Zwavelzuur: samenstelling, productieprocessen, industriële toepassingen en veiligheid

Deze verbinding wordt wereldwijd zo veel gebruikt in de industrie dat het gebruik ervan zelfs het ontwikkelingsniveau van die sector binnen landen bepaalt. De productie van zwavelzuur is extreem hoog omdat het vele eigenschappen bezit die het uitstekend geschikt maken voor de productie van bepaalde materialen die wereldwijd zeer populair zijn. Het heeft kenmerken die het een corrosieve kracht Ongelooflijk, vandaar de naam.

In de middeleeuwen stond deze verbinding bekend als de vitriool olieDe naam werd gegeven door de alchemisten van die tijd, ongeveer tussen de 8e en 9e eeuw. Dit waren ook de belangrijkste eeuwen met betrekking tot de ontdekking ervan en het begin van het onderzoek naar de werking ervan.

Er bestaan ​​verschillende processen voor het verkrijgen van zwavelzuur, waarvan de volgende er één is. loodkamerproces De oudste van allemaal, die nog steeds te vinden is in historische contexten of oudere installaties. Het werd lange tijd veelvuldig gebruikt in de kunstmestindustrie om de productie ervan te vergemakkelijken.

De processen voor het verkrijgen van dit zuur kunnen zeer gevaarlijk zijn als niet alle te volgen stappen precies bekend zijn, omdat het dan schadelijke stoffen produceert. grote hoeveelheden warmte En haar lichaam is bovendien erg heet, dus elke spat zou kunnen leiden tot... ernstige brandwonden.

Samenstelling van zwavelzuur

Dit is een van de meest gebruikte verbindingen wereldwijd, waarbij de industrie die het meeste zwavelzuur gebruikt de kunstmestfabrikantenHet meest opvallende kenmerk van dit zuur is dat het een component is. extreem corrosiefen de correcte chemische formule is H₂SO₄.

Zwavelzuur is de onderdeel met de hoogste productie wereldwijdDit komt doordat het bepaalde eigenschappen bezit die de productie van talloze afgeleide producten mogelijk maken, en het kan ook gebruikt worden voor de synthese van andere stoffen zoals zuren, sulfaten, fosfaatkunstmeststoffen, detergenten en een grote verscheidenheid aan organische en anorganische verbindingen.

In de oudheid stond het bekend als vitrioololie of -spiritus, omdat het werd gewonnen uit mineralen die algemeen bekend stonden als vitriolen (kristallijne sulfaten van verschillende metalen). Deze verbinding kan over het algemeen worden verkregen uit zwaveldioxide via een proces genaamd oxidatie met stikstofoxiden in een waterige oplossingof door middel van katalytische oxidatie in het contactproces. Na het verkrijgen ervan is het noodzakelijk om andere processen uit te voeren om concentratie verhogen van hetzelfde tot waarden van bijna 98 gewichtsprocent voor industrieel gebruik.

De twee waterstofatomen in dit molecuul zijn gebonden aan twee zuurstofatomen. Afhankelijk van de oplossing kunnen deze waterstofatomen... dissociëren in water, waarbij protonen (H) vrijkomen.⁺) en geeft het zijn sterk zure karakter.

Het zuurmolecuul heeft een bijzondere vorm. vervormde piramidale of tetraëdrischeHet wordt gekenmerkt door het zwavelatoom in het midden, terwijl de zuurstofatomen zich in de vier hoeken bevinden. In water gedraagt ​​het zich als een sterk zuur bij de eerste dissociatie, resulterend in het waterstofsulfaat-anion (HSO₄⁻)⁻₄^-), hoewel het zich bij de tweede dissociatie presenteert als een zwak zuur, wat resulteert in het sulfaat-anion (SO₄²⁻).₄^2-).

Fysische en chemische eigenschappen van zwavelzuur

Naast de samenstelling bezit zwavelzuur een aantal eigenschappen. fysisch-chemische eigenschappen Dat verklaart waarom het zo veelzijdig en tegelijkertijd zo gevaarlijk is.

