Bases físicas e químicas do processo de combustão do enxofre.
A combustão do S ocorre com a liberação de grande quantidade de calor: 0,5S 2g + O 2g \u003d SO 2g, ΔH \u003d -362,43 kJ
A combustão é um complexo de fenômenos químicos e físicos. Em um incinerador, é preciso lidar com campos complexos de velocidades, concentrações e temperaturas difíceis de descrever matematicamente.
A combustão do S fundido depende das condições de interação e combustão de gotículas individuais. A eficiência do processo de combustão é determinada pelo tempo de combustão completa de cada partícula de enxofre. A combustão do enxofre, que ocorre apenas na fase gasosa, é precedida pela evaporação do S, pela mistura de seus vapores com o ar e pelo aquecimento da mistura até t, que fornece a taxa de reação necessária. Como a evaporação da superfície da gota começa mais intensamente apenas em um certo t, cada gota de enxofre líquido deve ser aquecida até esse t. Quanto maior t, mais tempo leva para aquecer a gota. Quando uma mistura combustível de vapores S e ar de concentração máxima e t é formada acima da superfície da gota, ocorre a ignição. O processo de combustão de uma gota S depende das condições de combustão: t e a velocidade relativa do fluxo de gás e as propriedades físico-químicas do líquido S (por exemplo, a presença de impurezas sólidas de cinzas em S) e consiste nas seguintes etapas : 1-misturar gotas de líquido S com ar; 2-aquecimento dessas gotas e evaporação; 3-divisão térmica do vapor S; 4-formação da fase gasosa e sua ignição; 5-combustão da fase gasosa.
Esses estágios ocorrem quase simultaneamente.
Como resultado do aquecimento, uma gota de líquido S começa a evaporar, os vapores de S se difundem para a zona de combustão, onde em alta t eles começam a reagir ativamente com O 2 do ar, o processo de difusão da combustão de S ocorre com o formação de SO 2.
Em t alto, a taxa da reação de oxidação S é maior que a taxa dos processos físicos, de modo que a taxa geral do processo de combustão é determinada pelos processos de transferência de massa e calor.
A difusão molecular determina um processo de combustão calmo e relativamente lento, enquanto a difusão turbulenta o acelera. À medida que o tamanho da gota diminui, o tempo de evaporação diminui. A atomização fina das partículas de enxofre e sua distribuição uniforme no fluxo de ar aumenta a superfície de contato, facilita o aquecimento e a evaporação das partículas. Durante a combustão de cada gota S na composição da tocha, devem ser distinguidos 3 períodos: EU- incubação; II- ardência intensa; III- período de esgotamento.
Quando uma gota queima, chamas irrompem de sua superfície, lembrando explosões solares. Em contraste com a combustão por difusão convencional com a ejeção de chamas da superfície de uma gota em chamas, foi chamada de "combustão explosiva".
A combustão da gota de S no modo de difusão é realizada pela evaporação de moléculas da superfície da gota. A taxa de evaporação depende das propriedades físicas do líquido e do t do ambiente, e é determinada pela característica da taxa de evaporação. No modo diferencial, S acende nos períodos I e III. A combustão explosiva de uma gota é observada apenas no período de combustão intensa no período II. A duração do período de queima intensa é proporcional ao cubo do diâmetro inicial da gota. Isso se deve ao fato de que a combustão explosiva é consequência dos processos que ocorrem no volume da gota. Taxa de queima característica calc. por f-le: PARA= /τ sg;
d n é o diâmetro inicial da gota, mm; τ é o tempo de combustão completa da gota, s.
A característica da taxa de queima de uma gota é igual à soma das características de difusão e combustão explosiva: PARA= K vz + K dif; kvz= 0,78∙exp(-(1,59∙p) 2,58); K dif= 1,21∙p +0,23; K T2\u003d K T1 ∙ exp (E a / R ∙ (1 / T 1 - 1 / T 2)); K T1 - taxa de queima constante em t 1 \u003d 1073 K. K T2 - const. taxa de aquecimento em t diferente de t 1 . Еа é a energia de ativação (7850 kJ/mol).
QUE. As principais condições para uma combustão eficiente do líquido S são: o fornecimento de toda a quantidade necessária de ar à boca da tocha, atomização fina e uniforme do líquido S, turbulência do fluxo e alta t.
