Bases físico-químicas del proceso de combustión del azufre.
La combustión de S ocurre con la liberación de gran cantidad calor: 0,5S 2g + O 2g = SO 2g, ΔH = -362,43 kJ
La combustión es un complejo de sustancias químicas y fenomeno fisico. En un dispositivo de combustión hay que lidiar con campos complejos de velocidades, concentraciones y temperaturas que son difíciles de describir matemáticamente.
La combustión del S fundido depende de las condiciones de interacción y combustión de las gotas individuales. La eficiencia del proceso de combustión está determinada por el tiempo de combustión completa de cada partícula de azufre. La combustión del azufre, que se produce únicamente en fase gaseosa, está precedida por la evaporación de S, la mezcla de sus vapores con aire y el calentamiento de la mezcla a t, lo que asegura la velocidad de reacción requerida. Dado que la evaporación más intensa desde la superficie de una gota comienza sólo en un determinado t, cada gota de azufre líquido debe calentarse hasta este t. Cuanto mayor sea t, más tiempo llevará calentar la gota. Cuando se forma una mezcla inflamable de vapor S y aire de concentración máxima y t sobre la superficie de la gota, se produce la ignición. El proceso de combustión de una gota de S depende de las condiciones de combustión: t y la velocidad relativa del flujo de gas, y de las propiedades físicas y químicas del líquido S (por ejemplo, la presencia de impurezas de cenizas sólidas en S), y consiste en etapas: 1-mezclar gotas de líquido S con aire; 2-calentamiento de estas gotas y evaporación; 3-división térmica de vapores de S; 4-formación de la fase gaseosa y su ignición; 5-combustión de la fase gaseosa.
Estas etapas ocurren casi simultáneamente.
Como resultado del calentamiento, una gota de líquido S comienza a evaporarse, los vapores de S se difunden hacia la zona de combustión, donde a una t alta comienzan a reaccionar activamente con el O 2 en el aire, y el proceso de combustión por difusión de S ocurre con el formación de SO2.
A una t alta, la velocidad de la reacción de oxidación S es mayor que la velocidad de los procesos físicos, por lo que la velocidad general del proceso de combustión está determinada por los procesos de transferencia de masa y calor.
La difusión molecular determina un proceso de combustión tranquilo y relativamente lento, mientras que la difusión turbulenta lo acelera. A medida que disminuye el tamaño de la gota, disminuye el tiempo de evaporación. La fina pulverización de partículas de azufre y su distribución uniforme en el flujo de aire aumenta la superficie de contacto, facilitando el calentamiento y la evaporación de las partículas. Al quemar cada gota S de la composición del soplete, se deben distinguir 3 períodos: I-incubación; II- combustión intensa; III- el período de postcombustión.
Cuando una gota arde, desde su superficie se emiten llamas que recuerdan a las erupciones solares. A diferencia de la combustión por difusión ordinaria, con la emisión de llamas desde la superficie de una gota en llamas, se denomina "combustión explosiva".
La combustión de una gota S en el modo de difusión se produce mediante la evaporación de moléculas de la superficie de la gota. La tasa de evaporación depende de las propiedades físicas del líquido y t ambiente, y está determinada por la característica de la tasa de evaporación. En modo diferencial, S se enciende en los periodos I y III. La combustión explosiva de una gota se observa solo durante el período de combustión intensa en el período II. La duración del período de combustión intensa es proporcional al cubo del diámetro inicial de la gota. Esto se debe al hecho de que la combustión explosiva es consecuencia de procesos que ocurren en el volumen de la gota. Características del cálculo de la velocidad de combustión. por f-le: A= /τ сг;
d n – diámetro inicial de la gota, mm; τ – tiempo de combustión completa de la gota, s.
La característica de la velocidad de combustión de las gotas es igual a la suma de las características de difusión y combustión explosiva: A= K en + K diferencia; kvz= 0,78∙exp(-(1,59∙р) 2,58); diferencia K= 1,21∙r +0,23; kt2= K T1 ∙exp(E a /R∙(1/T 1 – 1/T 2)); K T1 – velocidad de combustión constante en t 1 = 1073 K. K T2 – constante. velocidad de calentamiento en t diferente de t 1. E a – energía de activación (7850 kJ/mol).
ESO. Las principales condiciones para una combustión eficaz del líquido S son: suministro de toda la cantidad de aire requerida a la boca del soplete, pulverización fina y uniforme del líquido S, turbulencia del flujo y alta t.
