avhengig av t. V – hastighet gass, m/s. Ved høyere t er avhengigheten av fordampningsintensiteten S på gasshastigheten: K 1= K o ∙ V n ;
| t, o C | lgK om | n |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
Med en økning i t fra 120 til 180 o C øker fordampningsintensiteten S med 5-10 ganger, og fra 180 til 440 o C med 300-500 ganger.
Fordampningshastigheten ved en gasshastighet på 0,104 m/s bestemmes: = 8,745 – 2600/T (ved 120-140 o C); = 7.346 –2025/T (ved 140-200 o C); = 10.415 – 3480/T (ved 200-440 o C).
For å bestemme fordampningshastigheten S ved enhver t fra 140 til 440 o C og gasshastighet i området 0,026-0,26 m/s, blir den først funnet for en gasshastighet på 0,104 m/s og omregnet til en annen hastighet: lg = lg + n ∙ lgV `` /V ` ; En sammenligning av fordampningsintensiteten av flytende svovel og forbrenningshastigheten antyder at forbrenningsintensiteten ikke kan overstige fordampningsintensiteten ved kokepunktet for svovel. Dette bekrefter riktigheten av forbrenningsmekanismen, ifølge hvilken svovel bare brenner i damptilstand. Hastighetskonstanten for oksidasjon av svoveldamp (reaksjonen fortsetter i henhold til en annenordens ligning) bestemmes av den kinetiske ligningen: -dС S /d = К∙С S ∙С О2 ; С S – dampkonsentrasjon S; C O2 – konsentrasjon av O 2 damp; K er reaksjonshastighetskonstanten. Den totale konsentrasjonen av S- og O 2-damp er: Med S= a(1-x); Med O2= b – 2ax; a er den opprinnelige dampkonsentrasjonen S; b - initial konsentrasjon av O 2 damp; x er oksidasjonstilstanden til damp S. Da:
K∙τ= (2,3 /(b – 2a)) ∙ (log(b – ax/b(1 - x)));
Hastighetskonstant for oksidasjon av S til SO 2: lgK= B – A/T;
| o C | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| I | 3,49 | 2,92 |
| EN |
Svoveldråper d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100 µm i eksplosjonen, i området 100-160 µm øker ikke brenntiden til dråpene.
At. For å intensivere forbrenningsprosessen er det tilrådelig å sprøyte svovel i dråper d = 130-200 μm, noe som krever ekstra energi. Ved brenning av samme mengde oppnås S. SO 2 er mer konsentrert, jo mindre volumet av ovnsgass er og jo høyere t.
1 – C O2; 2 – С SO2
Figuren viser den omtrentlige sammenhengen mellom t og konsentrasjonen av SO 2 i ovnsgassen som dannes ved adiabatisk forbrenning av svovel i luft. I praksis oppnås høykonsentrert SO 2, begrenset av at ved t > 1300 kollapser foringen av ovnen og gasskanalene raskt. I tillegg kan det under disse forholdene oppstå sidereaksjoner mellom O 2 og N 2 i luften med dannelse av nitrogenoksider, som er en uønsket urenhet i SO 2, derfor opprettholdes vanligvis t = 1000-1200 i svovelovner. Og ovnsgasser inneholder 12-14 vol% SO 2. Fra ett volum O 2 dannes ett volum SO 2, derfor er det maksimale teoretiske innholdet av SO 2 i den kalsinerende gassen ved brenning av S i luft 21 %. Når du brenner S i luft, brenner det. O 2 SO 2-innholdet i en gassblanding kan øke avhengig av O 2-konsentrasjonen. Det teoretiske innholdet av SO 2 ved brenning av S i ren O 2 kan nå 100 %. Den mulige sammensetningen av brennegassen oppnådd ved å brenne S i luft og i forskjellige oksygen-nitrogenblandinger er vist i figuren:
Ovner for brenning av svovel.
