Physikalisch-chemische Grundlagen des Schwefelverbrennungsprozesses.
Die Verbrennung von S erfolgt unter Freisetzung einer großen Wärmemenge: 0,5S 2g + O 2g = SO 2g, ΔH = -362,43 kJ
Die Verbrennung ist ein Komplex chemischer und physikalischer Phänomene. In einer Verbrennungsanlage muss man sich mit komplexen Feldern von Geschwindigkeiten, Konzentrationen und Temperaturen auseinandersetzen, die sich mathematisch nur schwer beschreiben lassen.
Die Verbrennung von geschmolzenem S hängt von den Bedingungen der Wechselwirkung und Verbrennung einzelner Tröpfchen ab. Die Effizienz des Verbrennungsprozesses wird durch den Zeitpunkt der vollständigen Verbrennung jedes einzelnen Schwefelpartikels bestimmt. Der Verbrennung von Schwefel, die nur in der Gasphase stattfindet, geht die Verdampfung von S, die Vermischung seiner Dämpfe mit Luft und die Erwärmung des Gemisches auf t voraus, was die erforderliche Reaktionsgeschwindigkeit gewährleistet. Da eine stärkere Verdunstung von der Oberfläche eines Tropfens erst bei einer bestimmten t einsetzt, muss jeder Tropfen flüssigen Schwefels auf diese t erhitzt werden. Je höher t, desto länger dauert es, den Tropfen aufzuwärmen. Wenn sich über der Tropfenoberfläche ein brennbares Gemisch aus Dampf S und Luft maximaler Konzentration und t bildet, kommt es zur Entzündung. Der Verbrennungsprozess eines S-Tropfens hängt von den Verbrennungsbedingungen ab: t und der relativen Geschwindigkeit des Gasstroms sowie den physikalischen und chemischen Eigenschaften von flüssigem S (z. B. dem Vorhandensein fester Ascheverunreinigungen in S) und besteht aus Stufen: 1 – Tropfen der Flüssigkeit S mit Luft mischen; 2-Erhitzen dieser Tropfen und Verdampfen; 3-thermische Spaltung von S-Dämpfen; 4-Bildung der Gasphase und deren Zündung; 5-Verbrennung der Gasphase.
Diese Phasen treten nahezu gleichzeitig auf.
Durch die Erwärmung beginnt ein Tropfen flüssiges S zu verdampfen, S-Dämpfe diffundieren in die Verbrennungszone, wo sie bei hoher t beginnen, aktiv mit O 2 in der Luft zu reagieren, und es findet der Prozess der Diffusionsverbrennung von S statt Bildung von SO 2.
Bei hohem t ist die Geschwindigkeit der Oxidationsreaktion S größer als die Geschwindigkeit physikalischer Prozesse, daher wird die Gesamtgeschwindigkeit des Verbrennungsprozesses durch die Prozesse der Stoff- und Wärmeübertragung bestimmt.
Die molekulare Diffusion bestimmt einen ruhigen, relativ langsamen Verbrennungsprozess, während die turbulente Diffusion ihn beschleunigt. Mit abnehmender Tröpfchengröße verkürzt sich die Verdunstungszeit. Durch die feine Zerstäubung der Schwefelpartikel und deren gleichmäßige Verteilung im Luftstrom wird die Kontaktfläche vergrößert, wodurch die Erwärmung und Verdampfung der Partikel erleichtert wird. Beim Verbrennen jedes einzelnen Tropfens S in der Fackelzusammensetzung sind 3 Perioden zu unterscheiden: ICH-Inkubation; II- intensive Verbrennung; III- die Zeit der Nachverbrennung.
Wenn ein Tropfen brennt, entstehen an seiner Oberfläche Flammen, die an Sonneneruptionen erinnern. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Diffusionsverbrennung, bei der Flammen aus der Oberfläche eines brennenden Tropfens austreten, spricht man von „explosiver Verbrennung“.
Die Verbrennung eines Tröpfchens S im Diffusionsmodus erfolgt durch die Verdampfung von Molekülen von der Oberfläche des Tröpfchens. Die Verdunstungsrate hängt von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit und der Umgebungstemperatur ab und wird durch die Charakteristik der Verdunstungsrate bestimmt. Im Differentialmodus leuchtet S in den Perioden I und III. Eine explosionsartige Verbrennung eines Tropfens wird nur während der intensiven Verbrennung in Periode II beobachtet. Die Dauer der intensiven Verbrennungsperiode ist proportional zur dritten Potenz des Anfangsdurchmessers des Tropfens. Dies liegt daran, dass die explosionsartige Verbrennung eine Folge von Prozessen ist, die im Tropfenvolumen ablaufen. Eigenschaften der Brenngeschwindigkeit berechnet. von f-le: ZU= /τ сг;
d n – Anfangsdurchmesser des Tropfens, mm; τ – Zeit der vollständigen Verbrennung des Tropfens, s.
Die Charakteristik der Trist gleich der Summe der Eigenschaften der Diffusion und der explosiven Verbrennung: ZU= K in + K diff; Kvz= 0,78∙exp(-(1,59∙ð) 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 – Verbrbei t 1 = 1073 K. K T2 – Konstante. Heizrate bei t unterschiedlich zu t 1. E a – Aktivierungsenergie (7850 kJ/mol).
DAS. Die Hauptbedingungen für eine effektive Verbrennung von flüssigem S sind: Zufuhr der gesamten erforderlichen Luftmenge zur Brennermündung, feines und gleichmäßiges Zerstäuben von flüssigem S, Turbulenz der Strömung und hohe T.