• Chemische formule: H₂SO₄.
• Geschatte molaire massa: X.
• Dichtheid (geconcentreerd zuur): ongeveer 1,84 g / cm³ bij kamertemperatuur, wat aangeeft dat het veel dichter dan water.
• Smeltpunt: dicht bij 10 ºC, dus het kan gedeeltelijk stollen in zeer koude omgevingen.
• Kookpunt: ongeveer 337 ºC, waardoor het een vloeistof wordt met hoog kookpunt.
• Oplosbaarheid in water: volledig mengbaarmaar de oplossing is sterk exotherm (Het geeft veel warmte af).
• pH (zeer geconcentreerd zuur): onder 1wat wijst op een extreem hoge zuurgraad.
• Uiterlijk: vloeibaar kleurloos of licht geligOlieachtig en stroperig, met een nauwelijks waarneembare geur, maar die in verband kan worden gebracht met zwavelverbindingen wanneer er onzuiverheden aanwezig zijn.
• Aanvullende eigenschappen: het is een verbinding. hoogbegaafd (absorbeert water uit de omgeving), oxidant, met grote uitdrogende kracht (in staat om water te onttrekken aan veel stoffen, zelfs organische stoffen, zoals suikers en weefsels).

Deze eigenschappen verklaren waarom zwavelzuur wordt gebruikt als uitdrogend middel voor het drogen van gassen en vloeistoffen, zoals oxidant in chemische reacties en als essentieel onderdeel in talrijke syntheseprocessen.

Vorming van zwavelzuur

Dit is te vinden in diverse commerciële gebieden in verschillende vormen, variërend van de puurste variant tot allerlei mengsels die daarvan zijn afgeleid, en die worden gemeten door graden van zuiverheid en concentratie.

Om zwavelzuur te vormen, moeten bepaalde processen worden doorlopen om het te verkrijgen. De bekendste en meest gebruikte processen zijn die van... loodkamer en contactprocesDe eerste methode is de oudste manier om deze verbinding te verkrijgen en hoewel het contactproces tegenwoordig de industriële productie domineert, werden loodkamers lange tijd gebruikt in de kunstmestindustrie. Deze methode is nog steeds te vinden in oude installaties of in historische contexten.

Het is mogelijk om deze verbinding in laboratoria te verkrijgen. wordt bereikt door een stroom zwaveldioxidegas te leiden in een waterstofperoxideoplossing. De concentratie zwavelzuur wordt door dit proces bereikt. het water laten verdampen totdat het gewenste concentratieniveau is bereikt.

Contactproces

Bij dit proces voor het verkrijgen van zwavelzuur kan een gasmengsel worden waargenomen dat ongeveer tussen de volgende bestanddelen bevat: 7 en 10% van OS₂, afhankelijk van de productiebron, en een geschatte waarde van tussen 11 en 13% zuurstof. Dit mengsel is dan... Voorverwarmen en debuggen met de grootst mogelijke zorgvuldigheid om onzuiverheden zoals stof, arseenverbindingen of andere stoffen die de daaropvolgende katalysator kunnen beschadigen, te verwijderen.

Nadat het gasmengsel zoveel mogelijk is gezuiverd, wordt het door een filter geleid. omvormer van een of meer katalytische bedden, waarin traditioneel een platina-katalysator werd gebruikt en vervolgens, vanadiumpentoxide op vaste dragers. In deze katalytische bedden vindt het volgende plaats: SO-oxidatie₂ a SO₃Doorgaans worden twee of meer converters of meerdere bedden in serie gebruikt om de maximaal mogelijke efficiëntie te benaderen.

De productie van deze verbinding via de verbranding van elementaire zwavel Het heeft doorgaans een betere energiebalans, waardoor niet per se de strenge zuiveringssystemen nodig zijn die in andere gevallen wel vereist zijn. Wanneer zwaveldioxide wordt gegenereerd door het roosteren van sulfidehoudende mineralen, zoals pyriet, is meestal een complexere gasbehandeling nodig.

Er is een groot verschil tussen SO productie₂ door verbranding van zwavel en de andere methode die bekend staat als de het roosteren van pyrietvooral als deze arseen bevatten. Dit komt omdat de tweede methode veel arseen in het eindresultaat achterlaat. onzuiverheden Dat kan nooit volledig worden geëlimineerd.