Forbrenningen av S i svovelsyreproduksjonen utføres i ovner i forstøvet eller fast tilstand. For brenning av smeltet S brukes dyse, syklon og vibrasjonsovner. De mest brukte er syklon og dyse. Disse ovnene er klassifisert i henhold til følgende kriterier:- etter typen installerte dyser (mekaniske, pneumatiske, hydrauliske) og deres plassering i ovnen (radial, tangentiell); - tilstedeværelsen av skjermer inne i forbrenningskamrene; - i henhold til utførelse (horisontal, vertikal); - i henhold til plasseringen av innløpshullene for lufttilførsel; - på enheter for å blande luftstrømmer med damper S; - på utstyr for bruk av forbrenningsvarme S; - etter antall kameraer.
Dyseovn (ris)
1 - stålsylinder, 2 - foring. 3 - asbest, 4 - skillevegger. 5 - dyse for sprøyting av drivstoff, 6 - dyse for sprøyting av svovel,
7 - boks for tilførsel av luft til ovnen.
Den har en ganske enkel design, lett å vedlikeholde, den produserer gass med en konstant konsentrasjon av SO 2. Til alvorlige mangler inkluderer: gradvis ødeleggelse av partisjoner på grunn av høy t; lav varmestress i forbrenningskammeret; vanskeligheter med å få gass med høy konsentrasjon, fordi bruke opp et stort overskudd av luft; avhengighet av forbrenningsprosenten av forstøvningskvaliteten S; betyr drivstofforbruk ved start og oppvarming av ovnen; relativt store dimensjoner og vekt, og som et resultat betydelige kapitalinvesteringer, avledede arealer, driftskostnader og store varmetap til miljøet.
Mer perfekt syklonovner.
1 - forkammer, 2 - luftboks, 3, 5 - etterbrenningskamre, 4. 6 - klyperinger, 7, 9 - dyser for lufttilførsel, 8, 10 - dyser for svoveltilførsel.
Adgang: tangentiell luft og S-inngang; sikrer jevn forbrenning av S i ovnen på grunn av bedre turbulisering av strømninger; mulighet for å oppnå konsentrert prosessgass opp til 18 vol% SO 2; høy termisk spenning av forbrenningsrommet (4,6 10 6 W/m 3); volumet til apparatet vil reduseres med 30-40 ganger sammenlignet med volumet til en dyseovn med samme produktivitet; konstant konsentrasjon av SO 2; enkel regulering av forbrenningsprosent S og dens automatisering; lavt forbruk av tid og brennbart materiale for oppvarming og start av ovnen etter et langt stopp; lavere innhold av nitrogenoksider etter ovnen. Hoveduker assosiert med høy t i forbrenningsprosenten; sprekkdannelse av foringen og sveisene er mulig; utilfredsstillende forstøvning av S fører til gjennombrudd av dens damper inn i utvekslingsutstyret etter ovnen, og følgelig til korrosjon av utstyret og ustabilitet av t ved inngangen til utvekslingsutstyret.
Smeltet S kan komme inn i ovnen gjennom dyser med et tangentielt eller aksialt arrangement. Med det aksiale arrangementet av dysene er forbrenningssonen nærmere periferien. Med tangen - nærmere sentrum, på grunn av hvilken effekten av høy t på foringen reduseres. (fig) Gassstrømhastigheten er 100-120 m/s - dette skaper gunstige forhold for masse- og varmeoverføring, og øker forbrenningshastigheten S.
Vibrerende ovn (ris).
1 – brennerovnshode; 2 - returventiler; 3 – vibrasjonskanal.