Die allgemeine Abhängigkeit der Verdampfungsintensität von flüssigem S von der Gasgeschwindigkeit und t: K 1= a∙V/(b+V); a, b sind von t abhängige Konstanten. V – Geschwindigkeit Gas, m/s. Bei höheren t beträgt die Abhängigkeit der Verdampfungsintensität S von der Gasgeschwindigkeit: K 1= K o ∙ V n ;
| t, o C | lgK ungefähr | N |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
Bei einer Erhöhung von t von 120 auf 180 °C erhöht sich die Verdunstungsintensität S um das 5- bis 10-fache und von 180 auf 440 °C um das 300- bis 500-fache.
Die Verdampfungsrate bei einer Gasgeschwindigkeit von 0,104 m/s wird ermittelt: = 8,745 – 2600/T (bei 120–140 °C); = 7,346 –2025/T (bei 140–200 °C); = 10,415 – 3480/T (bei 200–440 °C).
Um die Verdampfungsrate S bei jeder Temperatur von 140 bis 440 °C und einer Gasgeschwindigkeit im Bereich von 0,026–0,26 m/s zu bestimmen, wird sie zunächst für eine Gasgeschwindigkeit von 0,104 m/s ermittelt und auf eine andere Geschwindigkeit umgerechnet: lg = lg + n ∙ lgV `` /V ` ; Ein Vergleich der Verdampfungsintensität von flüssigem Schwefel und der Verbrennungsgeschwindigkeit legt nahe, dass die Verbrennungsintensität die Verdampfungsintensität am Siedepunkt von Schwefel nicht überschreiten kann. Dies bestätigt die Richtigkeit des Verbrennungsmechanismus, wonach Schwefel nur im dampfförmigen Zustand verbrennt. Die Geschwindigkeitskonstante für die Oxidation von Schwefeldampf (die Reaktion verläuft nach einer Gleichung zweiter Ordnung) wird durch die kinetische Gleichung bestimmt: -dС S /d = К∙С S ∙С О2 ; С S – Dampfkonzentration S; C O2 – Konzentration von O 2 -Dampf; K ist die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante. Die Gesamtkonzentration der S- und O2-Dämpfe beträgt: Mit S= a(1-x); Mit O2= b – 2ax; a ist die anfängliche Dampfkonzentration S; b – anfängliche Konzentration von O 2 -Dampf; x ist der Oxidationszustand des Dampfes S. Dann:
K∙τ= (2.3 /(b – 2a)) ∙ (log(b – ax/b(1 - x)));
Geschwindigkeitskonstante für die Oxidation von S zu SO 2: lgK= B – A/T;
| o C | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| IN | 3,49 | 2,92 |
| A |
Schwefeltropfen d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100 µm bei der Explosion, im Bereich von 100-160 µm verlängert sich die Brenndauer der Tröpfchen nicht.
Das. Um den Verbrennungsprozess zu intensivieren, empfiehlt es sich, Schwefel in Tröpfchen d = 130-200 μm zu versprühen, was zusätzliche Energie erfordert. Beim Verbrennen der gleichen Menge erhält man S. SO 2 ist umso konzentrierter, je kleiner das Ofengasvolumen und je höher seine t ist.
1 – CO2; 2 – С SO2
Die Abbildung zeigt den ungefähren Zusammenhang zwischen t und der SO 2 -Konzentration im Ofengas, das bei der adiabatischen Verbrennung von Schwefel in Luft entsteht. In der Praxis wird hochkonzentriertes SO 2 erhalten, wobei die Grenze darin besteht, dass bei t > 1300 die Auskleidung des Ofens und der Gaskanäle schnell zusammenbricht. Darüber hinaus kann es unter diesen Bedingungen zu Nebenreaktionen zwischen O 2 und N 2 der Luft unter Bildung von Stickoxiden kommen, die eine unerwünschte Verunreinigung von SO 2 darstellen, daher wird in Schwefelöfen üblicherweise t = 1000-1200 eingehalten. Und Ofengase enthalten 12-14 Vol.-% SO 2. Aus einem Volumen O 2 entsteht ein Volumen SO 2, daher beträgt der maximale theoretische Gehalt an SO 2 im Kalzinierungsgas bei der Verbrennung von S in Luft 21 %. Beim Verbrennen von S an der Luft brennt es. Der O 2 SO 2 -Gehalt in einem Gasgemisch kann je nach O 2 -Konzentration ansteigen. Der theoretische Gehalt an SO 2 beim Verbrennen von S in reinem O 2 kann 100 % erreichen. Die mögliche Zusammensetzung des Röstgases, das durch die Verbrennung von S in Luft und in verschiedenen Sauerstoff-Stickstoff-Gemischen entsteht, ist in der Abbildung dargestellt:
Öfen zum Verbrennen von Schwefel.
Die Verbrennung von S bei der Schwefelsäureproduktion erfolgt in Öfen in zerstäubtem oder festem Zustand. Zum Verbrennen von geschmolzenem S werden Düsen-, Zyklon- und Vibrationsöfen verwendet. Am häufigsten werden Zyklon und Düse verwendet. Diese Öfen werden nach folgenden Kriterien klassifiziert:- nach der Art der installierten Düsen (mechanisch, pneumatisch, hydraulisch) und ihrer Position im Ofen (radial, tangential); - das Vorhandensein von Sieben in den Brennkammern; - je nach Ausführung (horizontal, vertikal); - entsprechend der Lage der Einlasslöcher für die Luftzufuhr; - an Geräten zum Mischen von Luftströmen mit Dämpfen S; - an Geräten zur Nutzung der Verbrennungswärme S; - nach der Anzahl der Kameras.