In een installatie die normaal in bedrijf is, de conversieprestaties van SO₂ tot SO₃ varieert van 96% en 97%omdat de effectiviteit ervan in de loop der tijd afneemt. Dit effect wordt vaker waargenomen bij planten die pyriet als uitgangsmateriaal gebruiken met een hoog arseengehalte. Dit arseen kan niet volledig uit de verbinding worden verwijderd en vergezelt daarom de gassen die het katalyseproces ondergaan, waardoor de katalysatorvergiftigingDit is de voornaamste oorzaak van de plotselinge prestatiedalingen.

In de tweede converter hebben de gassen een verblijftijd van ongeveer 2 tot 4 seconden, en in dit geval moet de temperatuur tussen de 500 en 600ºC om een ​​optimale evenwichtsconstante te bereiken en een maximale conversie tegen de laagst mogelijke kosten.

Na het voorgaande proces worden de gassen van de katalyse afgekoeld tot een temperatuur die dicht bij ligt 100 ºCen ga dan door een oleumtorenDankzij dit proces wordt een gedeeltelijke, en geen volledige, absorptie van SO₂ bereikt.₃De resterende gassen van dit proces gaan door een tweede toren waar de verbinding wordt gereinigd en gewassen met geconcentreerd zwavelzuur. Nadat al deze stappen zijn voltooid, wordt het afval afgevoerd. afvalgassen via een schoorsteen naar de atmosfeer, waarbij aan strenge milieueisen wordt voldaan.

Tijdens dit proces komt een enorme hoeveelheid hitte (exotherme reactie), die in veel moderne installaties wordt gebruikt om te produceren water stoom en daaruit, elektriciteitIn grote installaties wordt een aanzienlijk deel van deze warmte als stoom verkocht of intern gebruikt om andere industriële processen aan te drijven, waardoor de algehele energie-efficiëntie verbetert.

Leidkamerproces

Dit specifieke proces is de oudst bekende methode voor de productie en winning van zwavelzuur. Daarbij wordt SO₂ gebruikt.₃ gasvormig komt een reactor binnen die bekend staat onder de naam glover toren, waar het een wasproces ondergaat met stikstofoxidevitrioolDit is zwavelzuur met daarin opgeloste stikstofoxiden en koolstofdioxidedeeltjes, die op hun beurt gemengd zijn met twee soorten stikstofoxiden: stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO₂).₂).

Een groot deel van het hier gebruikte zwavel(IV)oxide wordt geoxideerd tot zwavel(VI)oxide en opgelost in een zuurbad om wat men noemt te vormen. torenzuurKenmerkend voor de Glover-toren. Dit systeem maakt gebruik van de stikstofoxidecyclus als oxiderende en regenereerbare tussenproducten binnen het proces.

Nadat de gasmengsels de Glover-toren zijn gepasseerd, worden ze naar een lood beklede kamer (vandaar hun naam) waar ze met veel water worden behandeld. Deze kamers hebben verschillende vormen, afhankelijk van de criteria van de fabrikant, waarvan de meest voorkomende de vierkant of die een vorm hebben die lijkt op die van een Cono.

Zwavelzuur condenseert op de wanden, gevormd door een reeks reacties, en hoopt zich op de bodem van de met lood beklede kamer op. Doorgaans is de aanwezigheid van zwavelzuur tussen de wanden waarneembaar. 3 tot 6 camera's achtereenvolgens. Het eindproduct dat uit deze kamers wordt verkregen, staat gewoonlijk bekend als camera zuur, of vaker als meststofzuuromdat de concentratie ervan doorgaans lager is dan die van het zuur dat via het contactproces wordt verkregen.

In de laatste fase van dit proces worden de gassen door een andere reactor geleid, genaamd Gay-Lussac Torenwaar een continu reinigingsproces begint met behulp van geconcentreerde, koude zuren uit de Glover-toren. Ten slotte worden de onbehandelde gassen in de atmosfeer geloosd, idealiter met een zo laag mogelijk gehalte aan verontreinigende stoffen.

Geschiedenis van zwavelzuur

Hun oorsprong gaat terug tot de middeleeuwen, toen ze, in plaats van wetenschappers, alchemisten Zij die experimenteerden met stoffen uit de aarde, waarvan de meeste natuurlijk waren, hoewel sommigen erin slaagden verbindingen te fabriceren. Dit is het geval bij... Jabir Ibn Hayyandie een van de pioniers was in de beschrijving van zwavelzuur met behulp van methoden waarbij sulfaatmineralen en mengsels met andere verbindingen werden gedestilleerd.