Under vibrasjonsforbrenning endres alle parametere i prosessen periodisk (trykk i kammeret, hastighet og sammensetning av gassblandingen, t). Enhet for vibrasjon forbrenning S kalles en brennerovn. Før ovnen blandes S og luft, og de strømmer gjennom tilbakeslagsventiler (2) inn i hodet på ovnsbrenneren, hvor blandingen brennes. Tilførselen av råvarer utføres i porsjoner (syklisk). I denne versjonen av ovnen vil varmestresset og forbrenningshastigheten øke betydelig, men før man antenner blandingen er det nødvendig med en god blanding av den påsprøytede S med luft slik at prosessen skjer øyeblikkelig. I dette tilfellet er forbrenningsproduktene godt blandet, SO 2 -gassfilmen som omgir S-partiklene blir ødelagt og letter tilgangen til nye deler av O 2 i forbrenningssonen. I en slik ovn fjerner ikke den dannede SO 2 ubrente partikler, dens konsentrasjon er høy.
En syklonovn, sammenlignet med en dyseovn, er preget av 40-65 ganger større termisk stress, mulighet for å oppnå mer konsentrert gass og større dampproduksjon.
Det viktigste utstyret for forbrenningsovner er væske S-dyser, som skal sikre en fin og jevn sprøyting av væske S, god blanding av det med luft i selve dysen og bak, rask justering av strømningshastigheten til væske S samtidig som nødvendig forholdet til luften, stabiliteten til en viss form, lengden på fakkelen, og har også en slitesterk design, pålitelig og enkel å bruke. For jevn drift av injektorene er det viktig at S er godt rengjort for aske og bitumen. Dyser kan være mekaniske (væske under eget trykk) eller pneumatiske (luft deltar også i sprøytingen).
Utnyttelse av forbrenningsvarmen av svovel.
Reaksjonen er svært eksoterm, som et resultat frigjøres en stor mengde varme og gasstemperaturen ved utløpet av ovnene er 1100-1300 0 C. For kontaktoksidasjon av SO 2 er gasstemperaturen ved inngangen til 1. lag av ovnen bør ikke overstige 420 - 450 0 C. Derfor, før SO 2 oksidasjonstrinnet, er det nødvendig å avkjøle gasstrømmen og utnytte overskuddsvarme. I svovelsyresystemer som opererer på svovel for varmegjenvinning, er vannrørspillvarmekjeler med naturlig varmesirkulasjon mest brukt. SETA – C (25 - 24); RKS 95/4,0 – 440.
Den energiteknologiske kjelen RKS 95/4.0 – 440 er en vannrør, naturlig sirkulasjon, gasstett kjele, designet for å operere med trykksetting. Kjelen består av fordampningsanordninger på 1. og 2. trinn, fjernøkonomiser i 1. og 2. trinn, fjernoverhetere i 1. og 2. trinn, en trommel og ovner for brenning av svovel. Brannkammeret er designet for å brenne opptil 650 tonn væske. Svovel per dag. Ovnen består av to sykloner forbundet i forhold til hverandre i en vinkel på 110 0 og et overgangskammer.
Innerhuset har en diameter på 2,6 m og hviler fritt på støtter. Det ytre huset har en diameter på 3 m. Luft føres inn i det ringformede rommet som dannes av det indre og ytre huset, som deretter kommer inn i forbrenningskammeret gjennom dyser. Svovel tilføres ovnen ved hjelp av 8 svoveldyser, 4 på hver syklon. Svovelforbrenning skjer i en virvlende gass-luftstrøm. Strømningsvirvel oppnås ved tangentiell innføring av luft i forbrenningssyklonen gjennom luftdyser, 3 i hver syklon. Luftmengden reguleres av elektrisk drevne klaffer på hver luftdyse. Overgangskammeret er designet for å lede gasstrømmen fra horisontale sykloner inn i den vertikale gasskanalen til fordampningsanordningen. Den innvendige overflaten av brennkammeret er foret med murstein av mulittkorund, klasse MKS-72, 250 mm tykk.
1 - sykloner
2 - overgangskammer
3 - fordampningsanordninger
Svovel er et kjemisk grunnstoff som finnes i sjette gruppe og tredje periode i det periodiske systemet. I denne artikkelen vil vi ta en detaljert titt på dens kjemiske egenskaper, produksjon, bruk og så videre. Den fysiske egenskapen inkluderer slike egenskaper som farge, nivå av elektrisk ledningsevne, kokepunkt for svovel, etc. Kjemiske egenskaper beskriver dens interaksjon med andre stoffer.