A dependência geral da intensidade de evaporação do líquido S na velocidade do gás e t: K 1= a∙V/(b+V); a, b são constantes dependendo de t. V - velocidade gás, m/s. Em t mais alto, a dependência da intensidade de evaporação S com a velocidade do gás é dada por: K 1= K o ∙ V n ;
| t, o C | lgK sobre | n |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
Com um aumento em t de 120 para 180 o C, a intensidade da evaporação de S aumenta em 5-10 vezes e t 180 para 440 o C em 300-500 vezes.
A taxa de evaporação a uma velocidade do gás de 0,104 m/s é determinada por: = 8,745 - 2600/T (a 120-140 o C); = 7,346 -2025/T (a 140-200 o C); = 10,415 - 3480 / T (a 200-440 ° C).
Para determinar a taxa de evaporação S em qualquer t de 140 a 440 ° C e uma velocidade do gás na faixa de 0,026-0,26 m / s, primeiro é encontrada uma velocidade do gás de 0,104 m / s e recalculada para outra velocidade: lg = lg + n ∙ lgV `` /V ` ; A comparação do valor da taxa de evaporação do enxofre líquido e da taxa de combustão sugere que a intensidade da combustão não pode exceder a taxa de evaporação no ponto de ebulição do enxofre. Isso confirma a exatidão do mecanismo de combustão, segundo o qual o enxofre queima apenas no estado de vapor. A constante de velocidade da oxidação do vapor de enxofre (a reação ocorre de acordo com a equação de segunda ordem) é determinada pela equação cinética: -dС S /d = К∙С S ∙С О2 ; CS é a concentração de vapor S; C O2 - vapores conc-I O 2; K é a constante de velocidade da reação. A concentração total de vapores S e O 2 op-yut: C S= a(1-x); Com O2= b - 2ax; a é a concentração inicial de vapor S; b - concentração inicial de vapores de O 2 ; х é o grau de oxidação do vapor S. Então:
K∙τ= (2,3 /(b – 2a)) ∙ (lg(b – ax/b(1 - x)));
A constante de velocidade da reação de oxidação S para SO 2: lgK\u003d B - A / T;
| sobre C | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| EM | 3,49 | 2,92 |
| A |
gotas de enxofre d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100 µm em explosivo, na área de 100-160 µm, o tempo de queima das gotas não aumenta.
Que. para intensificar o processo de combustão, é aconselhável pulverizar enxofre em gotas d = 130-200 µm, o que requer energia adicional. Ao queimar o mesmo número de S recebido. SO 2 é o mais concentrado, menor o volume de gás de fornalha e maior sua t.
1 - C O2; 2 - Com SO2
A figura mostra uma relação aproximada entre t e a concentração de SO 2 no gás de fornalha produzido pela combustão adiabática de enxofre no ar. Na prática, obtém-se SO 2 altamente concentrado, limitado pelo fato de que em t > 1300, o revestimento do forno e os dutos de gás são rapidamente destruídos. Além disso, nessas condições, podem ocorrer reações colaterais entre O 2 e N 2 do ar com a formação de óxidos de nitrogênio, que é uma impureza indesejável no SO 2, portanto, t = 1000-1200 é normalmente mantido em fornos de enxofre. E os gases do forno contêm 12-14 vol% SO 2 . De um volume de O 2 forma-se um volume de SO 2, portanto o teor máximo teórico de SO 2 no gás de combustão ao queimar S no ar é de 21%. Ao queimar S no ar, disparando. O 2 O teor de SO 2 na mistura gasosa pode aumentar dependendo da concentração de O 2 . O teor teórico de SO 2 ao queimar S em O 2 puro pode chegar a 100%. A possível composição do gás de torrefação obtido pela queima de S no ar e em várias misturas de oxigênio-nitrogênio é mostrada na figura:
Fornos para queima de enxofre.
A combustão de S na produção de ácido sulfúrico é realizada em fornos em estado atomizado ou TV. Para queimar o S fundido, use bicos, ciclones e fornos vibratórios. Os mais utilizados são o ciclone e o injetor. Esses fornos são classificados de acordo com os sinais:- de acordo com o tipo de bicos instalados (mecânicos, pneumáticos, hidráulicos) e sua localização no forno (radial, tangencial); - pela presença de telas no interior das câmaras de combustão; - por execução (horizontes, verticais); - de acordo com a localização dos furos de entrada para alimentação de ar; - para dispositivos de mistura de fluxos de ar com vapores S; - para equipamentos de aproveitamento do calor da combustão S; - por número de câmeras.