La dependencia general de la intensidad de la evaporación del líquido S de la velocidad del gas y t: k 1= a∙V/(b+V); a, b son constantes que dependen de t. V-velocidad gas, m/s. A mayor t, la dependencia de la intensidad de evaporación S de la velocidad del gas es: k 1= K o ∙ V norte ;
| t, o C | LGK acerca de | norte |
| 4,975 | 0,58 | |
| 5,610 | 0,545 | |
| 6,332 | 0,8 |
Con un aumento de t de 120 a 180 o C, la intensidad de evaporación S aumenta de 5 a 10 veces, y de 180 a 440 o C, de 300 a 500 veces.
La tasa de evaporación a una velocidad del gas de 0,104 m/s se determina: = 8,745 – 2600/T (a 120-140 o C); = 7,346 –2025/T (a 140-200 o C); = 10,415 – 3480/T (a 200-440 o C).
Para determinar la tasa de evaporación S en cualquier t entre 140 y 440 o C y la velocidad del gas en el rango de 0,026-0,26 m/s, primero se calcula para una velocidad del gas de 0,104 m/s y se recalcula a otra velocidad: LG = lg + n ∙ lgV `` /V ` ; Una comparación de la intensidad de la evaporación del azufre líquido y la velocidad de combustión sugiere que la intensidad de la combustión no puede exceder la intensidad de la evaporación en el punto de ebullición del azufre. Esto confirma la corrección del mecanismo de combustión, según el cual el azufre arde sólo en estado de vapor. La constante de velocidad de oxidación del vapor de azufre (la reacción se desarrolla según una ecuación de segundo orden) está determinada por la ecuación cinética: -dС S /d = К∙С S ∙С О2 ; С S – concentración de vapor S; C O2 – concentración de vapor de O 2; K es la constante de velocidad de reacción. La concentración total de vapores de S y O 2 es: Con S= a(1-x); Con O2= b – 2ax; a es la concentración de vapor inicial S; b – concentración inicial de vapor de O 2; x es el estado de oxidación del vapor S. Entonces:
K∙τ= (2,3 /(b – 2a)) ∙ (log(b – ax/b(1 - x)));
Constante de velocidad para la oxidación de S a SO 2: LGK= B – A/T;
| oC | 650 - 850 | 850 - 1100 |
| EN | 3,49 | 2,92 |
| A |
Gotas de azufre d< 100мкм сгорают в диффузионном режиме; d>100 µm en la explosión, en el área de 100-160 µm el tiempo de combustión de las gotas no aumenta.
Eso. Para intensificar el proceso de combustión, es aconsejable rociar azufre en gotas d = 130-200 μm, lo que requiere energía adicional. Al quemar la misma cantidad se obtiene S. El SO 2 está más concentrado cuanto menor es el volumen de gas del horno y mayor es su t.
1 – CO2; 2 – С SO2
La figura muestra la relación aproximada entre t y la concentración de SO 2 en el gas del horno formado durante la combustión adiabática de azufre en el aire. En la práctica, se obtiene SO 2 altamente concentrado, limitado por el hecho de que en t > 1300 el revestimiento del horno y los conductos de gas colapsan rápidamente. Además, en estas condiciones, pueden ocurrir reacciones secundarias entre el O 2 y el N 2 del aire con la formación de óxidos de nitrógeno, que es una impureza indeseable en el SO 2, por lo que en los hornos de azufre se suele mantener t = 1000-1200. Y los gases del horno contienen entre un 12 y un 14 % en volumen de SO 2. De un volumen de O 2 se forma un volumen de SO 2, por lo que el contenido teórico máximo de SO 2 en el gas de calcinación cuando se quema S en el aire es del 21%. Cuando se quema S en el aire, se quema. El contenido de O 2 SO 2 en una mezcla de gases puede aumentar dependiendo de la concentración de O 2. El contenido teórico de SO 2 al quemar S en O 2 puro puede alcanzar el 100%. Posible composición En la figura se presenta el gas de tostación obtenido al quemar S en aire y en varias mezclas de oxígeno y nitrógeno:
Hornos para quemar azufre.
La combustión del S en la producción de ácido sulfúrico se realiza en hornos en estado atomizado o sólido. Para quemar S fundido se utilizan hornos de tobera, ciclón y vibración. Los más utilizados son el ciclón y la boquilla. Estos hornos se clasifican según los siguientes criterios:- por el tipo de boquillas instaladas (mecánicas, neumáticas, hidráulicas) y su ubicación en el horno (radial, tangencial); - la presencia de rejillas en el interior de las cámaras de combustión; - según la ejecución (horizontal, vertical); - según la ubicación de los orificios de entrada para el suministro de aire; - en dispositivos para mezclar flujos de aire con vapores S; - en equipos para aprovechar el calor de combustión S; - por el número de cámaras.