Düsenofen (Reis)
1 - Stahlzylinder, 2 - Auskleidung. 3 - Asbest, 4 - Trennwände. 5 - Düse zum Versprühen von Kraftstoff, 6 - Düse zum Versprühen von Schwefel,
7 - Kasten zur Luftversorgung des Ofens.
Es hat ein recht einfaches Design, ist leicht zu warten und produziert Gas mit einer konstanten SO 2 -Konzentration. Zu gravierenden Mängeln Dazu gehören: allmähliche Zerstörung von Partitionen aufgrund hoher T; geringe Hitzebelastung der Brennkammer; Schwierigkeiten bei der Gewinnung von hochkonzentriertem Gas, weil viel Luft verbrauchen; Abhängigkeit des Verbrennungsanteils von der Zerstäubungsqualität S; bedeutet Brennstoffverbrauch beim Starten und Aufwärmen des Ofens; vergleichsweise große Abmessungen und Gewicht und dadurch erhebliche Kapitalinvestitionen, abgeleitete Flächen, Betriebskosten und große Wärmeverluste an die Umgebung.
Mehr perfekt Zyklonöfen.
1 - Vorkammer, 2 - Luftkasten, 3, 5 - Nachbrennkammern, 4. 6 - Quetschringe, 7, 9 - Düsen für Luftzufuhr, 8, 10 - Düsen für Schwefelzufuhr.
Zugang: tangentialer Luft- und S-Einlass; gewährleistet eine gleichmäßige Verbrennung von S im Ofen aufgrund einer besseren Turbulenz der Strömungen; Möglichkeit, konzentriertes Prozessgas bis zu 18 Vol.-% SO 2 zu erhalten; hohe thermische Spannung des Brennraums (4,6 · 10 6 W/m 3); das Volumen der Vorrichtung wird im Vergleich zum Volumen eines Düsenofens gleicher Produktivität um das 30- bis 40-fache reduziert; konstante Konzentration von SO 2; einfache Regelung des Verbrennungsprozentsatzes S und dessen Automatisierung; geringer Zeit- und Brennmaterialverbrauch zum Aufheizen und Starten des Ofens nach längerem Stillstand; geringerer Stickoxidgehalt nach dem Ofen. Hauptwochen verbunden mit einem hohen t im Verbrennungsprozentsatz; Risse in der Auskleidung und an den Schweißnähten sind möglich; Eine unbefriedigende Zerstäubung von S führt zum Durchbruch seiner Dämpfe in die Austauschausrüstung nach dem Ofen und in der Folge zu Korrosion der Ausrüstung und Instabilität von t am Eingang der Austauschausrüstung.
Geschmolzenes S kann durch Düsen mit tangentialer oder axialer Anordnung in den Ofen gelangen. Durch die axiale Anordnung der Düsen liegt die Verbrennungszone näher an der Peripherie. Mit Tangen - näher an der Mitte, wodurch die Auswirkung von hohem T auf die Auskleidung verringert wird. (Abb.) Die Gasströmungsgeschwindigkeit beträgt 100–120 m/s – dies schafft günstige Bedingungen für den Stoff- und Wärmeübergang und erhöht die Verbrennungsgeschwindigkeit S.
Vibrationsofen (Reis).
1 – Brennerofenkopf; 2 – Rücklaufventile; 3 – Vibrationskanal.
Bei der Vibrationsverbrennung ändern sich alle Parameter des Prozesses periodisch (Druck in der Kammer, Geschwindigkeit und Zusammensetzung des Gasgemisches, t). Gerät zur Vibration Verbrennung S wird als Brennerofen bezeichnet. Vor dem Ofen werden S und Luft gemischt und strömen durch Rückschlagventile (2) in den Kopf des Ofenbrenners, wo die Mischung verbrannt wird. Die Rohstoffversorgung erfolgt portionsweise (zyklisch). Bei dieser Version des Ofens erhöhen sich die Hitzebelastung und die Verbrennungsgeschwindigkeit erheblich, aber vor dem Zünden des Gemisches ist eine gute Vermischung des versprühten S mit Luft erforderlich, damit der Prozess sofort abläuft. In diesem Fall werden die Verbrennungsprodukte gut vermischt, der die S-Partikel umgebende SO 2 -Gasfilm wird zerstört und erleichtert den Zugang neuer O 2 -Portionen in die Verbrennungszone. In einem solchen Ofen entfernt das gebildete SO 2 keine unverbrannten Partikel, seine Konzentration ist hoch.
Ein Zyklonofen zeichnet sich im Vergleich zu einem Düsenofen durch eine 40- bis 65-mal höhere thermische Belastung, die Möglichkeit, konzentrierteres Gas und eine höhere Dampfproduktion zu erhalten, aus.
Die wichtigste Ausrüstung für Verbrennungsöfen sind Flüssigkeits-S-Düsen, die ein feines und gleichmäßiges Zerstäuben der Flüssigkeit S, eine gute Vermischung mit der Luft in der Düse selbst und dahinter sowie eine schnelle Einstellung der Durchflussmenge der Flüssigkeit S bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung gewährleisten müssen Die Beziehung zur Luft, die Stabilität einer bestimmten Form und die Länge des Brenners sind notwendig, außerdem muss er langlebig, zuverlässig und einfach zu bedienen sein. Für einen reibungslosen Betrieb der Injektoren ist es wichtig, dass S gut von Asche und Bitumen gereinigt ist. Düsen können mechanisch (Flüssigkeit unter eigenem Druck) oder pneumatisch (auch Luft ist am Sprühen beteiligt) sein.
