Фізико-хімічні засади процесу горіння сірки.
Спалювання S відбувається з виділенням великої кількості теплоти: 0,5S 2г + Про 2г = SО 2г, ΔН = -362,43 кДж
Горіння – комплекс хімічних та фізичних явищ. У пристрої для спалювання доводиться мати справу зі складними полями швидкостей, концентрацій та температур, які важко піддаються математичному опису.
Горіння розплавленої S залежить від умов взаємодії та згоряння окремих крапель. Ефективність процесу горіння визначається часом повного згоряння кожної частинки сірки. Горіння сірки, яке відбувається тільки в газовій фазі, передує випаровування S, змішання її пар з повітрям і прогрівання суміші до t, що забезпечує необхідну швидкість реакції. Оскільки інтенсивніше випаровування з поверхні краплі починається лише за певної t – кожна крапля рідкої сірки має бути нагріта до цієї t. Чим вище t, тим більше часу знадобиться для прогрівання краплі. Коли над поверхнею краплі утворюється горюча суміш пар S і повітря граничної концентрації і t, відбувається займання. Процес горіння краплі S залежить від умов горіння: t і відносної швидкості газового потоку, і фізико-хімічних властивостей рідкої S (наприклад, наявність в S твердих домішок золи), і складається зі стадій: 1-змішування крапель рідкої S з повітрям; 2-прогрів цих крапель та випаровування; 3-термічне розщеплення парів S; 4-освіта газової фази та її займання; 5-горіння газової фази.
Ці стадії протікають майже одночасно.
В результаті прогріву крапля рідкої S починає випаровуватися, пари S дифундують до зони горіння, де при високій t починають активно реагувати з 2 повітря, відбувається процес дифузійного горіння S з утворенням SO 2 .
При високих t швидкість реакції окислення S більша за швидкість фізичних процесів, тому загальна швидкість процесу горіння визначається процесами масо- і тепловіддачі.
Молекулярна дифузія визначає спокійний, повільний процес горіння, а турбулентна прискорює його. Зі зменшенням розміру крапель скорочується час їхнього випаровування. Дрібне розпилення частинок сірки та рівномірний розподіл їх у повітряному потоці збільшує поверхню контакту, полегшує нагрівання та випаровування частинок. При горінні кожної одиничної краплі S у складі смолоскипа слід розрізняти 3 періоди: I-інкубаційний; II-інтенсивного горіння; III-Період догоряння.
При горінні краплі з її поверхні відбуваються викиди полум'я, що нагадують сонячні спалахи. На відміну від звичайного дифузійного горіння з викидом мов полум'я з поверхні краплі, що горить, отримало назву «вибухового горіння».
Горіння краплі S у дифузійному режимі здійснюється шляхом випаровування молекул із поверхні краплі. Швидкість випаровування залежить від фізичних властивостей рідини та t довкілля, а визначається характеристикою швидкості випаровування. У диференціальному режимі S горить у I та III періодах. Вибухова горіння краплі спостерігається тільки в періоді інтенсивного горіння у II періоді. Тривалість періоду інтенсивного горіння пропорційна кубу початкового діаметра краплі. Це викликано тим, що вибухове горіння є дотриманням процесів, які протікають обсягом краплі. Характеристика швидкості горіння обчисл. за ф-ле: До= /τ сг;
d н - Початковий діаметр краплі, мм; τ - час повного згоряння краплі, с.
Характеристика швидкості горіння краплі дорівнює сумі характеристик дифузійного та вибухового горіння: До= До вз + До диф; КВЗ= 0,78∙ехр(-(1,59∙р) 2,58); До диф= 1,21∙р +0,23; До Т2= До Т1 ∙ехр(Е а /R∙(1/Т 1 – 1/Т 2)); До Т1 – константа швидкості горіння при t 1 = 1073 К. До Т2 – конст. швидкості гріння при t відмінній від t 1 . Е а – енергія активації (7850 кДж/моль).
Т.О. основними умовами ефективного горіння рідкої S є: підведення всієї необхідної кількості повітря до гирла факела, дрібне і рівномірне розпилення рідкої S, турбулентність потоку і висока t.