Svovel fra et fysikksynspunkt
Dette er et skjørt stoff. Under normale forhold forblir den i en solid aggregeringstilstand. Svovel har en sitrongul farge.
Og for det meste har alle forbindelsene gule fargetoner. Løser seg ikke i vann. Den har lav termisk og elektrisk ledningsevne. Disse egenskapene karakteriserer det som et typisk ikke-metall. Til tross for at den kjemiske sammensetningen av svovel ikke er komplisert i det hele tatt, kan dette stoffet ha flere variasjoner. Alt avhenger av strukturen til krystallgitteret, ved hjelp av hvilke atomer er koblet sammen, men de danner ikke molekyler.
Så det første alternativet er rombisk svovel. Det er den mest stabile. Kokepunktet for denne typen svovel er fire hundre og førtifem grader Celsius. Men for at et gitt stoff skal gå over i en gassformig aggregeringstilstand, må det først passere gjennom den flytende tilstanden. Så smeltingen av svovel skjer ved en temperatur på hundre og tretten grader Celsius.
Det andre alternativet er monoklinisk svovel. Det er en nåleformet krystall med en mørk gul farge. Smelting av den første typen svovel og deretter sakte avkjøling fører til dannelsen av denne typen. Denne sorten har nesten de samme fysiske egenskapene. For eksempel er kokepunktet for denne typen svovel det samme fire hundre og førtifem grader. I tillegg er det en så variasjon av dette stoffet som plast. Det oppnås ved å helle rombisk vann oppvarmet nesten til kokende i kaldt vann. Kokepunktet for denne typen svovel er det samme. Men stoffet har egenskapen til å strekke seg som gummi.
En annen komponent av de fysiske egenskapene som jeg vil snakke om er antennelsestemperaturen til svovel.
Denne indikatoren kan variere avhengig av type materiale og dets opprinnelse. For eksempel er antennelsestemperaturen til teknisk svovel hundre og nitti grader. Dette er et ganske lavt tall. I andre tilfeller kan flammepunktet for svovel være to hundre og førtiåtte grader og til og med to hundre og femtiseks. Alt avhenger av hvilket materiale det ble hentet fra og hva dets tetthet er. Men vi kan konkludere med at forbrenningstemperaturen til svovel er ganske lav sammenlignet med andre kjemiske elementer; det er et brennbart stoff. I tillegg kan svovel noen ganger kombineres til molekyler som består av åtte, seks, fire eller to atomer. Nå, etter å ha vurdert svovel fra et fysikksynspunkt, la oss gå videre til neste avsnitt.
Kjemiske egenskaper av svovel
Dette elementet har en relativt lav atommasse, lik trettito gram per mol. Egenskapene til elementet svovel inkluderer en slik egenskap ved dette stoffet som evnen til å ha forskjellige grader av oksidasjon. Dette skiller seg fra for eksempel hydrogen eller oksygen. Når man vurderer spørsmålet om hva de kjemiske egenskapene til grunnstoffet svovel er, er det umulig å ikke nevne at det, avhengig av forholdene, viser både reduserende og oksiderende egenskaper. Så la oss se på samspillet mellom dette stoffet og forskjellige kjemiske forbindelser i rekkefølge.
Svovel og enkle stoffer
Enkle stoffer er stoffer som bare inneholder ett kjemisk grunnstoff. Atomene kan kombineres til molekyler, som for eksempel i tilfellet med oksygen, eller de kan ikke kombineres, som tilfellet er med metaller. Således kan svovel reagere med metaller, andre ikke-metaller og halogener.
Interaksjon med metaller
For å utføre denne typen prosess er det nødvendig med høy temperatur. Under disse forholdene oppstår en addisjonsreaksjon. Det vil si at metallatomer kombineres med svovelatomer, og danner komplekse stoffer sulfider. For eksempel, hvis du varmer to mol kalium og blander dem med en mol svovel, får du en mol sulfid av dette metallet. Ligningen kan skrives som følger: 2K + S = K 2 S.