Nutzung der Verbrennungswärme von Schwefel.
Die Reaktion ist stark exotherm, dadurch wird viel Wärme freigesetzt und die Gastemperatur am Ausgang der Öfen beträgt 1100-1300 0 C. Bei der Kontaktoxidation von SO 2 beträgt die Gastemperatur am Eingang zum 1 Die Temperatur der Ofenschicht sollte 420 - 450 0 C nicht überschreiten. Daher ist es vor der SO 2 -Oxidationsstufe erforderlich, den Gasstrom abzukühlen und überschüssige Wärme zu nutzen. In Schwefelsäuresystemen, die zur Wärmerückgewinnung mit Schwefel betrieben werden, werden am häufigsten Wasserrohr-Abhitzekessel mit natürlicher Wärmezirkulation eingesetzt. SETA – C (25 - 24); RKS 95/4,0 – 440.
Der energietechnische Kessel RKS 95/4,0 – 440 ist ein gasdichter Wasserrohr-Naturumlaufkessel, der für den Betrieb mit Druckbeaufschlagung ausgelegt ist. Der Kessel besteht aus Verdampfungsvorrichtungen der 1. und 2. Stufe, Fernekonomisern der 1. und 2. Stufe, Fernüberhitzern der 1. und 2. Stufe, einer Trommel und Öfen zum Verbrennen von Schwefel. Der Feuerraum ist für die Verbrennung von bis zu 650 Tonnen Flüssigkeit ausgelegt. Schwefel pro Tag. Der Ofen besteht aus zwei im Winkel von 110° zueinander verbundenen Zyklonen und einer Übergangskammer.
Das Innengehäuse hat einen Durchmesser von 2,6 m und ruht frei auf Stützen. Das Außengehäuse hat einen Durchmesser von 3 m. In den von Innen- und Außengehäuse gebildeten Ringraum wird Luft eingeleitet, die dann über Düsen in die Brennkammer gelangt. Der Schwefel wird dem Ofen über 8 Schwefeldüsen zugeführt, 4 an jedem Zyklon. Die Schwefelverbrennung erfolgt in einem wirbelnden Gas-Luft-Strom. Der Strömungswirbel wird durch tangentiales Einführen von Luft in den Verbrennungszyklon durch Luftdüsen (3 in jedem Zyklon) erreicht. Die Luftmenge wird durch elektrisch angetriebene Klappen an jeder Luftdüse reguliert. Die Übergangskammer dient dazu, den Gasstrom von horizontalen Zyklonen in den vertikalen Gaskanal der Verdampfungsvorrichtung zu leiten. Die Innenfläche des Feuerraums ist mit Mulit-Korund-Ziegeln der Güteklasse MKS-72 mit einer Dicke von 250 mm ausgekleidet.
1 – Zyklone
2 - Übergangskammer
3 – Verdampfungsgeräte
Schwefel ist ein chemisches Element, das in der sechsten Gruppe und dritten Periode des Periodensystems vorkommt. In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf seine chemischen Eigenschaften, Herstellung, Verwendung usw. Die physikalischen Eigenschaften umfassen Eigenschaften wie Farbe, elektrische Leitfähigkeit, Siedepunkt von Schwefel usw. Chemische Eigenschaften beschreiben seine Wechselwirkung mit anderen Substanzen.
Schwefel aus physikalischer Sicht
Dies ist eine zerbrechliche Substanz. Unter normalen Bedingungen verbleibt es in einem festen Aggregatzustand. Schwefel hat eine zitronengelbe Farbe.
Und zum größten Teil weisen alle seine Verbindungen gelbe Farbtöne auf. Löst sich nicht in Wasser auf. Es hat eine geringe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Diese Merkmale charakterisieren es als typisches Nichtmetall. Obwohl die chemische Zusammensetzung von Schwefel überhaupt nicht kompliziert ist, kann dieser Stoff mehrere Variationen aufweisen. Es hängt alles von der Struktur des Kristallgitters ab, mit dessen Hilfe Atome verbunden werden, aber keine Moleküle bilden.
Die erste Option ist also rhombischer Schwefel. Es ist am stabilsten. Der Siedepunkt dieser Schwefelart liegt bei 445 Grad Celsius. Damit ein bestimmter Stoff jedoch in einen gasförmigen Aggregatszustand übergehen kann, muss er zunächst den flüssigen Zustand durchlaufen. Das Schmelzen von Schwefel erfolgt also bei einer Temperatur von einhundertdreizehn Grad Celsius.
Die zweite Option ist monokliner Schwefel. Es ist ein nadelförmiger Kristall mit dunkelgelber Farbe. Durch Schmelzen der ersten Schwefelsorte und anschließendes langsames Abkühlen entsteht diese Schwefelsorte. Diese Sorte hat fast die gleichen physikalischen Eigenschaften. Der Siedepunkt dieser Art von Schwefel liegt beispielsweise bei 445 Grad. Darüber hinaus gibt es eine solche Vielfalt dieses Stoffes wie Kunststoff. Man erhält es, indem man rhombisches, fast zum Sieden erhitztes Wasser in kaltes Wasser gießt. Der Siedepunkt dieser Schwefelart ist gleich. Aber der Stoff hat die Eigenschaft, sich wie Gummi zu dehnen.
Ein weiterer Bestandteil der physikalischen Eigenschaften, über den ich sprechen möchte, ist die Zündtemperatur von Schwefel.