Bocal do forno (arroz)
1 - cilindro de aço, 2 - forro. 3 - amianto, 4 - divisórias. 5 - bico para pulverização de combustível, 6 bicos para pulverização de enxofre,
7 - uma caixa para fornecer ar ao forno.
Tem um design bastante simples, de fácil manutenção, tem uma imagem de gás, uma concentração constante de SO 2. Para deficiências graves incluem: destruição gradual de partições devido ao alto t; baixo estresse térmico da câmara de combustão; dificuldade em obter gás de alta concentração, tk. use um grande excesso de ar; dependência do percentual de combustão da qualidade da pulverização S; consumo significativo de combustível durante a inicialização e aquecimento do forno; dimensões e peso comparativamente grandes e, como resultado, investimentos de capital significativos, áreas de produção, custos operacionais e grandes perdas de calor no ambiente.
Mais perfeito fornos de ciclone.
1 - pré-câmara, 2 - caixa de ar, 3, 5 - câmaras de pós-combustão, 4. 6 anéis de aperto, 7, 9 - bicos para suprimento de ar, 8, 10 - bicos para suprimento de enxofre.
Entrega: entrada de ar tangencial e S; garante combustão uniforme de S no forno devido à melhor turbulência do fluxo; a possibilidade de obtenção do gás de processo final até 18% de SO 2; alta tensão térmica do espaço do forno (4,6 10 6 W / m 3); o volume do aparelho é reduzido por um fator de 30-40 em comparação com o volume de um forno de bico com a mesma capacidade; concentração permanente SO 2; regulação simples do processo de combustão S e sua automação; baixo tempo e material combustível para aquecer e ligar o forno após uma longa parada; menor teor de óxidos de nitrogênio após o forno. Semanas básicas associado a alta t no processo de combustão; possível rachadura do revestimento e soldas; A pulverização insatisfatória de S leva a um rompimento de seus vapores no equipamento t / exchange após o forno e, conseqüentemente, à corrosão do equipamento e à inconstância de t na entrada do equipamento t / exchange.
S fundido pode entrar no forno através de bicos tangenciais ou axiais. Com a localização axial dos bicos, a zona de combustão fica mais próxima da periferia. Na tangente - mais próximo do centro, devido ao qual o efeito de alto t no revestimento é reduzido. (arroz) A taxa de fluxo de gás é de 100-120m / s - isso cria uma condição favorável para transferência de massa e calor, e a taxa de queima aumenta S.
Forno vibratório (arroz).
1 – cabeça do forno queimador; 2 - válvulas de retorno; 3 - canal de vibração.
Durante a combustão vibratória, todos os parâmetros do processo mudam periodicamente (pressão na câmara, velocidade e composição da mistura de gases, t). Dispositivo para vibrações. combustão S é chamado de forno-queimador. Antes do forno, S e ar são misturados, e eles fluem através de válvulas de retenção (2) para a cabeça do queimador do forno, onde a mistura é queimada. O fornecimento de matérias-primas é realizado em porções (os processos são cíclicos). Nesta versão do forno, a produção de calor e a taxa de queima aumentam significativamente, mas antes de acender a mistura, é necessária uma boa mistura do S atomizado com o ar para que o processo ocorra instantaneamente. Nesse caso, os produtos da combustão se misturam bem, o filme de gás SO 2 que envolve as partículas de S é destruído e facilita o acesso de novas porções de O 2 na zona de combustão. Em tal forno, o SO 2 resultante não contém partículas não queimadas, sua concentração é alta no topo.
Para um forno de ciclone, em comparação com um forno de bocal, é caracterizado por um estresse térmico 40-65 vezes maior, possibilidade de obtenção de gás mais concentrado e maior produção de vapor.
O equipamento mais importante para fornos de queima do líquido S é o bico, que deve garantir uma pulverização fina e uniforme do líquido S, boa mistura do mesmo com o ar no próprio bico e atrás dele, ajuste rápido da vazão do líquido S enquanto mantendo a proporção necessária com o ar, a estabilidade de uma determinada forma, o comprimento da tocha, além de ter um design sólido, confiável e fácil de usar. Para o bom funcionamento dos bicos, é importante que o S esteja bem limpo de cinzas e betume. Os bicos são de ação mecânica (rendimento sob sua própria pressão) e pneumática (o ar ainda está envolvido na pulverização).