Horno de boquilla (arroz)
1 - cilindro de acero, 2 - revestimiento. 3 - amianto, 4 - tabiques. 5 - boquilla para rociar combustible, 6 - boquilla para rociar azufre,
7 - caja para suministrar aire al horno.
Tiene un diseño bastante simple, fácil de mantener, produce gas con una concentración constante de SO 2. A graves deficiencias incluyen: destrucción gradual de particiones debido a la alta t; bajo estrés térmico de la cámara de combustión; dificultad para obtener gas de alta concentración, debido a consumir un gran exceso de aire; dependencia del porcentaje de combustión de la calidad de atomización S; significa consumo de combustible al arrancar y calentar el horno; dimensiones y peso comparativamente grandes y, como resultado, importantes inversiones de capital, áreas derivadas, costos operativos y grandes pérdidas de calor al medio ambiente.
Más perfecto hornos ciclónicos.
1 - precámara, 2 - caja de aire, 3, 5 - cámaras de postcombustión, 4. 6 - anillos de presión, 7, 9 - boquillas para suministro de aire, 8, 10 - boquillas para suministro de azufre.
Acceso: entrada tangencial de aire y S; asegura una combustión uniforme de S en el horno debido a una mejor turbulización de los flujos; posibilidad de obtener gas de proceso concentrado hasta 18% vol SO 2; alto voltaje térmico del espacio de combustión (4,6 · 10 6 W/m 3); el volumen del aparato se reducirá entre 30 y 40 veces en comparación con el volumen de un horno de tobera de la misma productividad; concentración constante de SO 2; regulación sencilla del porcentaje de combustión S y su automatización; bajo consumo de tiempo y material combustible para calentar y encender el horno después de una parada prolongada; Menor contenido de óxidos de nitrógeno después del horno. Semanas principales asociado con t alta en el porcentaje de combustión; es posible que se agrieten los revestimientos y las soldaduras; una atomización insatisfactoria de S conduce a la penetración de sus vapores en el equipo de intercambio después del horno y, en consecuencia, a la corrosión del equipo y a la inestabilidad de t en la entrada al equipo de intercambio.
El S fundido puede ingresar al horno a través de boquillas con disposición tangencial o axial.. Con la disposición axial de las boquillas, la zona de combustión está más cerca de la periferia. Con tangen, más cerca del centro, por lo que se reduce el efecto de la t alta en el revestimiento. (fig) La velocidad del flujo de gas es de 100-120 m/s; esto crea condiciones favorables para la transferencia de masa y calor y aumenta la velocidad de combustión S.
Horno vibratorio (arroz).
1 – cabezal del quemador; 2 – válvulas de retorno; 3 – canal de vibración.
Durante la combustión por vibración, todos los parámetros del proceso cambian periódicamente (presión en la cámara, velocidad y composición de la mezcla de gases, t). Dispositivo de vibración La combustión S se llama estufa de quemador. Antes del horno, el S y el aire se mezclan y fluyen a través de las válvulas de retención (2) hacia el cabezal del quemador del horno, donde se quema la mezcla. El suministro de materias primas se realiza por porciones (cíclico). En esta versión del horno, el estrés térmico y la velocidad de combustión aumentarán significativamente, pero antes de encender la mezcla es necesaria una buena mezcla del S pulverizado con aire para que el proceso se produzca instantáneamente. En este caso, los productos de la combustión se mezclan bien, la película de gas SO 2 que rodea las partículas de S se destruye y facilita el acceso de nuevas porciones de O 2 a la zona de combustión. En un horno de este tipo, el SO 2 formado no elimina las partículas no quemadas, su concentración es alta.
Un horno ciclónico, en comparación con un horno de boquilla, se caracteriza por un estrés térmico entre 40 y 65 veces mayor, la posibilidad de obtener gas más concentrado y una mayor producción de vapor.