Reaksjon med oksygen
Dette er forbrenning av svovel. Som et resultat av denne prosessen dannes dets oksid. Sistnevnte kan være av to typer. Derfor kan svovelforbrenning skje i to trinn. Den første er når én mol svoveldioksid dannes fra én mol svovel og én mol oksygen. Ligningen for denne kjemiske reaksjonen kan skrives som følger: S + O 2 = SO 2. Det andre trinnet er tilsetning av et annet oksygenatom til dioksidet. Dette skjer hvis du legger til en mol oksygen til to mol ved høye temperaturer. Resultatet er to mol svoveltrioksid. Ligningen for denne kjemiske interaksjonen ser slik ut: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Som et resultat av denne reaksjonen dannes svovelsyre. Så etter å ha utført de to beskrevne prosessene, kan du føre det resulterende trioksidet gjennom en strøm av vanndamp. Og vi får Ligningen for en slik reaksjon er skrevet som følger: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4.
Interaksjon med halogener
Kjemikalier, som andre ikke-metaller, lar det reagere med en gitt gruppe stoffer. Det inkluderer forbindelser som fluor, brom, klor, jod. Svovel reagerer med noen av dem bortsett fra den siste. Som et eksempel kan vi nevne prosessen med fluoridering av elementet i det periodiske systemet vi vurderer. Ved å varme opp det nevnte ikke-metallet med et halogen, kan to varianter av fluor oppnås. Det første tilfellet: hvis vi tar en mol svovel og tre mol fluor, får vi en mol fluor, hvis formel er SF 6. Ligningen ser slik ut: S + 3F 2 = SF 6. I tillegg er det et annet alternativ: hvis vi tar en mol svovel og to mol fluor, får vi en mol fluor med den kjemiske formelen SF 4. Ligningen er skrevet som følger: S + 2F 2 = SF 4. Som du kan se, avhenger alt av proporsjonene som komponentene er blandet i. På nøyaktig samme måte kan prosessen med svovelklorering (det kan også dannes to forskjellige stoffer) eller bromering utføres.
Interaksjon med andre enkle stoffer
Egenskapene til grunnstoffet svovel slutter ikke der. Stoffet kan også reagere kjemisk med hydrogen, fosfor og karbon. På grunn av interaksjon med hydrogen dannes sulfidsyre. Som et resultat av dets reaksjon med metaller, kan sulfidene deres oppnås, som i sin tur også oppnås direkte ved å reagere svovel med det samme metallet. Tilsetning av hydrogenatomer til svovelatomer skjer bare under svært høye temperaturforhold. Når svovel reagerer med fosfor, dannes fosfidet. Den har følgende formel: P 2 S 3. For å få en mol av dette stoffet, må du ta to mol fosfor og tre mol svovel. Når svovel interagerer med karbon, dannes et karbid av det aktuelle ikke-metallet. Dens kjemiske formel ser slik ut: CS 2. For å få en mol av et gitt stoff, må du ta en mol karbon og to mol svovel. Alle addisjonsreaksjonene beskrevet ovenfor skjer bare når reagensene varmes opp til høye temperaturer. Vi har sett på samspillet mellom svovel og enkle stoffer, la oss nå gå videre til neste punkt.