Aproveitamento do calor de combustão do enxofre.
A reação é altamente exotérmica, como resultado, uma grande quantidade de calor é liberada e a temperatura do gás na saída dos fornos é de 1100-1300 0 C. Para oxidação de contato de SO 2, a temperatura do gás na entrada do 1º camada do cat-ra não deve exceder 420 - 450 0 C. Portanto, antes da etapa de oxidação do SO 2, é necessário resfriar o fluxo de gás e utilizar o excesso de calor. Em sistemas de ácido sulfúrico que operam com enxofre para recuperação de calor, as caldeiras de recuperação de calor de tubos de água com circulação natural de calor são mais amplamente utilizadas. SETA - C (25 - 24); RKS 95 / 4.0 - 440.
A caldeira energeticamente tecnológica RKS 95/4.0 - 440 é uma caldeira a água tubular, de circulação natural, estanque ao gás, concebida para funcionar com pressurização. A caldeira consiste em evaporadores de 1º e 2º estágios, economizadores remotos de estágio 1.2, superaquecedores remotos de estágio 1.2, tambor, fornos de combustão de enxofre. O forno é projetado para queimar até 650 toneladas de líquido. Enxofre por dia. O forno consiste em dois ciclones conectados entre si em um ângulo de 110 0 e uma câmara de transição.
Corpo interno com diâmetro de 2,6 m, apoiado livremente em suportes. A carcaça externa tem 3 m de diâmetro O espaço anular formado pelas carcaças interna e externa é preenchido com ar, que então entra na câmara de combustão através de bocais. O enxofre é fornecido ao forno por 8 bocais de enxofre, 4 em cada ciclone. A combustão do enxofre ocorre em um fluxo de gás-ar em turbilhão. O turbilhonamento do fluxo é obtido pela introdução tangencial de ar no ciclone de combustão através de bocais de ar, 3 em cada ciclone. A quantidade de ar é controlada por abas motorizadas em cada bocal de ar. A câmara de transição é projetada para direcionar o fluxo de gás dos ciclones horizontais para o duto de gás vertical do evaporador. A superfície interna da fornalha é revestida com tijolo mulite-corindo da marca MKS-72, com 250 mm de espessura.
1 - ciclones
2 - câmara de transição
3 - dispositivos de evaporação
O enxofre é um elemento químico que está no sexto grupo e terceiro período da tabela periódica. Neste artigo, vamos dar uma olhada detalhada em sua química e produção, uso e assim por diante. A característica física inclui características como cor, nível de condutividade elétrica, ponto de ebulição do enxofre, etc. A química descreve sua interação com outras substâncias.
Enxofre em termos de física
Esta é uma substância frágil. Em condições normais, encontra-se em estado sólido de agregação. O enxofre tem uma cor amarelo limão.
E, na maioria das vezes, todos os seus compostos têm tonalidades amarelas. Não se dissolve em água. Possui baixa condutividade térmica e elétrica. Essas características o caracterizam como um típico não-metal. Apesar de a composição química do enxofre não ser nada complicada, essa substância pode ter diversas variações. Tudo depende da estrutura da rede cristalina, com a qual os átomos se conectam, mas não formam moléculas.
Portanto, a primeira opção é o enxofre rômbico. Ela é a mais estável. O ponto de ebulição desse tipo de enxofre é de quatrocentos e quarenta e cinco graus Celsius. Mas para que uma determinada substância passe para o estado gasoso de agregação, ela deve primeiro passar pelo estado líquido. Assim, o derretimento do enxofre ocorre a uma temperatura de cento e treze graus Celsius.
A segunda opção é o enxofre monoclínico. É um cristais em forma de agulha com uma cor amarela escura. A fusão do enxofre do primeiro tipo e, em seguida, seu resfriamento lento leva à formação desse tipo. Esta variedade tem quase as mesmas características físicas. Por exemplo, o ponto de ebulição do enxofre desse tipo ainda é o mesmo quatrocentos e quarenta e cinco graus. Além disso, existe uma variedade dessa substância como o plástico. É obtido despejando em água fria aquecida quase à fervura rômbica. O ponto de ebulição do enxofre deste tipo é o mesmo. Mas a substância tem a propriedade de se esticar como a borracha.
Outro componente da característica física sobre o qual gostaria de falar é a temperatura de ignição do enxofre.