Dieser Indikator kann je nach Art des Materials und seiner Herkunft variieren. Beispielsweise beträgt die Zündtemperatur von technischem Schwefel einhundertneunzig Grad. Das ist ein relativ niedriger Wert. In anderen Fällen kann der Flammpunkt von Schwefel zweihundertachtundvierzig Grad und sogar zweihundertsechsundfünfzig Grad betragen. Es hängt alles davon ab, aus welchem Material es gewonnen wurde und welche Dichte es hat. Wir können jedoch den Schluss ziehen, dass die Verbrennungstemperatur von Schwefel im Vergleich zu anderen chemischen Elementen recht niedrig ist; es handelt sich um eine brennbare Substanz. Darüber hinaus kann sich Schwefel manchmal zu Molekülen verbinden, die aus acht, sechs, vier oder zwei Atomen bestehen. Nachdem wir Schwefel nun aus physikalischer Sicht betrachtet haben, fahren wir mit dem nächsten Abschnitt fort.
Chemische Eigenschaften von Schwefel
Dieses Element hat eine relativ geringe Atommasse von 32 Gramm pro Mol. Zu den Eigenschaften des Elements Schwefel gehört die Fähigkeit dieses Stoffes, unterschiedliche Oxidationsgrade aufzuweisen. Dies unterscheidet sich beispielsweise von Wasserstoff oder Sauerstoff. Bei der Frage nach den chemischen Eigenschaften des Elements Schwefel kommt man nicht umhin, zu erwähnen, dass es je nach Bedingungen sowohl reduzierende als auch oxidierende Eigenschaften aufweist. Schauen wir uns also der Reihe nach die Wechselwirkung dieser Substanz mit verschiedenen chemischen Verbindungen an.
Schwefel und einfache Stoffe
Einfache Stoffe sind Stoffe, die nur ein chemisches Element enthalten. Seine Atome können sich zu Molekülen verbinden, wie zum Beispiel im Fall von Sauerstoff, oder sie können sich nicht verbinden, wie es bei Metallen der Fall ist. So kann Schwefel mit Metallen, anderen Nichtmetallen und Halogenen reagieren.
Wechselwirkung mit Metallen
Um einen solchen Prozess durchzuführen, ist eine hohe Temperatur erforderlich. Unter diesen Bedingungen findet eine Additionsreaktion statt. Das heißt, Metallatome verbinden sich mit Schwefelatomen und bilden komplexe Sulfide. Wenn man beispielsweise zwei Mol Kalium erhitzt und mit einem Mol Schwefel vermischt, erhält man ein Mol Sulfid dieses Metalls. Die Gleichung kann wie folgt geschrieben werden: 2K + S = K 2 S.
Reaktion mit Sauerstoff
Dies ist das Verbrennen von Schwefel. Als Ergebnis dieses Prozesses entsteht sein Oxid. Letzteres kann zweierlei Art sein. Daher kann die Schwefelverbrennung in zwei Stufen erfolgen. Im ersten Fall entsteht aus einem Mol Schwefel und einem Mol Sauerstoff ein Mol Schwefeldioxid. Die Gleichung für diese chemische Reaktion kann wie folgt geschrieben werden: S + O 2 = SO 2. Im zweiten Schritt wird dem Dioxid ein weiteres Sauerstoffatom hinzugefügt. Dies geschieht, wenn man bei hohen Temperaturen ein Mol Sauerstoff zu zwei Mol hinzufügt. Das Ergebnis sind zwei Mol Schwefeltrioxid. Die Gleichung für diese chemische Wechselwirkung sieht wie folgt aus: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3 . Als Ergebnis dieser Reaktion entsteht Schwefelsäure. Nachdem Sie die beiden beschriebenen Prozesse durchgeführt haben, können Sie das resultierende Trioxid durch einen Wasserdampfstrom leiten. Und wir erhalten die Gleichung für eine solche Reaktion wie folgt: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4.
Wechselwirkung mit Halogenen
Chemikalien ermöglichen wie andere Nichtmetalle die Reaktion mit einer bestimmten Stoffgruppe. Es umfasst Verbindungen wie Fluor, Brom, Chlor, Jod. Schwefel reagiert mit jedem von ihnen außer dem letzten. Als Beispiel können wir den Prozess der Fluoridierung des Elements des Periodensystems nennen, das wir betrachten. Durch Erhitzen des genannten Nichtmetalls mit einem Halogen können zwei Fluoridvarianten erhalten werden. Der erste Fall: Wenn wir ein Mol Schwefel und drei Mol Fluor nehmen, erhalten wir ein Mol Fluorid, dessen Formel SF 6 lautet. Die Gleichung sieht so aus: S + 3F 2 = SF 6. Darüber hinaus gibt es noch eine zweite Möglichkeit: Wenn wir ein Mol Schwefel und zwei Mol Fluor nehmen, erhalten wir ein Mol Fluorid mit der chemischen Formel SF 4. Die Gleichung lautet wie folgt: S + 2F 2 = SF 4. Wie Sie sehen, hängt alles von den Anteilen ab, in denen die Komponenten gemischt werden. Genauso kann auch der Prozess der Schwefelchlorierung (es können auch zwei unterschiedliche Stoffe entstehen) oder der Bromierung durchgeführt werden.