Загальна залежність інтенсивності випаровування рідкої S від швидкості газу та t: До 1= a∙V/(b+V); a, b – константи, залежні від t. V - скор. газу, м/с. При більш високих t залежність інтенсивності випаровування S від швидкості газу їм вигляд: До 1= К про ∙ V n;
| t, про З | lgК про | n |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
При збільшенні t від 120 до 180 про З інтенсивність випаровування S зростає в 5-10 разів, а т 180 до 440 про З 300-500 разів.
Інтенсивність випаровування за швидкості газу 0,104 м/с визначається: = 8,745 – 2600/Т (при 120-140 про З); = 7,346 -2025/Т (при 140-200 про С); = 10,415 - 3480/Т (при 200-440 про С).
Щоб визначити інтенсивність випаровування S при будь-якій t від 140 до 440 про З і швидкості газу в межах 0,026-0,26 м/с, її спочатку знаходять для швидкості газу 0,104 м/с і перераховують на іншу швидкість: lg = lg + n∙lgV ``/V`; Порівняння значення інтенсивності випаровування рідкої сірки та швидкості горіння говорить про те, що інтенсивність горіння не може перевищити інтенсивність випаровування за температури кипіння сірки. Це підтверджує правильність механізму горіння, яким сірка згоряє лише у пароподібному стані. Константа швидкості окислення парів сірки (реакція протікає за рівнянням другого порядку) визначається кінетичним рівнянням: -dС S /d = К?С S? З О2; S – концентрація парів S; З О2 - конц-я парів О 2; К – константа швидкості реакції. Загальну концентрацію парів S і 2 оп-ют: З S= а(1-х); З О2= b - 2ах; а – початкова концентрація пар S; b - початкова конц-я парів Про 2; х – ступінь окислення пар S. Тоді:
К∙τ= (2,3 /(b – 2a)) ∙ (lg(b – ax/b(1 - x)));
Константа швидкості реакції окиснення S до SО 2: lgK= В – А/Т;
| про З | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| У | 3,49 | 2,92 |
| А |
Краплі сірки d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100мкм у вибуховому, дільниці 100-160 мкм час горіння крапель не збільшується.
Т.о. для інтенсифікації пр-са горіння доцільно розпорошувати сірку на краплі d=130-200імкм, що потребує витрат додаткової енергії. При спалюванні однієї й тієї ж кіл-ва S получ. SО 2 тим концентрованішим, що менший обсяг пічного газу і чим вищий його t.
1 - З О2; 2 - З SО2
На рис.показано наближену залежність між t і концентрацією SO 2 в пічному газі, що утворився при адіабатичному спалюванні сірки в повітрі. На практиці отримують висококонцентровану SO 2 обмежену тим, що при t > 1300 швидко руйнується футерування печі та газоходів. Крім того, в цих умовах можуть відбуватися побічні реакції між O 2 і N 2 повітря з утворенням оксидів азоту, який є небажаною домішкою в SO 2 тому зазвичай в сірчаних печах підтримується t=1000-1200. А пічні гази містять 12-14 об% SO 2 . З одного об'єму O 2 утворюється один об'єм SO 2 тому максимальний теоретичний вміст SO 2 в випалювальному газі при спалюванні S в повітрі 21%. При спалюванні S у повітрі випал. O 2 вміст SO 2 газової суміші може зростати в залежності від концентрації O 2 . Теоретичний зміст SO 2 при спалюванні S у чистому O 2 може досягти 100%. Можливий склад випалювального газу, отриманого при спалюванні S у повітрі та в різних киснево-азотних сумішах представлена на малюнку:
Печі для спалювання сірки
Спалювання S в сірчанокислотному виробництві осущ-т в печах в розпорошеному або тв сост-ии. Для спалювання розплавл-ої S ісп-т форсуночні, циклонні та вібрацій-е печі. Найбільш широко застосовуються циклонні і форсуночні. Ці печі класиф-ють за ознаками:- за типом встановлених форсунок (механіч-е, пневматич-е, гідравліч-е) та їх розташ-ю в печі (радіальне, тангенсальне); - наявність екранів усередині топкових камер; - за виконанням (гориз-і, вертик-е); - за розташ-ю вхід-х отворів для подачі повітря; - за пристроями для перемішування-я потоків пов-а з парами S; - по облад-ю для испльз-я тепла горіння S; - за кількістю камер.