Svovel og komplekse forbindelser
Komplekse stoffer er de stoffene hvis molekyler består av to (eller flere) forskjellige elementer. De kjemiske egenskapene til svovel lar det reagere med forbindelser som alkalier, så vel som konsentrert sulfatsyre. Reaksjonene med disse stoffene er ganske særegne. La oss først se på hva som skjer når det aktuelle ikke-metallet blandes med alkali. For eksempel, hvis du tar seks mol og tilsetter tre mol svovel, får du to mol kaliumsulfid, en mol kaliumsulfitt og tre mol vann. Denne typen reaksjon kan uttrykkes ved følgende ligning: 6KOH + 3S = 2K 2 S + K2SO 3 + 3H 2 O. Det samme prinsippet for interaksjon oppstår hvis du legger til. Tenk deretter på oppførselen til svovel når en konsentrert løsning av sulfatsyre legges til den. Hvis vi tar en mol av det første og to mol av det andre stoffet, får vi følgende produkter: svoveltrioksid i en mengde på tre mol, samt vann - to mol. Denne kjemiske reaksjonen kan bare skje når reaktantene varmes opp til høy temperatur.
Å skaffe det aktuelle ikke-metallet
Det er flere hovedmåter som svovel kan utvinnes fra en rekke stoffer. Den første metoden er å isolere den fra pyritt. Den kjemiske formelen til sistnevnte er FeS 2. Når dette stoffet varmes opp til høy temperatur uten tilgang til oksygen, kan man få et annet jernsulfid - FeS - og svovel. Reaksjonsligningen er skrevet som følger: FeS 2 = FeS + S. Den andre metoden for å produsere svovel, som ofte brukes i industrien, er forbrenning av svovelsulfid under betingelse av en liten mengde oksygen. I dette tilfellet kan du få det aktuelle ikke-metallet og vann. For å utføre reaksjonen må du ta komponentene i et molforhold på to til en. Som et resultat får vi sluttproduktene i proporsjoner på to til to. Ligningen for denne kjemiske reaksjonen kan skrives som følger: 2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O. I tillegg kan svovel oppnås gjennom en rekke metallurgiske prosesser, for eksempel ved produksjon av metaller som nikkel , kobber og andre.
Industriell bruk
Ikke-metallet vi vurderer har funnet sin bredeste anvendelse i kjemisk industri. Som nevnt ovenfor, her brukes den til å produsere sulfatsyre fra den. I tillegg brukes svovel som en komponent for å lage fyrstikker, på grunn av at det er et brennbart materiale. Det er også uunnværlig i produksjon av eksplosiver, krutt, stjernekastere osv. I tillegg brukes svovel som en av ingrediensene i skadedyrbekjempende produkter. I medisin brukes det som en komponent i fremstilling av medisiner for hudsykdommer. Det aktuelle stoffet brukes også i produksjon av ulike fargestoffer. I tillegg brukes det til fremstilling av fosfor.
Elektronisk struktur av svovel
Som du vet består alle atomer av en kjerne der det er protoner – positivt ladede partikler – og nøytroner, altså partikler med null ladning. Elektroner med negativ ladning roterer rundt kjernen. For at et atom skal være nøytralt, må det ha samme antall protoner og elektroner i strukturen. Hvis det er flere av sistnevnte, er det allerede et negativt ion - et anion. Hvis antallet protoner tvert imot er større enn elektroner, er det et positivt ion, eller kation. Svovelanionet kan fungere som en syrerest. Det er en del av molekylene til stoffer som sulfidsyre (hydrogensulfid) og metallsulfider. Anionet dannes under elektrolytisk dissosiasjon, som oppstår når et stoff løses opp i vann. I dette tilfellet brytes molekylet ned til et kation, som kan presenteres i form av et metall- eller hydrogenion, samt et kation - et ion av en sur rest eller en hydroksylgruppe (OH-).
Siden serienummeret til svovel i det periodiske systemet er seksten, kan vi konkludere med at kjernen inneholder akkurat dette antallet protoner. Basert på dette kan vi si at det også er seksten elektroner som roterer rundt. Antall nøytroner kan finnes ved å trekke det kjemiske elementets serienummer fra molmassen: 32 - 16 = 16. Hvert elektron roterer ikke kaotisk, men i en bestemt bane. Siden svovel er et kjemisk grunnstoff som tilhører den tredje perioden i det periodiske systemet, er det tre baner rundt kjernen. Den første av dem har to elektroner, den andre har åtte, og den tredje har seks. Den elektroniske formelen til svovelatomet er skrevet som følger: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Utbredelse i naturen
I utgangspunktet finnes det aktuelle kjemiske elementet i mineraler, som er sulfider av ulike metaller. Først av alt er det pyritt - et jernsalt; Det er også bly, sølv, kobberglans, sinkblanding, kanel - kvikksølvsulfid. I tillegg kan svovel også være en del av mineraler, hvis struktur er representert av tre eller flere kjemiske elementer.