Wechselwirkung mit anderen einfachen Substanzen
Die Eigenschaften des Elements Schwefel enden hier jedoch nicht. Der Stoff kann auch chemisch mit Wasserstoff, Phosphor und Kohlenstoff reagieren. Durch die Wechselwirkung mit Wasserstoff entsteht Sulfidsäure. Durch die Reaktion mit Metallen können deren Sulfide gewonnen werden, die wiederum direkt durch Reaktion von Schwefel mit demselben Metall gewonnen werden. Die Addition von Wasserstoffatomen an Schwefelatome erfolgt nur unter sehr hohen Temperaturbedingungen. Wenn Schwefel mit Phosphor reagiert, entsteht dessen Phosphid. Es hat die folgende Formel: P 2 S 3. Um ein Mol dieser Substanz zu erhalten, müssen Sie zwei Mol Phosphor und drei Mol Schwefel einnehmen. Wenn Schwefel mit Kohlenstoff interagiert, entsteht ein Karbid des betreffenden Nichtmetalls. Seine chemische Formel sieht so aus: CS 2. Um ein Mol einer bestimmten Substanz zu erhalten, müssen Sie ein Mol Kohlenstoff und zwei Mol Schwefel nehmen. Alle oben beschriebenen Additionsreaktionen laufen nur ab, wenn die Reagenzien auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Wir haben uns die Wechselwirkung von Schwefel mit einfachen Stoffen angeschaut, kommen wir nun zum nächsten Punkt.
Schwefel und komplexe Verbindungen
Komplexe Stoffe sind solche Stoffe, deren Moleküle aus zwei (oder mehr) verschiedenen Elementen bestehen. Die chemischen Eigenschaften von Schwefel ermöglichen die Reaktion mit Verbindungen wie Alkalien und konzentrierter Sulfatsäure. Seine Reaktionen mit diesen Substanzen sind recht eigenartig. Schauen wir uns zunächst an, was passiert, wenn das betreffende Nichtmetall mit Alkali vermischt wird. Nimmt man beispielsweise sechs Mol und fügt drei Mol Schwefel hinzu, erhält man zwei Mol Kaliumsulfid, ein Mol Kaliumsulfit und drei Mol Wasser. Diese Art von Reaktion kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden: 6KOH + 3S = 2K 2 S + K2SO 3 + 3H 2 O. Das gleiche Wechselwirkungsprinzip tritt auf, wenn man Schwefel hinzufügt. Betrachten Sie als Nächstes das Verhalten von Schwefel bei einer konzentrierten Lösung von Sulfatsäure wird hinzugefügt. Wenn wir ein Mol der ersten und zwei Mol der zweiten Substanz nehmen, erhalten wir folgende Produkte: Schwefeltrioxid in einer Menge von drei Mol sowie Wasser – zwei Mol. Diese chemische Reaktion kann nur stattfinden, wenn die Reaktanten auf eine hohe Temperatur erhitzt werden.
Beschaffung des betreffenden Nichtmetalls
Es gibt mehrere Hauptmethoden, mit denen Schwefel aus einer Vielzahl von Substanzen extrahiert werden kann. Die erste Methode besteht darin, es aus Pyrit zu isolieren. Die chemische Formel des Letzteren lautet FeS 2. Wenn diese Substanz ohne Zugang zu Sauerstoff auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, können ein weiteres Eisensulfid – FeS – und Schwefel gewonnen werden. Die Reaktionsgleichung lautet wie folgt: FeS 2 = FeS + S. Die zweite Methode zur Herstellung von Schwefel, die häufig in der Industrie eingesetzt wird, ist die Verbrennung von Schwefelsulfid unter der Bedingung einer geringen Menge Sauerstoff. In diesem Fall können Sie das betreffende Nichtmetall und Wasser erhalten. Um die Reaktion durchzuführen, müssen Sie die Komponenten in einem Molverhältnis von zwei zu eins einnehmen. Dadurch erhalten wir die Endprodukte im Verhältnis zwei zu zwei. Die Gleichung für diese chemische Reaktion kann wie folgt geschrieben werden: 2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O. Darüber hinaus kann Schwefel durch verschiedene metallurgische Prozesse gewonnen werden, beispielsweise bei der Herstellung von Metallen wie Nickel , Kupfer und andere.
Industrielle Nutzung
Das von uns betrachtete Nichtmetall hat seine breiteste Anwendung in der chemischen Industrie gefunden. Wie oben erwähnt, wird es hier verwendet, um daraus Sulfatsäure herzustellen. Darüber hinaus wird Schwefel als Bestandteil zur Herstellung von Streichhölzern verwendet, da es sich um ein brennbares Material handelt. Auch bei der Herstellung von Sprengstoffen, Schießpulver, Wunderkerzen usw. ist es unverzichtbar. Darüber hinaus wird Schwefel als einer der Inhaltsstoffe in Schädlingsbekämpfungsmitteln verwendet. In der Medizin wird es als Bestandteil bei der Herstellung von Arzneimitteln gegen Hautkrankheiten verwendet. Der betreffende Stoff wird auch zur Herstellung verschiedener Farbstoffe verwendet. Darüber hinaus wird es bei der Herstellung von Leuchtstoffen verwendet.