Este indicador pode variar dependendo do tipo de material e sua origem. Por exemplo, a temperatura de ignição do enxofre técnico é de cento e noventa graus. Este é um número bastante baixo. Em outros casos, o ponto de inflamação do enxofre pode ser duzentos e quarenta e oito graus e até duzentos e cinquenta e seis. Tudo depende de qual material foi extraído, de que densidade ele tem. Mas podemos concluir que a temperatura de combustão do enxofre é bastante baixa, em comparação com outros elementos químicos, é uma substância inflamável. Além disso, às vezes o enxofre pode se combinar em moléculas compostas por oito, seis, quatro ou dois átomos. Agora, tendo considerado o enxofre do ponto de vista da física, vamos para a próxima seção.
Caracterização química do enxofre
Este elemento tem uma massa atômica relativamente baixa, é igual a trinta e dois gramas por mol. A característica do elemento enxofre inclui uma característica dessa substância como a capacidade de ter diferentes graus de oxidação. Nisto difere, digamos, do hidrogênio ou do oxigênio. Considerando a questão de qual é a característica química do elemento enxofre, é impossível não mencionar que, dependendo das condições, ele apresenta propriedades redutoras e oxidantes. Portanto, considere a interação de uma determinada substância com vários compostos químicos.
Enxofre e substâncias simples
Substâncias simples são substâncias que contêm apenas um elemento químico. Seus átomos podem se combinar em moléculas, como, por exemplo, no caso do oxigênio, ou não se combinar, como no caso dos metais. Assim, o enxofre pode reagir com metais, outros não metais e halogênios.
Interação com metais
É necessária uma temperatura elevada para realizar este tipo de processo. Nessas condições, ocorre uma reação de adição. Ou seja, os átomos de metal se combinam com os átomos de enxofre, formando sulfetos de substâncias complexas. Por exemplo, se você aquecer dois mols de potássio misturando-os com um mol de enxofre, obterá um mol de sulfeto desse metal. A equação pode ser escrita da seguinte forma: 2K + S = K 2 S.
Reação com oxigênio
Isso é queima de enxofre. Como resultado desse processo, seu óxido é formado. Este último pode ser de dois tipos. Portanto, a combustão do enxofre pode ocorrer em duas etapas. A primeira é quando um mol de enxofre e um mol de oxigênio formam um mol de dióxido de enxofre. Você pode escrever a equação para esta reação química da seguinte maneira: S + O 2 \u003d SO 2. A segunda etapa é a adição de mais um átomo de oxigênio ao dióxido. Isso acontece se você adicionar um mol de oxigênio a dois moles em alta temperatura. O resultado são dois moles de trióxido de enxofre. A equação para essa interação química é a seguinte: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3. Como resultado desta reação, o ácido sulfúrico é formado. Assim, realizando os dois processos descritos, é possível passar o trióxido resultante por um jato de vapor d'água. E obtemos A equação para tal reação é escrita da seguinte forma: SO 3 + H 2 O \u003d H 2 SO 4.
Interação com halogênios
Químico como outros não-metais, permite que ele reaja com este grupo de substâncias. Inclui compostos como flúor, bromo, cloro, iodo. O enxofre reage com qualquer um deles, exceto o último. Como exemplo, podemos citar o processo de fluoração do elemento da tabela periódica que estamos considerando. Ao aquecer o não-metal mencionado com um halogênio, duas variações de fluoreto podem ser obtidas. O primeiro caso: se pegarmos um mol de enxofre e três moles de flúor, obtemos um mol de flúor, cuja fórmula é SF 6. A equação fica assim: S + 3F 2 = SF 6. Além disso, existe uma segunda opção: se pegarmos um mol de enxofre e dois mols de flúor, obtemos um mol de flúor com a fórmula química SF 4 . A equação é escrita da seguinte forma: S + 2F 2 = SF 4 . Como você pode ver, tudo depende das proporções em que os componentes são misturados. Exatamente da mesma forma, é possível realizar o processo de cloração do enxofre (também podem ser formadas duas substâncias diferentes) ou bromação.