In de daaropvolgende eeuwen werd het zuur grondig bestudeerd, omdat de opmerkelijke eigenschappen en potentiële toepassingen ervan voor de vervaardiging van nieuwe voorwerpen en producten werden erkend. Dit proces won in die tijd aan populariteit dankzij verhandelingen en boeken van zowel Arabieren als Perzen, en later ook van Europese alchemisten.

In Europa in die tijd, met name in de middeleeuwen, stond zwavelzuur bekend als vitrioolVitriool, of vitrioolverbinding, vitrioolvloeistof of vitrioololie, werd gewonnen uit sulfaatzoutkristallen. Het woord vitriool komt uit het Latijn. glasvocht, wat verwijst naar de kristallijne zouten van sulfaat, en de Spaanse vertaling daarvan zou kristal zijn.

Dit bestanddeel bleek vanaf het begin van grote interesse te zijn voor alchemisten, zozeer zelfs dat het op bepaalde momenten als een mogelijk middel werd beschouwd. steen der wijzenHoewel een van de meest voorkomende toepassingen ervan het laten reageren van stoffen was om kleurveranderingen, neerslag en transformaties te observeren.

Johann Glauber, een Duitse chemicus van Nederlandse afkomst, slaagde erin zwavelzuur, ofwel vitriool, te verkrijgen via een proces van brandende zwavel met kaliumnitraat in aanwezigheid van waterdamp. Dit kwam doordat, naarmate het kaliumnitraat ontleedde, de zwavel kon worden waargenomen die oxideerde tot SO₂.₃die, in combinatie met water, de verbinding opleverde. Dit werd een uitstekende methode voor de commercialisering van zwavelzuur, omdat het eenvoudiger te produceren was. massaproductie.

Rond het midden van de 18e eeuw, omstreeks 1746, begon men de methode met de met lood beklede kamer te gebruiken. Deze methode stabiliseerde de loodproductie-industrie en maakte bredere handel mogelijk. Later, in de 19e eeuw, werden duurzamere en efficiëntere processen ontwikkeld; in 1831 werd een aanpak geïntroduceerd die, met daaropvolgende verbeteringen in katalysatoren en absorptie, leidde tot de contactproces die tegenwoordig het grootste deel van de levering verzorgt.

De initiële concentraties van de oude processen waren relatief laag, ongeveer één 40%Dit werd echter verbeterd door de eigenschappen van de verbinding te bestuderen, wat leidde tot de productie van nieuwe producten die hogere concentraties vereisten. Met verbeteringen in katalysatoren en absorptiesystemen begon zwavelzuur in steeds zuiverdere en geconcentreerdere vormen te worden geproduceerd, waardoor het een belangrijke grondstof werd. pijler van de moderne chemische industrie en een belangrijke indicator voor het industrialisatieniveau van landen.

Zwavelzuur van 98% en andere concentraties

In de industriële sector is een van de belangrijkste presentaties de 98% zwavelzuurwat als praktisch geconcentreerd wordt beschouwd. Deze zuiverheid is essentieel voor het uitvoeren van processen die een hoge zuiverheid vereisen. precieze controle van de zuurgraad en de aanwezigheid van water minimaliseren.

Vanuit dit geconcentreerde zuur is het mogelijk oplossingen met verschillende concentraties te bereiden. commerciële concentratiesdie zijn aangepast aan specifieke toepassingen in de industrie, landbouw, automobielindustrie of schoonmaak. Enkele veelvoorkomende concentraties zijn:

• 30-40%: gebruikt in bepaalde oppervlaktebehandelingen en specifieke formuleringen, met een matige maar toch zeer corrosieve zuurgraad.
• 50-60%: gebruikt in industriële processen die een evenwicht vereisen tussen reactiviteit en verwerkbaarheid, bijvoorbeeld in bepaalde stadia van de productie van meststoffen of wasmiddelen.
• 98%: sterk geconcentreerd zuur, typisch voor het contactproces, gebruikt als basisgrondstof voor de meeste industriële toepassingen en voor de productie van oleum (mengsel van zwavelzuur met SO₂)₃).