Elektronische Struktur von Schwefel
Wie Sie wissen, bestehen alle Atome aus einem Kern, in dem sich Protonen – positiv geladene Teilchen – und Neutronen, also Teilchen ohne Ladung, befinden. Elektronen mit negativer Ladung rotieren um den Kern. Damit ein Atom neutral ist, muss es in seiner Struktur die gleiche Anzahl an Protonen und Elektronen haben. Sind von Letzterem mehrere vorhanden, handelt es sich bereits um ein negatives Ion – ein Anion. Ist hingegen die Anzahl der Protonen größer als die der Elektronen, handelt es sich um ein positives Ion oder Kation. Das Schwefelanion kann als Säurerest wirken. Es ist Teil der Moleküle von Stoffen wie Sulfidsäure (Schwefelwasserstoff) und Metallsulfiden. Das Anion entsteht bei der elektrolytischen Dissoziation, die auftritt, wenn eine Substanz in Wasser gelöst wird. In diesem Fall zerfällt das Molekül in ein Kation, das in Form eines Metall- oder Wasserstoffions vorliegen kann, sowie in ein Kation – ein Ion eines sauren Rests oder einer Hydroxylgruppe (OH-).
Da die Ordnungszahl von Schwefel im Periodensystem sechzehn beträgt, können wir daraus schließen, dass sein Kern genau diese Anzahl an Protonen enthält. Auf dieser Grundlage können wir sagen, dass es auch sechzehn umlaufende Elektronen gibt. Die Anzahl der Neutronen lässt sich ermitteln, indem man die Seriennummer des chemischen Elements von der Molmasse abzieht: 32 - 16 = 16. Jedes Elektron dreht sich nicht chaotisch, sondern auf einer bestimmten Umlaufbahn. Da Schwefel ein chemisches Element ist, das zur dritten Periode des Periodensystems gehört, gibt es drei Umlaufbahnen um den Kern. Das erste von ihnen hat zwei Elektronen, das zweite hat acht und das dritte hat sechs. Die elektronische Formel des Schwefelatoms lautet wie folgt: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Vorkommen in der Natur
Grundsätzlich kommt das betreffende chemische Element in Mineralien vor, bei denen es sich um Sulfide verschiedener Metalle handelt. Erstens handelt es sich um Pyrit – ein Eisensalz; Es ist auch Blei, Silber, Kupferglanz, Zinkblende, Zinnober – Quecksilbersulfid. Darüber hinaus kann Schwefel auch Bestandteil von Mineralien sein, deren Struktur durch drei oder mehr chemische Elemente repräsentiert wird.
Zum Beispiel Chalkopyrit, Mirabilit, Kieserit, Gips. Sie können jeden von ihnen genauer betrachten. Pyrit ist Eisensulfid oder FeS 2 . Es hat eine hellgelbe Farbe mit goldenem Schimmer. Dieses Mineral kommt häufig als Verunreinigung in Lapislazuli vor, das häufig zur Schmuckherstellung verwendet wird. Dies liegt daran, dass diese beiden Mineralien oft ein gemeinsames Vorkommen haben. Kupferglanz – Chalkosin oder Chalkosin – ist eine metallähnliche bläulich-graue Substanz. und Silberglanz (Argentit) haben ähnliche Eigenschaften: Beide ähneln im Aussehen Metallen und haben eine graue Farbe. Zinnober ist ein matt bräunlich-rotes Mineral mit grauen Flecken. Chalkopyrit, dessen chemische Formel CuFeS 2 ist, ist goldgelb und wird auch Goldblende genannt. Die Farbe von Zinkblende (Sphalerit) kann von Bernstein bis zu feurigem Orange reichen. Mirabilit – Na 2 SO 4 x10H 2 O – transparente oder weiße Kristalle. Es wird auch in der Medizin verwendet. Die chemische Formel von Kieserit lautet MgSO 4 xH 2 O. Es sieht aus wie ein weißes oder farbloses Pulver. Die chemische Formel von Gips lautet CaSO 4 x2H 2 O. Darüber hinaus kommt dieses chemische Element in den Zellen lebender Organismen vor und ist ein wichtiges Spurenelement.
Bei der Herstellung von Röstgas durch Verbrennung von Schwefel ist keine Reinigung von Verunreinigungen erforderlich. Die Vorbereitungsphase umfasst lediglich die Gastrocknung und die Säureentsorgung. Bei der Verbrennung von Schwefel kommt es zu einer irreversiblen exothermen Reaktion:
S + Ö 2 = ALSO 2 (1)
bei Freisetzung einer sehr großen Wärmemenge: Änderung H = -362,4 kJ/mol, oder bezogen auf die Masseneinheit 362,4/32 = 11,325 kJ/t = 11325 kJ/kg S.
Der zur Verbrennung zugeführte geschmolzene flüssige Schwefel verdampft (kocht) bei einer Temperatur von 444,6 * C; die Verdampfungswärme beträgt 288 kJ/kg. Wie aus den vorgelegten Daten hervorgeht, reicht die Wärme der Schwefelverbrennungsreaktion völlig aus, um das Ausgangsmaterial zu verdampfen, daher findet die Wechselwirkung von Schwefel und Sauerstoff in der Gasphase statt (homogene Reaktion).
Die Schwefelverbrennung in der Industrie wird wie folgt durchgeführt. Der Schwefel wird vorläufig geschmolzen (hierfür können Sie Wasserdampf verwenden, der durch die Rückführung der Wärme der Hauptverbrennungsreaktion von Schwefel gewonnen wird). Da der Schmelzpunkt von Schwefel relativ niedrig ist, ist es durch Absetzen und anschließende Filtration vom Schwefel einfach, mechanische Verunreinigungen, die nicht in die flüssige Phase übergegangen sind, abzutrennen und ein Ausgangsmaterial mit einem ausreichenden Reinheitsgrad zu erhalten. Zum Verbrennen von geschmolzenem Schwefel werden zwei Arten von Öfen verwendet: Düse und Zyklon. Sie müssen dafür sorgen, dass flüssiger Schwefel versprüht wird, um ihn schnell zu verdampfen, und einen zuverlässigen Kontakt mit der Luft in allen Teilen des Geräts gewährleisten.