El equipo más importante para los hornos de combustión son las boquillas de líquido S, que deben garantizar una pulverización fina y uniforme del líquido S, una buena mezcla del mismo con el aire en la propia boquilla y detrás de ella, un ajuste rápido del caudal de líquido S manteniendo la Es necesario su relación con el aire, la estabilidad de una determinada forma, la longitud de la antorcha, y además tener un diseño duradero, confiable y fácil de usar. Para un buen funcionamiento de los inyectores, es importante que S esté bien limpio de cenizas y betún. Las boquillas pueden ser mecánicas (líquido bajo su propia presión) o neumáticas (el aire también participa en la pulverización).
Aprovechamiento del calor de combustión del azufre.
La reacción es altamente exotérmica, como resultado, se libera una gran cantidad de calor y la temperatura del gas a la salida de los hornos es 1100-1300 0 C. Para la oxidación por contacto de SO 2, la temperatura del gas a la entrada del 1er La capa del horno no debe exceder los 420 - 450 0 C. Por lo tanto, antes de la etapa de oxidación del SO 2, es necesario enfriar el flujo de gas y utilizar el exceso de calor. En los sistemas de ácido sulfúrico que funcionan con azufre para la recuperación de calor, las calderas acuotubulares de calor residual con circulación natural del calor son las más utilizadas. SETA-C (25 - 24); RKS 95/4,0 – 440.
La caldera energéticamente tecnológica RKS 95/4.0 – 440 es una caldera acuotubular, de circulación natural, estanca al gas, diseñada para funcionar con presurización. La caldera consta de dispositivos de evaporación de la 1.ª y 2.ª etapa, economizadores remotos de la 1.ª y 2.ª etapa, sobrecalentadores remotos de la 1.ª y 2.ª etapa, un tambor y hornos para quemar azufre. El horno está diseñado para quemar hasta 650 toneladas de líquido. Azufre por día. El horno consta de dos ciclones conectados entre sí en un ángulo de 110 0 y una cámara de transición.
La carcasa interior tiene un diámetro de 2,6 my se apoya libremente sobre soportes. La carcasa exterior tiene un diámetro de 3 m, en el espacio anular formado por las carcasas interior y exterior se introduce aire, que luego ingresa a la cámara de combustión a través de boquillas. El azufre se suministra al horno mediante 8 boquillas de azufre, 4 en cada ciclón. La combustión del azufre se produce en un flujo arremolinado de gas y aire. La turbulencia del flujo se logra introduciendo aire tangencialmente en el ciclón de combustión a través de boquillas de aire, 3 en cada ciclón. La cantidad de aire se regula mediante trampillas accionadas eléctricamente en cada boquilla de aire. La cámara de transición está diseñada para dirigir el flujo de gas de los ciclones horizontales hacia el conducto de gas vertical del dispositivo de evaporación. La superficie interna de la cámara de combustión está revestida con ladrillo mulita-corindón de calidad MKS-72, de 250 mm de espesor.
1 – ciclones
2 - cámara de transición
3 – dispositivos de evaporación
El azufre es elemento químico, que se encuentra en el sexto grupo y tercer período de la tabla periódica. En este artículo analizaremos detalladamente sus propiedades químicas, producción, uso, etc. La característica física incluye características tales como el color, el nivel de conductividad eléctrica, el punto de ebullición del azufre, etc. Las características químicas describen su interacción con otras sustancias.
El azufre desde el punto de vista de la física.
Esta es una sustancia frágil. En condiciones normales permanece en estado sólido de agregación. El azufre tiene un color amarillo limón.
Y en su mayor parte, todos sus compuestos tienen tintes amarillos. No se disuelve en agua. Tiene baja conductividad térmica y eléctrica. Estas características lo caracterizan como un no metal típico. A pesar de composición química El azufre no es nada complicado, esta sustancia puede tener varias variaciones. Todo depende de la estructura de la red cristalina, con la que se conectan los átomos, pero no forman moléculas.
Entonces, la primera opción es el azufre rómbico. Es el más estable. El punto de ebullición de este tipo de azufre es de cuatrocientos cuarenta y cinco grados centígrados. Pero para que una determinada sustancia pase al estado de agregación gaseoso, primero necesita pasar por el estado líquido. Entonces, la fusión del azufre se produce a una temperatura de ciento trece grados centígrados.
La segunda opción es el azufre monoclínico. Es un cristal en forma de aguja y de color amarillo oscuro. Derretir el primer tipo de azufre y luego enfriarlo lentamente conduce a la formación de este tipo. Esta variedad tiene casi las mismas características físicas. Por ejemplo, el punto de ebullición de este tipo de azufre es el mismo cuatrocientos cuarenta y cinco grados. Además, existe una variedad de esta sustancia como el plástico. Se obtiene vertiendo agua rómbica calentada casi hasta ebullición en agua fría. El punto de ebullición de este tipo de azufre es el mismo. Pero la sustancia tiene la propiedad de estirarse como el caucho.