Interação com outras substâncias simples
A caracterização do elemento enxofre não para por aí. A substância também pode entrar em uma reação química com hidrogênio, fósforo e carbono. Devido à interação com o hidrogênio, o ácido sulfídrico é formado. Como resultado de sua reação com metais, podem ser obtidos seus sulfetos, que, por sua vez, também são obtidos por reação direta do enxofre com o mesmo metal. A adição de átomos de hidrogênio a átomos de enxofre ocorre apenas em condições de temperatura muito alta. Quando o enxofre reage com o fósforo, seu fosfeto é formado. Tem a seguinte fórmula: P 2 S 3. Para obter um mol dessa substância, você precisa pegar dois moles de fósforo e três moles de enxofre. Quando o enxofre interage com o carbono, forma-se o carboneto do considerado não-metal. Sua fórmula química é assim: CS 2. Para obter um mol dessa substância, você precisa pegar um mol de carbono e dois moles de enxofre. Todas as reações de adição descritas acima ocorrem apenas quando os reagentes são aquecidos a altas temperaturas. Consideramos a interação do enxofre com substâncias simples, agora vamos para o próximo ponto.
Enxofre e compostos complexos
Compostos são aquelas substâncias cujas moléculas consistem em dois (ou mais) elementos diferentes. As propriedades químicas do enxofre permitem que ele reaja com compostos como álcalis, bem como sulfato ácido concentrado. Suas reações com essas substâncias são bastante peculiares. Primeiro, considere o que acontece quando o não-metal em questão é misturado com álcali. Por exemplo, se você pegar seis moles e adicionar três moles de enxofre a eles, obterá dois moles de sulfeto de potássio, um mole do sulfito de metal dado e três moles de água. Esse tipo de reação pode ser expresso pela seguinte equação: 6KOH + 3S \u003d 2K 2 S + K2SO 3 + 3H 2 O. Pelo mesmo princípio, a interação ocorre se você adicionar Em seguida, considere o comportamento do enxofre quando uma solução concentrada de ácido sulfato é adicionado a ele. Se pegarmos um mol da primeira e dois moles da segunda substância, obtemos os seguintes produtos: trióxido de enxofre na quantidade de três moles e também água - dois moles. Esta reação química só pode ocorrer quando os reagentes são aquecidos a uma temperatura elevada.
Obtenção do não-metal considerado
Existem vários métodos principais pelos quais o enxofre pode ser extraído de uma variedade de substâncias. O primeiro método é isolá-lo da pirita. A fórmula química deste último é FeS 2 . Quando essa substância é aquecida a altas temperaturas sem acesso ao oxigênio, pode-se obter outro sulfeto de ferro - FeS - e enxofre. A equação da reação é escrita da seguinte forma: FeS 2 \u003d FeS + S. O segundo método de obtenção de enxofre, frequentemente usado na indústria, é a combustão de sulfeto de enxofre sob a condição de uma pequena quantidade de oxigênio. Nesse caso, você pode obter o não-metal e a água considerados. Para realizar a reação, você precisa levar os componentes em uma proporção molar de dois para um. Como resultado, obtemos os produtos finais na proporção de dois para dois. A equação para esta reação química pode ser escrita da seguinte forma: 2H 2 S + O 2 \u003d 2S + 2H 2 O. Além disso, o enxofre pode ser obtido durante vários processos metalúrgicos, por exemplo, na produção de metais como níquel, cobre e outros.
Uso industrial
O não-metal que estamos considerando encontrou sua aplicação mais ampla na indústria química. Como mencionado acima, aqui é usado para obter ácido sulfato. Além disso, o enxofre é utilizado como componente para a fabricação de fósforos, por ser um material inflamável. Também é indispensável na produção de explosivos, pólvora, estrelinhas, etc. Além disso, o enxofre é utilizado como um dos ingredientes em produtos de controle de pragas. Na medicina, é usado como componente na fabricação de medicamentos para doenças de pele. Além disso, a substância em questão é utilizada na produção de vários corantes. Além disso, é usado na fabricação de fósforos.
Estrutura eletrônica do enxofre
Como você sabe, todos os átomos consistem em um núcleo, no qual existem prótons - partículas com carga positiva - e nêutrons, ou seja, partículas com carga zero. Os elétrons giram em torno do núcleo com uma carga negativa. Para um átomo ser neutro, ele deve ter o mesmo número de prótons e elétrons em sua estrutura. Se houver mais deste último, isso já é um íon negativo - um ânion. Se, ao contrário, o número de prótons for maior que o número de elétrons, trata-se de um íon positivo ou cátion. O ânion de enxofre pode atuar como um resíduo ácido. Faz parte das moléculas de substâncias como sulfeto de ácido (sulfeto de hidrogênio) e sulfetos metálicos. Um ânion é formado durante a dissociação eletrolítica, que ocorre quando uma substância é dissolvida em água. Nesse caso, a molécula se decompõe em um cátion, que pode ser representado como um metal ou íon de hidrogênio, bem como um cátion - um íon de um resíduo de ácido ou um grupo hidroxila (OH-).