Форсункова піч (рис)
1 - сталевий циліндр, 2 - футерування. 3 – азбест, 4 – перегородки. 5-форсунка для розпилення палива, 6-форсунки для розпилення сірки,
7 - короб для підведення повітря у піч.
Має досить просту конструкцію, просто в обслуговуванні, в ній образ-ся газ, постійний концен-ії SO 2 . До серйозних недост-мвідносять: поступ-е разруш-е перегородок з-за вис-х t; низький теплонапруж-е камери горіння; Проблема получ-я газу високої концен-ии, т.к. ісп-ся великий надлишок возд-а; залежність проц-а проведення спалювання від кач-ва розпилення S; значний витрата палива при пуску і розігріванні печі; порівняє великі габарити і маса, і як наслідок означає капіталовкладення, похідні площі, експлуатаційні витрати і великі втрати тепла в окр-ю середу.
Більш досконалий-ми явл-ся циклонні печі.
1 – форкамера, 2 – повітряний короб, 3, 5 – камери допалювання, 4. 6-перетискні кільця, 7, 9 – сопла для подачі повітря, 8, 10 – форсунки для подачі сірки.
Дост-ва:тангенціальне введення пов-а і S; забезпечує рівномірне спалювання S печі за рахунок кращої турбулізації потоків; мож-ть отримання концен-го технологічного газу до 18об% SO 2 ; високе теплове напряж-е топкового простору (4,6 10 6 Вт/м 3); обсяг апп-та зменш-ся в 30-40 разів у порівнянні-ю з обсягом форсуночної печі тієї ж продуктивності; постійна концен-я SO 2 ; просте регулю-я проц-а горіння S та його автоматизація; малі витрати часу та пального матеріалу на розігрів та пуск печі після тривалої остан-ки; менший вміст оксидів азоту після печі Основні тижніпов'язані з високим t в проц-е горіння; можливе розтріскування футерування та зварних швів; незадовлет-е розпорошення S призводить до проскоку її парів в т/обмін-му облад-і після печі, а слід-но до корозії облад-я і непостійності t на вході в т/обмін-е облад.
Розплавлення S може надходити в піч через форсунки з тангенсальним або осьовим розташуванням. При осьовому розташуванні форсунок зона горіння нахся ближче до периферії. При танген-м - ближче до центру, завдяки чому зменшується дію високих t на футеровку. (Рис) Швидкість газового потоку сост-ет 100-120м / с - це створює сприятливе-е умова для масо-і теплообміну, і вік-т швидкість горіння S.
Вібраційні печі (рис).
1 – головка печі пальника; 2 – поворотні клапани; 3 – вібраційний канал.
При вібрац-му горінні періодично змін-ся всі параметри проц-а (давл в камері, швидкість і склад газової суміші, t). Пристрій для вібрац. горіння S наз-ся піч-пальник. Перед піччю відбувається змішання S і пов-а, і вони під-ся через зворотні клапани (2) в головку печі-пальника, де відбувається спалювання суміші. Подача сировини осущ-ся порціями (проц-с циклічний). У цьому варіанті печі істотно збільш-ся теплонапруж-е і швидкість горіння, але перед запаленням суміші необ-мо хороше змішання розпорошеної S з пов-м, щоб проц-с пішов миттєво. І тут продукти горіння добре перемеш-ся, газова плівка SO 2 , що оточує частки S руйнується і полегшує доступ нових порцій Про 2 у зоні горіння. У такій печі утворюється SO 2 не сод-т не згорілих частинок, його концен-я на вих висока.
Для циклон-й печі в порівнянні з форсунковою харак-но в 40-65разів більше теплове напряж-е, воз-ть отримання більш концен-ного газу і велика паропроизвод-ть.
Найважливішим облад-м для печей спалювання жид S явл форсунки, кіт повинні забезпечити тонке і рівномірне розпилення жид S, хороше змішання її з пов-м в самій форсунці і за нею, швидке регулю-е витрати жид S з збереж-ем необх-го соотнош-я її з повд-м, стійкість определ-ой форми, довжини факела, а також мати міцну конструкцію, надійну і зручну в експлуатації. Для безперебійної роботи форсунок важливо, щоб S була добре очищена від золи та бітумів. Форсунки бувають механіч-го (жид під власним тиском) і пневматич-го (у розпиленні ще бере участь повітря) дії.