Het beheersen van de concentratie is cruciaal, omdat het essentieel is voor de prestaties van anderen. viscositeit, Reactie capaciteit, risico op corrosie van apparatuur en materialen, alsook veiligheidsvoorschriften bij transport en opslag.

Toepassingen en voorzorgsmaatregelen bij het gebruik van zwavelzuur

Zodra alle aspecten en de geschiedenis van hoe deze verbinding voor het eerst werd verkregen bekend zijn, is het uiterst belangrijk om te weten wat de eigenschappen ervan zijn. meest voorkomende toepassingen en voorzorgsmaatregelen Daar moet rekening mee worden gehouden, omdat bij de meeste van deze processen de stof zodanig wordt verhit dat iemand die ermee in aanraking komt, ernstige brandwonden kan oplopen.

Meest voorkomende toepassingen

• sommige industrieën processen Fabrikanten van hout- en papierproducten hebben zwavelzuur nodig, net als de textielindustrie, waar het wordt gebruikt voor de vezelbehandeling en pH-aanpassing in verschillende stadia van de verwerking.
• De kunstmestindustrie heeft een toegenomen consumptie en vraag naar deze verbinding geconstateerd, omdat de bestanddelen ervan zeer effectief zijn voor... productie van fosfaatkunstmest en anorganisch. Dit komt doordat het fungeert als een reagens om te produceren. fosforzuur y ammoniaksulfaat, onder andere, die als meststoffen worden gebruikt.
• In de meeste gevallen wordt deze verbinding gebruikt als grondstofhoewel dit zelden in het eindproduct tot uiting komt. Het grijpt in als katalysatoreen dehydraterend of oxiderend middel in veel chemische syntheseprocessen.
• Tot de belangrijkste toepassingen behoren de raffinage van olieStaalbehandelingen (beitsen en reinigen van metalen oppervlakken), pigmentproductie, fabricage van explosieven, kunststoffen, synthetische vezels en wasmiddelen, evenals de winning van metalen en ferrometalen zoals koper, nikkel of zink.
• Het dient als een methode van metaalbehandeling Het bewerken van diverse materialen zoals staal, koper, vanadium en andere, het verwijderen van oppervlakteoxiden en het voorbereiden van oppervlakken voor coatings, galvaniseren of verdere behandelingen.
• In sommige landen is het gebruik ervan strikt verboden. onder toezicht van de autoriteiten omdat het gebruikt kan worden bij de productie van illegale drugs of explosieven, en ook vanwege het gevaar voor het milieu als het onjuist wordt behandeld.
• Het meest directe gebruik ervan, om zo te zeggen, is bij de productie van gesulfoneerde oppervlakteactieve stoffen, die worden opgenomen door middel van organische sulfonering of sulfurering, fundamentele processen in de industrieën van wasmiddelen en schoonmaakproducten.
• In de auto-industrie Het wordt gebruikt in de loodzuuraccu'swaarbij een zwavelzuuroplossing als elektrolyt fungeert, waardoor de opslag en afgifte van elektrische energie mogelijk is.
• In de farmaceutische industrie Het is betrokken bij de synthese van tal van actieve ingrediënten en hulpstoffen, vanwege zijn rol als sulfonering-, dehydratatie- en pH-regulerend middel in reactie- en zuiveringsfasen.
• Op het gebied van Huishoudelijke schoonmaak en onderhoudIn gecontroleerde concentraties en onder specifieke formuleringen wordt het in sommige gevallen gebruikt. ontstoppers en afvoerreinigers, die gebruikmaken van hun vermogen om organisch materiaal op te lossen. Het gebruik ervan moet echter uiterst voorzichtig gebeuren.

voorzorgsmaatregelen

De productieprocessen voor zwavelzuur kunnen extreem gevaarlijk zijn, omdat de stof in de meeste, zo niet alle gevallen, tot zeer hoge temperaturen wordt verhit. Het is daarom essentieel om te onthouden dat het, bij verdunning, op de juiste manier moet worden voorbereid. op het water gegoten en nooit andersom, want dat kan leiden tot agressieve spetters wat ernstige brandwonden kan veroorzaken.

