Серная кислота – основной продукт химической промышленности

В химии и смежных науках распространена фраза немецкого учёного, основоположника агрохимии и системы химического образования, Юстуса фон Либиха (1803–1873): «О промышленном развитии страны можно судить по количеству серной кислоты, которую она потребляет».

В данной статье мы расскажем о производстве серной кислоты – одного из ключевых продуктов не только химической отрасли, но и промышленности в целом.

Серная кислота относится к классу неорганических веществ и характеризуется как сильная двухосновная кислота с максимальной степенью окисления серы (+6). Под термином «серная кислота» подразумевают её водные растворы, используемые в промышленности. Олеум же представляет собой раствор серного ангидрида (SO₃) в чистой серной кислоте, концентрация которого достигает более 100%.

Как и серная кислота, олеум обладает свойствами токсичной жидкости, внешне похожей на масло, прозрачной и без выраженного запаха. Цветовая гамма серной кислоты и олеума зависит от содержания примесей, способствующих изменению оттенка вещества (чаще всего жёлтый оттенок). При контакте олеума с влажным воздухом возникает эффект появления «дымки» вблизи поверхности раствора.

Использование серной кислоты столь многообразно, что объём её производства нередко служит индикатором общего состояния химической отрасли. Значительная доля производимой кислоты идёт на изготовление минеральных удобрений.

Ещё в 1900 году Д.И. Менделеев подчёркивал, что серная кислота главным образом применяется для изготовления бездымного пороха, очистки нефтепродуктов и синтеза суперфосфатов. Сегодня спектр её применения значительно расширился.

Производство серной кислоты демонстрирует устойчивый рост и расширение сфер своего применения в течение последних десятилетий. Области использования серной кислоты также включают:

Производство серной кислоты имеет историю длиной свыше тысячелетия. Уже в VIII-IX столетиях алхимикам удавалось получать её путем интенсивного нагрева железного купороса («зелёного камня»), создавая тяжёлую маслянистую субстанцию, известную как купоросное масло.

К пятнадцатому веку алхимики обнаружили способ изготовления серной кислоты посредством сжигания смеси серы и селитры. Этот процесс применялся около трёхсот лет, хотя объёмы были ограничены и выполнялись исключительно в лабораторных условиях – особых стеклянных сосудах, называемых ретортами. Лишь во второй половине восемнадцатого столетия было установлено, что свинец обладает высокой устойчивостью к воздействию серной кислоты, вследствие чего небольшие стеклянные ёмкости начали заменяться крупными свинцовыми резервуарами, наполненными либо водой, либо разбавленной серной кислотой, предназначавшимися для абсорбции выделяемого серного газа. Эта процедура осуществлялась поэтапно, периодически прерываясь для пополнения камер новыми порциями реагентов. Первый завод по производству серной кислоты появился в Великобритании в 1740 году, где смесь серы и селитры сгорала внутри свинцовых контейнеров, а полученный сернистый газ проходил обработку водой в стеклянных сосудах, превращаясь в серную кислоту с концентрацией менее 60%.

До начала девятнадцатого века единственным химическим веществом, выпускаемым промышленным способом, была именно серная кислота, тогда как прочие соединения изготавливались «кустарно». Однако, начиная с первой половины XIX века, объём выпуска резко увеличился благодаря развитию химической промышленности, особенно соды, которая нуждалась в большом количестве серной кислоты. Химические исследования того периода показали способность окислов азота передавать кислород двуокиси серы. Это открытие привело к внедрению нового способа непрерывного процесса, при котором сернистый газ вырабатывался отдельно в специализированных печах, а роль селитры теперь играла азотная кислота. Для повышения эффективности также использовалась подача водяного пара. Но новый метод оказался затратным, поскольку основным компонентом оставалось дорогостоящее сырье – сера, кроме того, большие объёмы азотной кислоты расходовались впустую вместе с выбросами газов. Ученые вскоре предложили ловушку для оксидов азота с использованием стекающего потока серной кислоты в специальной установке позади реакционных камер, создаваемой специально для обработки отходящих газов. Серную кислоту, произведённую таким образом, назвали башенной, с концентрацией примерно 75%. Затем последовало предложение отделять оксиды азота из башни непосредственно перед камерой, куда поступали газы обжига, обеспечивая замкнутый цикл в производстве. Хотя возможность извлечения серы из пирита была известна ещё с эпохи средневековья, лишь в 1833 году возникла идея использовать этот материал для промышленного синтеза сернистого газа, оборудовав соответствующую плавильную установку. Эти технологические улучшения существенно снизили себестоимость производства серной кислоты.

В материаловедении широко применяется метод экспресс-тестов или предварительного анализа применимости материала для заданных условий эксплуатации. Особенно актуально данное направление в химической, пищевой и биотехнологической отраслях промышленности. Метод позволяет за короткие сроки отсеять материалы, подверженные коррозии даже при кратковременном нахождении в рабочей среде, таким образом сократив количество материалов для опытно-промышленных испытаний. Дальнейшие испытания проводятся при размещении образцов оборудовании на срок до планового технического обслуживания или ремонта.

Компания «Техсплав» предоставила сотрудникам Московского Политехнического университета образцы пластин разных сплавов для испытания их применимости в серной кислоте.

Среди предоставленных образцов – пластины из сплавов 29НК, 36Н, 42НА-ВИ-М, 47НД-М, НП2 ДПРНМ, Х20Н80, Х23Ю5Т, ХН70Ю. Ознакомиться с этими и многими другими сплавами Вы можете в каталоге нашей компании (https://www.tehsplav.ru/catalog).

В ближайших статьях нашего блога мы расскажем и покажем результаты испытаний.