Von der Feuerung gelangt das Röstgas in den Abhitzekessel und dann in die Folgegeräte.
Die Schwefeldioxidkonzentration im Kalziniergas hängt vom Verhältnis von Schwefel und Luft ab, die der Verbrennung zugeführt werden. Wird Luft in stöchiometrischer Menge angesaugt, d.h. Für jedes Mol Schwefel gibt es 1 Mol Sauerstoff. Bei vollständiger Verbrennung des Schwefels entspricht die Konzentration dem Volumenanteil des Sauerstoffs in der Luft C, also 2. max = 21 %. Allerdings wird meist im Übermaß Luft angesaugt, da sonst die Temperatur im Backofen zu hoch wird.
Bei der adiabatischen Verbrennung von Schwefel beträgt die Brenntemperatur für ein Reaktionsgemisch stöchiometrischer Zusammensetzung etwa 1500 °C. Unter praktischen Bedingungen sind die Möglichkeiten zur Erhöhung der Temperatur im Ofen dadurch begrenzt, dass oberhalb von 1300 * C die Auskleidung des Ofens und der Gaskanäle schnell zusammenbricht. Typischerweise entsteht beim Verbrennen von Schwefel ein Kalzinierungsgas mit 13–14 % SO 2 .
2. Kontaktoxidation von SO2 zu SO3
Die Kontaktoxidation von Schwefeldioxid ist ein typisches Beispiel für heterogene oxidative exotherme Katalyse.
Dies ist eine der am besten untersuchten katalytischen Synthesen. In der UdSSR wurde die gründlichste Arbeit zur Untersuchung der Oxidation von SO 2 zu SO 3 und der Entwicklung von Katalysatoren von G.K. durchgeführt. Boreskow. Oxidationsreaktion von Schwefeldioxid
ALSO 2 + 0,5 Ö 2 = ALSO 3 (2)
zeichnet sich durch eine sehr hohe Aktivierungsenergie aus und daher ist seine praktische Umsetzung nur in Gegenwart eines Katalysators möglich.
In der Industrie ist der Hauptkatalysator für die SO 2 -Oxidation ein Katalysator auf Basis von Vanadiumoxid V 2 O 5 (Vanadium-Kontaktmasse). Auch andere Verbindungen, vor allem Platin, zeigen bei dieser Reaktion katalytische Aktivität. Platinkatalysatoren reagieren jedoch äußerst empfindlich auf Spuren von Arsen, Selen, Chlor und anderen Verunreinigungen und wurden daher nach und nach durch Vanadiumkatalysatoren ersetzt.
Mit zunehmender Sauerstoffkonzentration nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit zu, weshalb der Prozess in der Industrie im Überschuss durchgeführt wird.
Da die SO2-Oxidationsreaktion exotherm ist, sollte sich das Temperaturregime für ihre Durchführung der optimalen Temperaturlinie annähern. Die Wahl des Temperaturregimes unterliegt zusätzlich zwei Einschränkungen, die mit den Eigenschaften des Katalysators zusammenhängen. Die untere Temperaturgrenze ist die Zündtemperatur von Vanadiumkatalysatoren, die je nach Katalysatortyp und Gaszusammensetzung bei 400 - 440 * C liegt. Die obere Temperaturgrenze liegt bei 600 – 650 °C und wird dadurch bestimmt, dass sich oberhalb dieser Temperaturen die Struktur des Katalysators umstrukturiert und er seine Aktivität verliert.
Im Bereich von 400 – 600°C streben sie danach, den Prozess so zu führen, dass mit zunehmendem Umwandlungsgrad die Temperatur sinkt.
Am häufigsten werden in der Industrie Regalkontaktgeräte mit externem Wärmeaustausch eingesetzt. Das Wärmeaustauschschema beinhaltet die maximale Nutzung der Reaktionswärme zur Erwärmung des Quellgases und die gleichzeitige Kühlung des Gases zwischen den Regalen.
Eine der wichtigsten Aufgaben der Schwefelsäureindustrie besteht darin, den Umwandlungsgrad von Schwefeldioxid zu erhöhen und dessen Emissionen in die Atmosphäre zu reduzieren. Dieses Problem kann durch mehrere Methoden gelöst werden.
Eine der rationalsten Methoden zur Lösung dieses Problems, die in der Schwefelsäureindustrie weit verbreitet ist, ist die Doppelkontakt- und Doppelabsorptionsmethode (DCDA). Um das Gleichgewicht nach rechts zu verschieben und die Ausbeute des Prozesses zu erhöhen sowie die Geschwindigkeit des Prozesses zu erhöhen, wird der Prozess nach dieser Methode durchgeführt. Sein Kern liegt darin, dass das Reaktionsgemisch, in dem der Umwandlungsgrad von SO 2 90 - 95 % beträgt, abgekühlt und einem Zwischenabsorber zur Abtrennung von SO 3 zugeführt wird. Im verbleibenden Reaktionsgas steigt das O 2 : SO 2 -Verhältnis deutlich an, was zu einer Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts nach rechts führt. Das neu erhitzte Reaktionsgas wird erneut in den Kontaktapparat geleitet, wo an einer oder zwei Katalysatorschichten 95 % des Umsetzungsgrades des restlichen SO 2 erreicht werden. Der Gesamtumsetzungsgrad von SO 2 beträgt bei diesem Prozess 99,5 % - 99,8 %.