Como o número de série do enxofre na tabela periódica é dezesseis, podemos concluir que exatamente esse número de prótons está em seu núcleo. Com base nisso, podemos dizer que também existem dezesseis elétrons girando. O número de nêutrons pode ser encontrado subtraindo o número de série do elemento químico da massa molar: 32 - 16 \u003d 16. Cada elétron não gira aleatoriamente, mas ao longo de uma determinada órbita. Como o enxofre é um elemento químico que pertence ao terceiro período da tabela periódica, existem três órbitas em torno do núcleo. O primeiro tem dois elétrons, o segundo tem oito e o terceiro tem seis. A fórmula eletrônica do átomo de enxofre é escrita da seguinte forma: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Prevalência na natureza
Basicamente, o elemento químico considerado é encontrado na composição dos minerais, que são sulfetos de diversos metais. Em primeiro lugar, é pirita - sal de ferro; também é chumbo, prata, brilho de cobre, mistura de zinco, cinábrio - sulfeto de mercúrio. Além disso, o enxofre também pode ser incluído na composição de minerais cuja estrutura é representada por três ou mais elementos químicos.
Por exemplo, calcopirita, mirabilita, kieserita, gesso. Você pode considerar cada um deles com mais detalhes. A pirita é um sulfeto de ferro, ou FeS 2 . Tem uma cor amarelo claro com um brilho dourado. Este mineral pode frequentemente ser encontrado como uma impureza no lápis-lazúli, que é amplamente utilizado para fazer joias. Isso se deve ao fato de que esses dois minerais costumam ter um depósito comum. O brilho do cobre - calcocita ou calcosina - é uma substância cinza-azulada, semelhante ao metal. e o brilho prateado (argentita) têm propriedades semelhantes: ambos se parecem com metais, têm uma cor cinza. O cinábrio é um mineral opaco vermelho acastanhado com manchas cinzentas. A calcopirita, cuja fórmula química é CuFeS 2 , é amarelo dourado, também chamada de blenda dourada. A mistura de zinco (esfalerita) pode ter uma cor que vai do âmbar ao laranja ardente. Mirabilite - Na 2 SO 4 x10H 2 O - cristais transparentes ou brancos. Também é chamado de usado na medicina. A fórmula química da kieserita é MgSO 4 xH 2 O. Ela se parece com um pó branco ou incolor. A fórmula química do gesso é CaSO 4 x2H 2 O. Além disso, esse elemento químico faz parte das células dos organismos vivos e é um importante oligoelemento.
Ao receber gás de torrefação por queima de enxofre, não há necessidade de limpá-lo de impurezas. A etapa de preparação incluirá apenas a secagem do gás e a eliminação do ácido. Quando o enxofre é queimado, ocorre uma reação exotérmica irreversível:
S + O 2 = ENTÃO 2 (1)
com a liberação de uma quantidade muito grande de calor: uma mudança em H \u003d -362,4 kJ / mol, ou em termos de unidade de massa 362,4 / 32 \u003d 11,325 kJ / t \u003d 11325 kJ / kg S.
O enxofre líquido fundido fornecido para combustão evapora (ferve) a uma temperatura de 444,6 *C; o calor de vaporização é 288 kJ/kg. Como pode ser visto nos dados acima, o calor da reação de combustão do enxofre é suficiente para evaporar a matéria-prima, de modo que a interação do enxofre e do oxigênio ocorre na fase gasosa (reação homogênea).
A combustão de enxofre na indústria é realizada da seguinte maneira. O enxofre é pré-fundido (para isso você pode usar o vapor de água obtido utilizando o calor da reação de combustão principal do enxofre). Como o ponto de fusão do enxofre é relativamente baixo, é fácil separar as impurezas mecânicas que não passaram para a fase líquida por sedimentação e subsequente filtração do enxofre e obter uma matéria-prima de pureza suficiente. Dois tipos de fornos são usados para queimar enxofre fundido - bocal e ciclone.É necessário prever a pulverização de enxofre líquido neles para sua rápida evaporação e garantir contato confiável com o ar em todas as partes do aparelho.