Otro componente de las características físicas del que me gustaría hablar es la temperatura de ignición del azufre.
Este indicador puede variar según el tipo de material y su origen. Por ejemplo, la temperatura de ignición del azufre técnico es de ciento noventa grados. Esta es una cifra bastante baja. En otros casos, el punto de inflamación del azufre puede ser de doscientos cuarenta y ocho grados e incluso de doscientos cincuenta y seis. Todo depende de qué material se extrajo y cuál es su densidad. Pero podemos concluir que la temperatura de combustión del azufre es bastante baja, en comparación con otros elementos químicos; es una sustancia inflamable. Además, a veces el azufre puede combinarse formando moléculas de ocho, seis, cuatro o dos átomos. Ahora, habiendo considerado el azufre desde el punto de vista de la física, pasemos a la siguiente sección.
Características químicas del azufre.
Este elemento tiene una masa atómica relativamente baja, igual a treinta y dos gramos por mol. Las características del elemento azufre incluyen una característica de esta sustancia como la capacidad de tener diferentes grados de oxidación. Esto difiere de, digamos, el hidrógeno o el oxígeno. Considerando la pregunta de qué caracterización química elemento azufre, es imposible no mencionar que, dependiendo de las condiciones, presenta propiedades tanto reductoras como oxidantes. Entonces, veamos en orden la interacción de esta sustancia con varios compuestos químicos.
Azufre y sustancias simples.
Las sustancias simples son sustancias que contienen un solo elemento químico. Sus átomos pueden combinarse formando moléculas, como por ejemplo en el caso del oxígeno, o no combinarse, como es el caso de los metales. Por tanto, el azufre puede reaccionar con metales, otros no metales y halógenos.
Interacción con metales
Para implementar este tipo el proceso requiere alta temperatura. En estas condiciones se produce una reacción de adición. Es decir, los átomos de metal se combinan con átomos de azufre, formando sustancias complejas sulfuros. Por ejemplo, si calientas dos moles de potasio y los mezclas con un mol de azufre, obtienes un mol de sulfuro de este metal. La ecuación se puede escribir de la siguiente manera: 2K + S = K 2 S.
Reacción con oxígeno
Esta es la quema de azufre. Como resultado de este proceso, se forma su óxido. Estos últimos pueden ser de dos tipos. Por tanto, la combustión del azufre puede producirse en dos etapas. La primera es cuando se forma un mol de dióxido de azufre a partir de un mol de azufre y un mol de oxígeno. Escribe la ecuación para esto. reacción química se puede hacer de la siguiente manera: S + O 2 = SO 2. La segunda etapa es la adición de otro átomo de oxígeno al dióxido. Esto sucede si agregas un mol de oxígeno a dos moles en condiciones alta temperatura. El resultado son dos moles de trióxido de azufre. Ecuación de este interacción química se ve así: 2SO 2 + O 2 = 2SO 3. Como resultado de esta reacción se forma ácido sulfúrico. Entonces, habiendo realizado los dos procesos descritos, se puede pasar el trióxido resultante a través de una corriente de vapor de agua. Y obtenemos La ecuación para tal reacción se escribe de la siguiente manera: SO 3 + H 2 O = H 2 SO 4.
Interacción con halógenos
Los productos químicos, como otros no metales, le permiten reaccionar con un grupo determinado de sustancias. Incluye compuestos como flúor, bromo, cloro, yodo. El azufre reacciona con cualquiera de ellos excepto con el último. Como ejemplo, podemos citar el proceso de fluoración del elemento de la tabla periódica que estamos considerando. Calentando el no metal mencionado con un halógeno, se pueden obtener dos variaciones de fluoruro. El primer caso: si tomamos un mol de azufre y tres moles de flúor, obtenemos un mol de fluoruro, cuya fórmula es SF 6. La ecuación se ve así: S + 3F 2 = SF 6. Además, existe una segunda opción: si tomamos un mol de azufre y dos moles de flúor, obtenemos un mol de fluoruro con la fórmula química SF 4. La ecuación se escribe de la siguiente manera: S + 2F 2 = SF 4. Como ves, todo depende de las proporciones en las que se mezclan los componentes. Exactamente de la misma forma se puede realizar el proceso de cloración con azufre (también se pueden formar dos sustancias diferentes) o bromación.