For eksempel, chalcopyrite, mirabilite, kieseritt, gips. Du kan vurdere hver av dem mer detaljert. Pyritt er ferrumsulfid, eller FeS 2 . Den har en lys gul farge med en gylden glans. Dette mineralet kan ofte finnes som en urenhet i lapis lazuli, som er mye brukt til å lage smykker. Dette skyldes at disse to mineralene ofte har en felles forekomst. Kobberglans - chalcocite, eller chalcocite - er en blågrå substans som ligner på metall. og sølvglans (argentitt) har lignende egenskaper: de ligner begge metaller i utseende og har en grå farge. Cinnabar er et kjedelig brunrødt mineral med grå flekker. Chalcopyrite, hvis kjemiske formel er CuFeS 2, er gylden gul, det kalles også gullblanding. Sinkblanding (sfaleritt) kan variere i farge fra rav til brennende oransje. Mirabilite - Na 2 SO 4 x10H 2 O - gjennomsiktige eller hvite krystaller. Det kalles også brukt i medisin. Den kjemiske formelen til kieseritt er MgSO 4 xH 2 O. Det ser ut som et hvitt eller fargeløst pulver. Den kjemiske formelen til gips er CaSO 4 x2H 2 O. I tillegg er dette kjemiske elementet en del av cellene til levende organismer og er et viktig sporelement.
Når du produserer brennegass ved å brenne svovel, er det ikke nødvendig å rense den fra urenheter. Forberedelsesstadiet vil kun omfatte gasstørking og syredeponering. Når svovel brennes, oppstår en irreversibel eksoterm reaksjon:
S + O 2 = SÅ 2 (1)
med frigjøring av en veldig stor mengde varme: endre H = -362,4 kJ/mol, eller i form av enhetsmasse 362,4/32 = 11,325 kJ/t = 11325 kJ/kg S.
Smeltet flytende svovel tilført for forbrenning fordamper (koker) ved en temperatur på 444,6 * C; fordampningsvarmen er 288 kJ/kg. Som det kan sees fra de presenterte dataene, er varmen fra svovelforbrenningsreaksjonen ganske tilstrekkelig til å fordampe råstoffet, derfor skjer samspillet mellom svovel og oksygen i gassfasen (homogen reaksjon).
Svovelforbrenning i industrien utføres som følger. Svovelet er foreløpig smeltet (for dette kan du bruke vanndamp oppnådd ved å resirkulere varmen fra svovelens hovedforbrenningsreaksjon). Siden svovelens smeltepunkt er relativt lavt, er det ved utfelling og påfølgende filtrering fra svovel lett å separere mekaniske urenheter som ikke har gått over i væskefasen og oppnå råstoff med tilstrekkelig renhetsgrad. To typer ovner brukes til å brenne smeltet svovel - dyse og syklon. De må sørge for sprøyting av flytende svovel for raskt å fordampe det og sikre pålitelig kontakt med luft i alle deler av apparatet.
Fra ovnen går brennegassen inn i spillvarmekjelen og deretter inn i påfølgende enheter.
Konsentrasjonen av svoveldioksid i den kalsinerende gassen avhenger av forholdet mellom svovel og luft som tilføres til forbrenningen. Dersom luft tas i støkiometrisk mengde, dvs. for hver mol svovel er det 1 mol oksygen, så ved fullstendig forbrenning av svovel vil konsentrasjonen være lik volumfraksjonen av oksygen i luften C altså 2. maks = 21 %. Imidlertid blir det vanligvis tatt opp luft i overkant, siden ellers blir temperaturen i ovnen for høy.