Do forno, o gás de torrefação entra na caldeira de calor residual e depois nos aparelhos subsequentes.
A concentração de dióxido de enxofre no gás de torrefação depende da proporção de enxofre e ar fornecido para a combustão. Se o ar for tomado em uma quantidade estequiométrica, ou seja, para cada mol de enxofre 1 mol de oxigênio, então com combustão completa de enxofre, a concentração será igual à fração volumétrica de oxigênio no ar C então 2. máx \u003d 21%. No entanto, o ar geralmente é levado em excesso, caso contrário, a temperatura do forno será muito alta.
Com combustão adiabática de enxofre, a temperatura de queima para a mistura de reação de composição estequiométrica será de ~ 1500*C. Em termos práticos, a possibilidade de aumentar a temperatura no forno é limitada pelo fato de que acima de 1300°C o revestimento do forno e os dutos de gás são rapidamente destruídos. Normalmente, ao queimar enxofre, é obtido um gás de torrefação contendo 13 - 14% de SO 2 .
2. Oxidação de contato de so2 para so3
A oxidação de contato do dióxido de enxofre é um exemplo típico de catálise exotérmica oxidativa heterogênea.
Esta é uma das sínteses catalíticas mais estudadas. Na URSS, o trabalho mais completo no estudo da oxidação de SO 2 em SO 3 e no desenvolvimento de catalisadores foi realizado por G.K. Boreskov. Reação de oxidação do dióxido de enxofre
ENTÃO 2 + 0,5 O 2 = ENTÃO 3 (2)
é caracterizada por um valor muito alto de energia de ativação e, portanto, sua implementação prática só é possível na presença de um catalisador.
Na indústria, o principal catalisador para a oxidação do SO 2 é um catalisador à base de óxido de vanádio V 2 O 5 (massa de contato de vanádio). A atividade catalítica nesta reação também é mostrada por outros compostos, principalmente platina. No entanto, os catalisadores de platina são extremamente sensíveis até mesmo a vestígios de arsênico, selênio, cloro e outras impurezas e, portanto, foram gradualmente substituídos por catalisadores de vanádio.
A taxa de reação aumenta com o aumento da concentração de oxigênio, de modo que o processo na indústria é realizado com excesso dele.
Como a reação de oxidação do SO 2 pertence ao tipo exotérmico, o regime de temperatura para sua implementação deve se aproximar da linha de temperaturas ótimas. A escolha do modo de temperatura é adicionalmente imposta por duas restrições associadas às propriedades do catalisador. O limite inferior de temperatura é a temperatura de ignição dos catalisadores de vanádio, que, dependendo do tipo específico de catalisador e composição do gás, é de 400 - 440 * C. o limite superior de temperatura é 600 - 650*C e é determinado pelo fato de que acima dessas temperaturas a estrutura do catalisador é rearranjada e perde sua atividade.
Na faixa de 400 - 600 * C, procura-se que o processo seja realizado de forma que, à medida que o grau de conversão aumenta, a temperatura diminua.
Na maioria das vezes, na indústria, são usados dispositivos de contato de prateleira com troca de calor externa. O esquema de troca de calor pressupõe o aproveitamento máximo do calor de reação para aquecimento do gás fonte e resfriamento simultâneo do gás entre as prateleiras.
Uma das tarefas mais importantes da indústria do ácido sulfúrico é aumentar o grau de conversão do dióxido de enxofre e reduzir suas emissões na atmosfera. Este problema pode ser resolvido de várias maneiras.
Um dos métodos mais racionais para resolver este problema, amplamente utilizado na indústria do ácido sulfúrico, é o método de duplo contato e dupla absorção (DKDA). Para deslocar o equilíbrio para a direita e aumentar o rendimento do processo, bem como aumentar a velocidade do processo, o processo é realizado de acordo com este método. Sua essência reside no fato de que a mistura de reação, na qual o grau de conversão do SO 2 é de 90 - 95%, é resfriada e enviada a um absorvedor intermediário para separar o SO 3 . No restante do gás de reação, a proporção de O 2 :SO 2 aumenta significativamente, o que leva a um deslocamento do equilíbrio da reação para a direita. O gás de reação recém-aquecido é novamente alimentado no aparelho de contato, onde 95% da conversão do restante SO 2 é alcançado em uma ou duas camadas de catalisador.A conversão total de SO 2 neste processo é de 99,5% - 99,8%.