Утилізація теплоти горіння сірки.
Реакція сильно екзотермічна, в результаті відбувається виділення великої кількості тепла і газу на виході з печей становить 1100-1300 0 С. Для контактного окислення SO 2 температура газу на вході в 1-ий шар ка-тра не повинна перевищувати 420 - 450 0 С. Тому перед стадією окислення SO 2 необхідно охолодження газового потоку та утилізації надлишкового тепла. У сірчано-кислотних системах, що працюють на сірці для утилізації теплоти, найбільше розповсюдження отримали водотрубні котли утилізатори з природною циркуляцією тепла. СЕТА - Ц (25 - 24); РКС 95/4,0 - 440.
Енерготехнологічний котел РКС 95/4,0 – 440 водотрубний, з природною циркуляцією, газощільний котел, розрахований на роботу з наддувом. Котел складається з випарних пристроїв 1-го 2-го ступеня, винесених економайзерів 1,2 ступеня, винесених пароперегрівачів 1,2 ступеня, барабана, топок для спалювання сірки. Топка призначена для спалювання до 650 т жид. Сірки на добу. Топка і двох циклонів, соед-ых щодо ін. друга під кутом 110 0 і перехідної камери.
Внутрішній корпус діаметром 2,6 м вільно опирається на опори. Зовнішній корпус діаметром 3 м. Кільцеве простір обр-ое внутрішнім і зовнішнім корпусом вводиться повітря, яке потім через сопла надходить у камеру згоряння. Сірка подається в топку за допомогою 8 сірчаних форсунок по 4 на кожному циклоні. Спалювання сірки відбувається у закрученому газоповітряному потоці. Завихрення потоку досягається тангінсіальним введенням повітря в топковий циклон через повітряні сопла по 3 у кожному циклоні. Кількість повітря регулюється заслінками з електроприводом кожному повітряному сопле. Перехідна камера призначена для направлення газового потоку з горизонтальних циклонів вертикальний газохід випарного пристрою. Внутрішня поверхня топки футована муліто-корундовою цеглою марки МКС - 72, товщиною 250 мм.
1 – циклони
2 - перехідна камера
3 – випарні пристрої
Сірка є хімічним елементом, який знаходиться в шостій групі і третьому періоді таблиці Менделєєва. У цій статті ми докладно розглянемо її хімічні та отримання, використання тощо. У фізичну характеристику входять такі ознаки, як колір, рівень електропровідності, температура кипіння сірки тощо. буд. Хімічна описує її взаємодію Космосу з іншими речовинами.
Сірка з погляду фізики
Це тендітна речовина. За нормальних умов воно перебуває у твердому агрегатному стані. Сірка має лимонно-жовте забарвлення.
І здебільшого всі її сполуки мають жовті відтінки. У воді не розчиняється. Має низьку тепло-і електропровідність. Ці ознаки характеризують її як типовий неметал. Незважаючи на те, що хімічний склад сірки зовсім не складний, дана речовина може мати кілька варіацій. Все залежить від будови кристалічних ґрат, за допомогою яких з'єднуються атоми, молекул же вони не утворюють.
Отже, перший варіант – ромбічна сірка. Вона є найстійкішою. Температура кипіння сірки такого типу становить 445 градусів за шкалою Цельсія. Але для того, щоб ця речовина перейшла в газоподібний агрегатний стан, йому спочатку необхідно пройти рідке. Отже, плавлення сірки відбувається за температури, що становить сто тринадцять градусів Цельсія.
Другий варіант – моноклінна сірка. Вона є кристалами голчастої форми з темно-жовтим забарвленням. Плавлення сірки першого типу, а потім її повільне охолодження призводить до формування цього виду. Цей різновид має майже ті ж фізичні характеристики. Наприклад, температура кипіння сірки такого типу - ті самі чотириста сорок п'ять градусів. Крім того, є такий різновид цієї речовини, як пластична. Її отримують за допомогою виливання в холодну воду нагрітої майже до ромбічної кипіння. Температура кипіння сірки цього виду така ж. Але речовина має властивість тягнутися, як гума.