Zwavelzuur is erg corrosief, oxiderend en uitdrogendContact met weefsels kan daarom ernstige schade veroorzaken. Zelfs een minimale hoeveelheid zwavelzuur die in contact komt met de huid kan dit veroorzaken. chemische brandwonden Zeer ernstig. Contact met de ogen kan leiden tot... permanente schade en zelfs blindheid.

Je moet ook oppassen voor Adem de dampen niet in. of aerosolen die vrijkomen door de reacties van zwavelzuur met andere stoffen, aangezien deze ademhalingsproblemen en een branderig gevoel in de luchtwegen veroorzaken. Langdurige blootstelling aan zwavelzuurnevels wordt in verband gebracht met chronische irritaties en zelfs een verhoogd risico op ernstige ademhalingsproblemen.

Hoewel zwavelzuur alleen Het is niet brandbaar., komt vrij bij contact met bepaalde metalen waterstofHet is een zeer ontvlambaar en explosief gas. Bovendien kan het, indien niet op de juiste manier behandeld, in combinatie met andere materialen, zelfs water, ontvlambaar zijn vanwege zijn... exotherme reactie Dit ontstaat wanneer beide worden gemengd.

Een van de belangrijkste voorzorgsmaatregelen is dat dit zuur altijd Voeg toe aan water En nooit andersom. Omdat het verdunnen van zwavelzuur veel warmte vrijgeeft, kan het gieten van water op zwavelzuur een heftige exotherme reactie veroorzaken die zou leiden tot... spatten en gevaarlijke dampen.

Bij contact met de huid, mag u een grote hoeveelheid geconcentreerd zuur niet direct onder druk afspoelen met water zonder eerst eerst te reinigen. overtollig verwijderen en gedeeltelijk neutraliseren, aangezien de warmte die door verdunning ontstaat de verwonding kan verergeren. Het wordt aanbevolen de procedures te volgen die in de handleiding worden aangegeven. veiligheidsinformatieblad Reinig het product met een ruime hoeveelheid zeepsop of milde neutraliserende middelen indien aanbevolen, en spoel vervolgens langdurig af met stromend water.

Om dit aan te pakken, wordt gebruik gemaakt van persoonlijke beschermingsmiddelen Geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen (PBM's): chemisch bestendige handschoenen, veiligheidsbrillen of gelaatschermen, beschermende kleding, maskers of ademhalingsapparatuur bij risico op inademing van dampen of aerosolen, en geschikt schoeisel. Opslag dient in containers te gebeuren. goedgekeurd en corrosiebestendig, zoals containers van polyethyleen met hoge dichtheid of speciale glazen containers, op een koele, geventileerde plaats en uit de buurt van incompatibele stoffen (sterke basen, reactieve metalen, reductiemiddelen, brandbare organische materialen, enz.).

Compatibiliteit en incompatibiliteit van zwavelzuur

Bij het ontwerpen of gebruiken van installaties die met zwavelzuur werken, is het essentieel om te weten wat materialen zijn compatibel En wat zijn dat dan? onverenigbare of gevaarlijk.

• Verenigbaar: water (waarbij het zuur altijd aan het water wordt toegevoegd), resistente kunststofmaterialen zoals polyethyleen met hoge dichtheid (HDPE), sommige fluorpolymeren, en borosilicaatglas of bestendig keramiek.
• Onverenigbaar: reactieve metalen (aluminium, zink, magnesium, enz., die waterstof produceren), brandbare organische materialen, sterk alkalische stoffen (hydroxiden), reductiemiddelen (sulfieten, nitrieten, enz.) en stoffen die heftige of ongecontroleerde exotherme reacties kunnen veroorzaken.

De juiste materiaalkeuze en het ontwerp van geschikte opvang- en ventilatiesystemen verminderen de risico's van lekkages, corrosie van apparatuur en ongevallen aanzienlijk.

Zwavelzuur is een essentiële grondstof geworden voor de moderne industrie, fundamenteel voor de productie van meststoffen, olieraffinage, de synthese van talloze chemische verbindingen en de productie van batterijen, detergenten, vezels en geavanceerde materialen. Een grondig begrip van de eigenschappen, de geschiedenis, de productieprocessen en, bovenal, de veiligheidsmaatregelen voor de hantering en opslag ervan, stelt ons in staat het potentieel ervan te maximaliseren en tegelijkertijd de risico's voor mens en milieu te beheersen.