Interacción con otras sustancias simples.
Las características del elemento azufre no terminan ahí. La sustancia también puede reaccionar químicamente con hidrógeno, fósforo y carbono. Debido a la interacción con el hidrógeno, se forma ácido sulfuro. Como resultado de su reacción con metales se pueden obtener sus sulfuros, que, a su vez, también se obtienen directamente haciendo reaccionar azufre con el mismo metal. La adición de átomos de hidrógeno a átomos de azufre se produce sólo en condiciones de temperatura muy alta. Cuando el azufre reacciona con el fósforo, se forma su fosfuro. Tiene la siguiente fórmula: P 2 S 3. Para obtener un mol de esta sustancia, es necesario tomar dos moles de fósforo y tres moles de azufre. Cuando el azufre interactúa con el carbono, se forma un carburo del no metal en cuestión. Su fórmula química se ve así: CS 2. Para obtener un mol de una sustancia determinada, es necesario tomar un mol de carbono y dos moles de azufre. Todas las reacciones de adición descritas anteriormente ocurren solo cuando los reactivos se calientan a altas temperaturas. Hemos considerado la interacción del azufre con sustancias simples, ahora pasemos al siguiente punto.
Azufre y compuestos complejos.
Las sustancias complejas son aquellas sustancias cuyas moléculas constan de dos (o más) elementos diferentes. Propiedades químicas El azufre le permite reaccionar con compuestos como los álcalis, así como con el ácido sulfato concentrado. Sus reacciones con estas sustancias son bastante peculiares. Primero, veamos qué sucede cuando el no metal en cuestión se mezcla con álcali. Por ejemplo, si tomas seis moles y agregas tres moles de azufre, obtienes dos moles de sulfuro de potasio, un mol de sulfito de potasio y tres moles de agua. Este tipo de reacción se puede expresar mediante la siguiente ecuación: 6KOH + 3S = 2K 2 S + K2SO 3 + 3H 2 O. El mismo principio de interacción ocurre si se agrega A continuación, considere el comportamiento del azufre cuando se mezcla una solución concentrada de ácido sulfato. se le añade. Si tomamos un mol de la primera sustancia y dos moles de la segunda sustancia, obtenemos los siguientes productos: trióxido de azufre en una cantidad de tres moles, y agua, dos moles. Esta reacción química sólo puede ocurrir cuando los reactivos se calientan a una temperatura alta.
Obtención del no metal en cuestión
Hay varias formas principales de extraer azufre de diversas sustancias. El primer método consiste en aislarlo de la pirita. La fórmula química de este último es FeS 2. Cuando esta sustancia se calienta a alta temperatura sin acceso a oxígeno, se puede obtener otro sulfuro de hierro, FeS, y azufre. La ecuación de reacción se escribe de la siguiente manera: FeS 2 = FeS + S. El segundo método para producir azufre, que se utiliza a menudo en la industria, es la combustión de sulfuro de azufre bajo la condición de una pequeña cantidad de oxígeno. En este caso, se puede conseguir el no metal en cuestión y agua. Para llevar a cabo la reacción, es necesario tomar los componentes en una proporción molar de dos a uno. Como resultado, obtenemos productos finales en proporciones de dos a dos. La ecuación de esta reacción química se puede escribir de la siguiente manera: 2H 2 S + O 2 = 2S + 2H 2 O. Además, el azufre se puede obtener mediante diversos procesos metalúrgicos, por ejemplo, en la producción de metales como el níquel. , cobre y otros.
Uso industrial
El no metal que estamos considerando ha encontrado su aplicación más amplia en la industria química. Como se mencionó anteriormente, aquí se utiliza para producir ácido sulfato a partir de él. Además, el azufre se utiliza como componente para la fabricación de cerillas, debido a que es un material inflamable. También es indispensable en la producción de explosivos, pólvora, bengalas, etc. Además, el azufre se utiliza como uno de los ingredientes de los productos para el control de plagas. En medicina, se utiliza como componente en la fabricación de medicamentos para enfermedades de la piel. La sustancia en cuestión también se utiliza en la producción de diversos tintes. Además, se utiliza en la fabricación de fósforos.
Estructura electrónica del azufre.