Ще одна складова фізичної характеристики, про яку хотілося б сказати, – температура займання сірки.
Цей показник може відрізнятися залежно від типу матеріалу та його походження. Наприклад, температура займання сірки технічної становить 190 градусів. Це досить низький показник. В інших випадках температура спалаху сірки може становити двісті сорок вісім градусів і навіть двісті п'ятдесят шість. Все залежить від того, з якого матеріалу вона була добута, яку має щільність. Але можна зробити висновок, що температура горіння сірки досить низька, в порівнянні з іншими хімічними елементами, це легкозаймиста речовина. Крім того, іноді сірка може поєднуватися в молекули, що складаються з восьми, шести, чотирьох або двох атомів. Тепер, розглянувши сірку з погляду фізики, перейдемо до наступного розділу.
Хімічна характеристика сірки
Даний елемент має порівняно низьку атомну масу, вона дорівнює тридцяти двох грамів на моль. Характеристика елемента сірка включає таку особливість даної речовини, як здатність володіти різним ступенем окислення. Цим вона відрізняється від, скажімо, водню чи кисню. Розглядаючи питання про те, якою є хімічна характеристика елемента сірка, неможливо не згадати, що він, залежно від умов, виявляє як відновлювальні, так і окисні властивості. Отже, по порядку розглянемо взаємодію цієї речовини з різними хімічними сполуками.
Сірка та прості речовини
Найпростішими є речовини, які мають у своєму складі лише один хімічний елемент. Його атоми можуть поєднуватися в молекули, як, наприклад, у випадку з киснем, а можуть і не з'єднуватися, як це буває у металів. Так, сірка може вступати у реакції з металами, іншими неметалами та галогенами.
Взаємодія з металами
Для здійснення такого процесу необхідна висока температура. За таких умов відбувається реакція приєднання. Тобто атоми металу поєднуються з атомами сірки, утворюючи у своїй складні речовини сульфіди. Наприклад, якщо нагріти два молі калію, змішавши їх з одним моль сірки, отримаємо один моль сульфіду даного металу. Рівняння можна записати у такому вигляді: 2К + S = K2S.
Реакція із киснем
Це спалювання сірки. Внаслідок цього процесу утворюється її оксид. Останній може бути двох видів. Тому спалювання сірки може відбуватися у два етапи. Перший - це коли з одного моль сірки та одного моль кисню утворюється один моль діоксиду сульфуру. Записати рівняння даної хімічної реакції можна так: S + О 2 = SO 2 . Другий етап – приєднання до діоксиду ще одного атома оксигену. Відбувається це, якщо додати до двох моль один моль кисню за умов високої температури. В результаті отримаємо два моль триоксиду сульфуру. Рівняння даної хімічної взаємодії має такий вигляд: 2SO 2 + О 2 = 2SO 3 . Внаслідок такої реакції утворюється сірчана кислота. Так, здійснивши два описані процеси, можна пропустити отриманий триоксид через струмінь водяної пари. І отримаємо рівняння подібної реакції записується наступним чином: SO3 + Н2О = H2SO4.
Взаємодія з галогенами
Хімічні як та інших неметалів, дозволяють їй реагувати з цією групою речовин. До неї належать такі сполуки, як фтор, бром, хлор, йод. Сірка реагує з будь-яким із них, за винятком останнього. Як приклад можна навести процес фторування аналізованого нами елемента таблиці Менделєєва. За допомогою розігріву згаданого неметалу з галогеном можна отримати дві варіації фториду. Перший випадок: якщо взяти один моль сульфуру та три моль фтору, отримаємо один моль фториду, формула якого SF 6 . Рівняння виглядає так: S + 3F2 = SF6. Крім того, є другий варіант: якщо взяти один моль сірки та два моль фтору, отримаємо один моль фториду з хімічною формулою SF 4 . Рівняння записується у такому вигляді: S + 2F 2 = SF 4 . Як бачите все залежить від пропорцій, в яких змішати компоненти. Точно так само можна провести процес хлорування сірки (також може утворитися дві різні речовини) або бромування.