Under adiabatisk forbrenning av svovel vil brenningstemperaturen for en reaksjonsblanding med støkiometrisk sammensetning være ~1500*C. Under praktiske forhold begrenses mulighetene for å øke temperaturen i ovnen av at over 1300 * C kollapser foringen av ovnen og gasskanalene raskt. Vanligvis, når svovel brennes, oppnås en kalsineringsgass som inneholder 13–14 % SO 2.
2. Kontaktoksidasjon av so2 til so3
Kontaktoksidasjon av svoveldioksid er et typisk eksempel på heterogen oksidativ eksoterm katalyse.
Dette er en av de mest studerte katalytiske syntesene. I USSR ble det mest grundige arbeidet med studiet av oksidasjon av SO 2 til SO 3 og utvikling av katalysatorer utført av G.K. Boreskov. Svoveldioksidoksidasjonsreaksjon
SÅ 2 + 0,5 O 2 = SÅ 3 (2)
karakterisert ved en meget høy aktiveringsenergi, og derfor er den praktiske implementeringen kun mulig i nærvær av en katalysator.
I industrien er hovedkatalysatoren for SO 2-oksidasjon en katalysator basert på vanadiumoksid V 2 O 5 (vanadiumkontaktmasse). Andre forbindelser, primært platina, viser også katalytisk aktivitet i denne reaksjonen. Imidlertid er platinakatalysatorer ekstremt følsomme for spor av arsen, selen, klor og andre urenheter og ble derfor gradvis erstattet av vanadiumkatalysatoren.
Reaksjonshastigheten øker med økende oksygenkonsentrasjon, slik at prosessen i industrien utføres i overkant.
Siden SO2-oksidasjonsreaksjonen er eksoterm, bør temperaturregimet for implementeringen nærme seg den optimale temperaturlinjen. Valget av temperaturregime er i tillegg underlagt to begrensninger knyttet til egenskapene til katalysatoren. Den nedre temperaturgrensen er antennelsestemperaturen til vanadiumkatalysatorer, som, avhengig av spesifikk type katalysator og gasssammensetning, er 400 - 440 * C. den øvre temperaturgrensen er 600 – 650*C og bestemmes av det faktum at over disse temperaturene gjennomgår strukturen til katalysatoren en restrukturering og den mister sin aktivitet.
I området 400 - 600*C streber de etter å gjennomføre prosessen slik at når omdannelsesgraden øker, synker temperaturen.
Oftest i industrien brukes hyllekontaktenheter med ekstern varmeveksling. Varmevekslingsordningen innebærer maksimal bruk av reaksjonsvarmen for å varme opp kildegassen og samtidig avkjøling av gassen mellom hyllene.
En av de viktigste oppgavene for svovelsyreindustrien er å øke graden av omdanning av svoveldioksid og redusere utslippene til atmosfæren. Dette problemet kan løses på flere måter.
En av de mest rasjonelle metodene for å løse dette problemet, mye brukt i svovelsyreindustrien, er metoden med dobbel kontakt og dobbel absorpsjon (DCDA). For å skifte likevekten til høyre og øke utbyttet av prosessen, samt for å øke hastigheten på prosessen, utføres prosessen ved hjelp av denne metoden. Dens essens ligger i det faktum at reaksjonsblandingen, der omdannelsesgraden av SO 2 er 90 - 95%, avkjøles og sendes til en mellomliggende absorber for å separere SO 3. I den gjenværende reaksjonsgassen øker O 2:SO 2-forholdet betydelig, noe som fører til en forskyvning av reaksjonslikevekten mot høyre. Den nyoppvarmede reaksjonsgassen mates igjen inn i kontaktapparatet, hvor 95 % av omdannelsesgraden av den gjenværende SO 2 oppnås på ett eller to lag med katalysator Den totale graden av omdannelse av SO 2 i denne prosessen er 99,5 %. - 99,8 %.