Como sabes, todos los átomos están formados por un núcleo en el que hay protones (partículas cargadas positivamente) y neutrones, es decir, partículas sin carga. Los electrones con carga negativa giran alrededor del núcleo. Para que un átomo sea neutro, debe tener la misma cantidad de protones y electrones en su estructura. Si hay más de este último, ya es un ion negativo, un anión. Si por el contrario el número de protones es mayor que el de electrones, se trata de un ion positivo, o catión. El anión azufre puede actuar como un residuo ácido. Forma parte de las moléculas de sustancias como el ácido sulfuroso (sulfuro de hidrógeno) y los sulfuros metálicos. El anión se forma durante la disociación electrolítica, que ocurre cuando una sustancia se disuelve en agua. En este caso, la molécula se descompone en un catión, que puede presentarse como un metal o un ion de hidrógeno, así como un catión: un ion de un residuo ácido o un grupo hidroxilo (OH-).
Porque número de serie Si el azufre en la tabla periódica es dieciséis, entonces podemos concluir que su núcleo contiene exactamente este número de protones. En base a esto, podemos decir que también hay dieciséis electrones girando. El número de neutrones se puede encontrar restando el número de serie del elemento químico de la masa molar: 32 - 16 = 16. Cada electrón no gira caóticamente, sino en una órbita específica. Dado que el azufre es un elemento químico que pertenece al tercer período de la tabla periódica, existen tres órbitas alrededor del núcleo. El primero de ellos tiene dos electrones, el segundo ocho y el tercero seis. La fórmula electrónica del átomo de azufre se escribe de la siguiente manera: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p4.
Prevalencia en la naturaleza
Básicamente, el elemento químico en cuestión se encuentra en minerales, que son sulfuros de diversos metales. En primer lugar, se trata de pirita, una sal de hierro; También es plomo, plata, brillo de cobre, blenda de zinc, cinabrio y sulfuro de mercurio. Además, el azufre también puede formar parte de minerales cuya estructura está representada por tres o más elementos químicos.
Por ejemplo, calcopirita, mirabilita, kieserita, yeso. Puedes considerar cada uno de ellos con más detalle. La pirita es sulfuro de hierro o FeS 2 . Tiene un color amarillo claro con brillo dorado. Este mineral a menudo se puede encontrar como impureza en el lapislázuli, que se usa ampliamente para hacer joyería. Esto se debe al hecho de que estos dos minerales suelen tener un depósito común. El brillo del cobre (calcocita o calcocita) es una sustancia de color gris azulado similar al metal. y el brillo plateado (argentita) tienen propiedades similares: ambos se parecen a los metales en apariencia y tienen un color gris. El cinabrio es un mineral de color rojo pardusco opaco con motas grises. La calcopirita, cuya fórmula química es CuFeS 2, es de color amarillo dorado y también se llama blenda de oro. La blenda de zinc (esfalerita) puede variar en color desde el ámbar hasta el naranja intenso. Mirabilita - Na 2 SO 4 x10H 2 O - cristales transparentes o blancos. También se le llama usado en medicina. La fórmula química de la kieserita es MgSO 4 xH 2 O. Parece un polvo blanco o incoloro. La fórmula química del yeso es CaSO 4 x2H 2 O. Además, este elemento químico forma parte de las células de los organismos vivos y es un oligoelemento importante.
Cuando se produce gas de combustión quemando azufre, no es necesario limpiarlo de impurezas. La etapa de preparación únicamente incluirá el secado del gas y la eliminación del ácido. Cuando se quema azufre, se produce una reacción exotérmica irreversible:
S + oh 2 = ENTONCES 2 (1)
con liberación de una gran cantidad de calor: cambio H = -362,4 kJ/mol, o en términos de unidad de masa 362,4/32 = 11,325 kJ/t = 11325 kJ/kg S.
El azufre líquido fundido suministrado para la combustión se evapora (hierve) a una temperatura de 444,6 * C; el calor de evaporación es 288 kJ/kg. Como puede verse en los datos presentados, el calor de la reacción de combustión del azufre es suficiente para evaporar la materia prima, por lo que la interacción del azufre y el oxígeno se produce en la fase gaseosa (reacción homogénea).
La combustión de azufre en la industria se lleva a cabo de la siguiente manera. El azufre se derrite preliminarmente (para ello se puede utilizar vapor de agua obtenido reciclando el calor de la reacción de combustión principal del azufre). Dado que el punto de fusión del azufre es relativamente bajo, mediante la sedimentación y posterior filtración del azufre es fácil separar las impurezas mecánicas que no han pasado a la fase líquida y obtener materia prima con un grado suficiente de pureza. Se utilizan dos tipos de hornos para quemar azufre fundido: boquilla y ciclón. Deben prever la pulverización de azufre líquido para evaporarlo rápidamente y garantizar un contacto fiable con el aire en todas las partes del aparato.