Взаємодія з іншими простими речовинами
У цьому характеристика елемента сірка не закінчується. Речовина може вступати в хімічну реакцію з гідрогеном, фосфором і карбоном. Внаслідок взаємодії з воднем утворюється сульфідна кислота. В результаті її реакції з металами можна отримати їх сульфіди, які, у свою чергу, також отримують прямим шляхом взаємодії сірки з тим самим металом. Приєднання атомів гідрогену до атомів сульфуру відбувається лише в умовах дуже високої температури. При реакції сірки із фосфором утворюється її фосфід. Він має таку формулу: P 2 S 3. Для того, щоб отримати один моль даної речовини, потрібно взяти два моль фосфору і три моль сульфуру. При взаємодії сірки з вуглецем утворюється карбід аналізованого неметалу. Його хімічна формула має такий вигляд: CS 2 . Для того щоб отримати один моль цієї речовини, потрібно взяти один моль вуглецю та два моль сірки. Всі описані вище реакції приєднання відбуваються лише за умови нагрівання реагентів до високих температур. Ми розглянули взаємодію сірки із простими речовинами, тепер перейдемо до наступного пункту.
Сірка та складні сполуки
Складними називаються ті речовини, молекули яких складаються із двох (або більше) різних елементів. Хімічні властивості сірки дозволяють їй реагувати з такими сполуками як луги, а також концентрована сульфатна кислота. Реакції її з цими речовинами досить своєрідні. Спочатку розглянемо, що відбувається при змішуванні аналізованого неметалу зі лугом. Наприклад, якщо взяти шість моль і додати до них три моль сірки, отримаємо два моль сульфіду калію, один моль сульфіту даного металу та три моль води. Такого роду реакцію можна виразити наступним рівнянням: 6КОН + 3S = 2K 2 S + K2SO 3 + 3Н 2 О. За таким же принципом відбувається взаємодія, якщо додати Далі розглянемо поведінку сірки при додаванні до неї концентрованого розчину сульфатної кислоти. Якщо взяти один моль першої та дві моль другої речовини, отримаємо такі продукти: триоксид сірки у кількості три моль, а також воду – два моль. Ця хімічна реакція може здійснитися лише при нагріванні реагентів до високої температури.
Отримання неметалу, що розглядається.
Існує кілька основних способів, за допомогою яких можна видобути сірку з різноманітних речовин. Перший метод – виділення її з піриту. Хімічна формула останнього - FeS2. При нагріванні даної речовини до високої температури без доступу до неї кисню можна отримати інший сульфід заліза - FeS - та сірку. Рівняння реакції записується у такому вигляді: FeS 2 = FeS + S. Другий спосіб отримання сірки, який часто використовується в промисловості, - це спалювання сульфіду сірки за умови невеликої кількості кисню. У такому випадку можна отримати аналізований неметал і воду. Для проведення реакції потрібно взяти компоненти у молярному співвідношенні два до одного. В результаті отримаємо кінцеві продукти у пропорціях два до двох. Рівняння цієї хімічної реакції можна записати так: 2H 2 S + О 2 = 2S + 2Н 2 О. Крім того, сірку можна отримати в ході різноманітних металургійних процесів, наприклад, при виробництві таких металів, як нікель, мідь та інші.
Використання в промисловості
Найширше своє застосування аналізований нами неметал знайшов у хімічній галузі. Як згадувалося вище, тут він використовується отримання з нього сульфатної кислоти. Крім того, сірка застосовується як компонент для виготовлення сірників, завдяки тому, що є легкозаймистим матеріалом. Незамінна вона і при виробництві вибухових речовин, пороху, бенгальських вогнів та ін. Крім того, сірку використовують як один з інгредієнтів засобів для боротьби зі шкідниками. У медицині її застосовують як компонент при виготовленні ліків від шкірних захворювань. Також аналізована речовина використовується при виробництві різноманітних барвників. Крім того, її застосовують при виготовленні люмінофорів.
Електронна будова сірки
Як відомо, всі атоми складаються з ядра, в якому знаходяться протони - позитивно заряджені частинки - і нейтрони, тобто частинки, що мають нульовий заряд. Навколо ядра обертаються електрони, заряд яких є негативним. Щоб атом був нейтральним, у його структурі має бути однакова кількість протонів та електронів. Якщо ж останніх більше, то це вже негативний іон - аніон. Якщо ж навпаки – кількість протонів більша, ніж електронів – це позитивний іон, або катіон. Аніон сірки може виступати як кислотний залишок. Він входить до складу молекул таких речовин, як сульфідна кислота (сірководень) та сульфіди металів. Аніон утворюється в ході електролітичної дисоціації, яка відбувається при розчиненні речовини у воді. При цьому молекула розпадається на катіон, який може бути представлений у вигляді іона металу або водню, а також катіон - іон кислотного залишку або гідроксильної групи (ОН-).
Так як порядковий номер сірки в таблиці Менделєєва - шістнадцять, можна зробити висновок, що в її ядрі знаходиться саме така кількість протонів. Виходячи з цього, можна сказати, що і електронів, що обертаються довкола, теж шістнадцять. Кількість нейтронів можна дізнатися, відібравши від молярної маси порядковий номер хімічного елемента: 32 - 16 = 16. Кожен електрон обертається не хаотично, а за певною орбітою. Так як сірка - хімічний елемент, який відноситься до третього періоду таблиці Менделєєва, то й орбіт навколо три ядра. На першій з них розташовано два електрони, на другій – вісім, на третій – шість. Електронна формула атома сірки записується так: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Поширеність у природі
В основному аналізований хімічний елемент зустрічається у складі мінералів, які є сульфідами різноманітних металів. Насамперед це пірит - сіль заліза; також це свинцевий, срібний, мідний блиск, цинкова обманка, кіновар - сульфід ртуті. Крім того, сірка може входити і до складу мінералів, структура яких представлена трьома та більш хімічними елементами.
Наприклад, халькопірит, мірабіліт, кізерит, гіпс. Можна розглянути кожен із них докладніше. Пірит - це сульфід ферум, або FeS 2 . Він має світло-жовте забарвлення із золотистим блиском. Даний мінерал можна часто зустріти як домішка в блакиті, яка широко використовується для виготовлення прикрас. Це з тим, що ці два мінерали часто мають загальне родовище. Мідний блиск - халькоцит, або халькозин - є синювато-сіра речовина, схожа на метал. і срібний блиск (аргентит) мають схожі властивості: вони обидва зовні нагадують метали, мають сіре забарвлення. Кіновар - це коричнево-червоний тьмяний мінерал із сірими вкрапленнями. Халькопірит, хімічна формула якого CuFeS 2 - золотисто-жовтий, його ще називають золотою обманкою. Цинкова обманка (сфалерит) може мати забарвлення від бурштинового до вогненно-жовтогарячого. Мірабіліт - Na 2 SO 4 x10H 2 O - прозорі чи білі кристали. Його ще називають застосовують у медицині. Хімічна формула кізериту - MgSO 4 xH 2 O. Він виглядає як білий або безбарвний порошок. Хімічна формула гіпсу - CaSO 4 x2H 2 O. Крім того, цей хімічний елемент входить до складу клітин живих організмів і є важливим мікроелементом.
При отриманні випалювального газу шляхом спалювання сірки відпадає необхідність очищення домішок. Стадія підготовки включатиме лише осушення газу та утилізацію кислоти. При спалюванні сірки протікає необоротна екзотермічна реакція:
S + O 2 = SO 2 (1)
з виділенням дуже великої кількості теплоти: зміна Н=-362,4 кДж/моль, або у перерахунку на одиницю маси 362,4/32=11,325 кДж/т = 11325 кДж/кг S.
Розплавлена рідка сірка, що подається на спалювання, випаровується (кипить) за температури 444,6 *С; теплота випаровування становить 288 кДж/кг. Як видно з наведених даних, теплоти реакції горіння сірки цілком достатньо для випаровування вихідної сировини, тому взаємодія сірки та кисню відбувається у газовій фазі (гомогенна реакція).
Спалювання сірки у промисловості проводять у такий спосіб. Сірку попередньо розплавляють (для цього можна використовувати водяну пару, отриману при утилізації теплоти основної реакції горіння сірки). Так як температура плавлення сірки порівняно низька, то шляхом відстоювання та подальшої фільтрації від сірки легко відокремити механічні домішки, що не перейшли в рідку фазу, і отримати вихідну сировину достатньо чистоти. Для спалювання розплавленої сірки використовують два типи печей. форсуночні та циклонні.Вони необхідно передбачити розпилення рідкої сірки для її швидкого випаровування та забезпечення надійного контакту з повітрям у всіх частинах апарату.