Desde el horno, el gas de combustión ingresa a la caldera de calor residual y luego a los dispositivos posteriores.
La concentración de dióxido de azufre en el gas de calcinación depende de la proporción de azufre y aire suministrado para la combustión. Si el aire se toma en cantidad estequiométrica, es decir por cada mol de azufre hay 1 mol de oxígeno, luego, con la combustión completa del azufre, la concentración será igual a la fracción volumétrica de oxígeno en el aire C, por lo que 2. max = 21%. Sin embargo, se suele coger aire en exceso, ya que de lo contrario la temperatura en el horno será demasiado alta.
Durante la combustión adiabática de azufre, la temperatura de combustión para una mezcla de reacción de composición estequiométrica será ~ 1500*C. En condiciones prácticas, las posibilidades de aumentar la temperatura en el horno están limitadas por el hecho de que por encima de 1300 * C el revestimiento del horno y los conductos de gas colapsan rápidamente. Normalmente, cuando se quema azufre, se obtiene un gas calcinante que contiene entre un 13 y un 14% de SO 2.
2. Oxidación por contacto de so2 a so3
La oxidación por contacto del dióxido de azufre es un ejemplo típico de catálisis exotérmica oxidativa heterogénea.
Esta es una de las síntesis catalíticas más estudiadas. En la URSS, G.K. Boreskov. Reacción de oxidación del dióxido de azufre.
ENTONCES 2 + 0,5 oh 2 = ENTONCES 3 (2)
Se caracteriza por una energía de activación muy alta y, por tanto, su implementación práctica sólo es posible en presencia de un catalizador.
En la industria, el principal catalizador para la oxidación del SO 2 es un catalizador a base de óxido de vanadio V 2 O 5 (masa de contacto de vanadio). Otros compuestos, principalmente platino, también exhiben actividad catalítica en esta reacción. Sin embargo, los catalizadores de platino son extremadamente sensibles incluso a trazas de arsénico, selenio, cloro y otras impurezas y, por lo tanto, fueron reemplazados gradualmente por el catalizador de vanadio.
La velocidad de reacción aumenta al aumentar la concentración de oxígeno, por lo que el proceso en la industria se lleva a cabo en exceso.
Dado que la reacción de oxidación del SO2 es exotérmica, el régimen de temperatura para su implementación debe acercarse a la línea de temperatura óptima. La elección del régimen de temperatura está sujeta además a dos restricciones relacionadas con las propiedades del catalizador. El límite inferior de temperatura es la temperatura de ignición de los catalizadores de vanadio, que, según el tipo específico de catalizador y la composición del gas, es de 400 a 440 * C. el límite de temperatura superior es 600 – 650*C y está determinado por el hecho de que por encima de estas temperaturas la estructura del catalizador sufre una reestructuración y pierde su actividad.
En el rango de 400 - 600*C, se esfuerzan por realizar el proceso de manera que a medida que aumenta el grado de conversión, la temperatura disminuye.
La mayoría de las veces en la industria se utilizan dispositivos de contacto con estantes con intercambio de calor externo. El esquema de intercambio de calor implica el uso máximo del calor de reacción para calentar el gas fuente y el enfriamiento simultáneo del gas entre los estantes.
Una de las tareas más importantes a las que se enfrenta la industria del ácido sulfúrico es aumentar el grado de conversión del dióxido de azufre y reducir sus emisiones a la atmósfera. Este problema se puede resolver mediante varios métodos.
Uno de los métodos más racionales para solucionar este problema, ampliamente utilizado en la industria del ácido sulfúrico, es el método de doble contacto y doble absorción (DCDA). Para desplazar el equilibrio hacia la derecha y aumentar el rendimiento del proceso, así como aumentar la velocidad del proceso, el proceso se lleva a cabo mediante este método. Su esencia radica en el hecho de que la mezcla de reacción, en la que el grado de conversión de SO 2 es del 90 al 95%, se enfría y se envía a un absorbente intermedio para separar el SO 3. En el gas de reacción restante, la relación O 2:SO 2 aumenta significativamente, lo que conduce a un desplazamiento del equilibrio de la reacción hacia la derecha. El gas de reacción recién calentado se introduce nuevamente en el aparato de contacto, donde en una o dos capas de catalizador se alcanza el 95% del grado de conversión del SO 2 restante. El grado total de conversión de SO 2 en este proceso es del 99,5% - 99,8%.