З печі випалювальний газ надходить у котел-утилізатор і далі наступні апарати.
Концентрація діоксиду сірки в газі залежить від співвідношення сірки і повітря, що подаються на спалювання. Якщо повітря беруть у стехіометричному кількості, тобто. на кожен моль сірки 1 моль кисню, то при повному згорянні сірки концентрація дорівнюватиме об'ємній частці кисню в повітрі С 2. max =21%. Однак зазвичай повітря беруть у надлишку, тому що в іншому випадку печі буде занадто висока температура.
При адіабатичному спалюванні сірки температура випалу для реакційної суміші стехіометричного складу становитиме ~ 1500*С. У практичних умовах можливості підвищення температури в печі обмежені тим, що вище 1300*С швидко руйнується футерування печі та газоходів. Зазвичай при спалюванні сірки одержують випалювальний газ, що містить 13 - 14% SO 2 .
2. Контактне окислення so2 до so3
Контактне окислення діоксиду сірки є типовим прикладом гетерогенного окисного екзотермічного каталізу.
Це один із найбільш вивчених каталітичних синтезів. У СРСР найбільш ґрунтовні роботи з вивчення окислення SO 2 в SO 3 та розробки каталізаторів були проведені Г.К. Боресковим. Реакція окислення діоксиду сірки
SO 2 + 0,5 O 2 = SO 3 (2)
характеризується дуже високим значенням енергії активації, і тому практичне її здійснення можливе лише у присутності каталізатора.
У промисловості основним каталізатором окиснення SO 2 є каталізатор на основі оксиду ванадію V 2 O 5 (ванадієва контактна маса). Кталітична активність у цій реакції виявляють інші сполуки, передусім платина. Однак, платинові каталізатори надзвичайно чутливі навіть до слідів миш'яку, селену, хлору та інших домішок і тому поступово були витіснені ванадієвим каталізатором.
Швидкість реакції підвищується зі зростанням концентрації кисню, тому процес у промисловості проводять за його надлишку.
Так як реакція окиснення SO 2 відноситься до типу екзотермічних, температурний режим проведення повинен наближатися до лінії оптимальних температур. На вибір температурного режиму додатково накладаються два обмеження, пов'язані з властивостями каталізатора. Нижньою температурною межею є температура запалення ванадієвих каталізаторів, що становить залежно від конкретного виду каталізатора та складу газу 400 – 440*С. верхня температурна межа становить 600 – 650*З і тим, що від цих температур відбувається перебудова структури каталізатора, і він втрачає свою активність.
У діапазоні 400 - 600 * С процес прагнуть провести так, щоб зі збільшенням ступеня перетворення температура зменшувалася.
Найчастіше в промисловості використовують поличкові контактні апарати із зовнішнім теплообміном. Схема теплообміну передбачає максимальне використання теплоти реакції для підігріву вихідного газу та одночасне охолодження газу між полицями.
Одне з найважливіших завдань, що стоять перед сірчано-кислотною промисловістю, - збільшення ступеня перетворення діоксиду сірки та зниження його викидів в атмосферу. Це завдання можна вирішити кількома методами.
Один з найбільш раціональних методів вирішення цього завдання, що повсюдно застосовується в сірчанокислотній промисловості, - метод подвійного контактування та подвійної абсорбції (ДКДА). Для зміщення рівноваги вправо та збільшення виходу процесу, а також для збільшення швидкості процесу процес проводять за цим методом. Його сутність полягає в тому, що реакційну суміш, в якій ступінь перетворення SO 2 становить 90 - 95%, охолоджують і направляють у проміжний абсорбер виділення SO 3 . У реакційному газі, що залишився, співвідношення O 2:SO 2 істотно підвищується, що призводить до зміщення рівноваги реакції вправо. Знову нагрітий реакційний газ знову подають в контактний апарат, де на одному-двох шарах каталізатора досягають 95% ступеня перетворення SO 2 .