Получение серы и кислорода

Доклад

Получение серы и кислорода

В настоящее время получение таких элементов как серы и кислорода являются неотъемлемой частью химических процессов. Вопросы, касающиеся того, как получить серу и кислород, достаточно интересны и сложны, так как эти два элемента входят в состав не только горных и природных пород и необходимы для жизни человека, но также они являются составляющими самого организма человека. Они также приобрели широкое распространение в промышленности, в медицине и в других областях человеческой деятельности.

Стоит отметить, что, еще с давних времен люди использовали серу в домашнем обиходе и находили способы по ее добыче, кислороду, однако, уделялось наименьшее внимание.

Но на протяжении многих лет создавались все более новые способы по добычи соответствующих элементов. Поэтому на данный момент времени существует достаточно обширное количество способов по получению, в особенности, серы и кислорода.

Актуальность данной темы обусловлена тем, что в связи с постоянным прогрессированием технологий требуются все более новые, менее энергозатратные и бюджетные методы получения данных элементов. Так же в данной ситуации учитывается то, что методы должны быть ориентированы на безопасное получение, так как химические элементы сера и кислород, являются довольно горючими.

При выполнении исследования решался ряд задач:

1. Рассмотреть по отдельности современные процессы получения серы и кислорода, как в промышленности, так и в лабораторных условиях;

2. Выявить особенности каждого из методов получения.

Новизна работы состоит в изучении особенностей доступных на сегодняшний день в области добычи серы и кислорода.

Материалом исследования служила новейшая литература: интернет ресурсы и учебные пособия.

1. Получение серы

1.1 В промышленности

Самым распространенным способом получения серы является так называемый геотехнологический способ, предложенный еще в 1890 г. Г. Фаршем. Идея заключалась в том, что сера является достаточно легкоплавким химическим элементом, температура плавления которого 113С, что значительно облегчает процесс возгонки. Вследствие этого Фарш предложил использовать для подъема серы на поверхность перегретый водяной пар. Таким образом, направляя этот пар в подземные пласты, откачивают расплав по скважинам. Поэтому можно сказать, что на основе предложенной идеи возникли разные методы получения серы из серных руд и горных залежей:

· пароводяной,

· фильтрационный,

· термический,

· центрфугальный,

· экстрационный.

1. Пароводяной метод (для руд с высоким содержанием серы) заключается в обработке дробленой руды в автоклавах острым паром;

2. При получении сера методом фильтрации, концентрат поступает в плавильник, оттуда во флокулятор, где к образовавшейся суспензии добавляют коагулянт (высококипящая жидкость, содержащая воду), затем флокулы пустой породы отделяют от жидкой сера;

3. Согласно термическому методу, серу выплавляют, или возгоняют, из дробленной горной породы в специальных глиняных печах;

4. По термическому методу сера либо выплавляют из дробленой руды в камерных печах, либо возгоняют во вращающихся печах;

5. Экстракционный метод (применяется ограниченно) состоит в извлечении серы из руд сероуглеродом;

Все эти способы и методы широко используются в горнодобывающей промышленности.

Еще одним из способов получения серы, но в качестве побочного продукта является очистка нефти и природного газа от органических сульфидов и сероводорода. Серу из природного газа получают методом Клауса, который далее будет рассмотрен более подробно. Для этого используются так называемые серные ямы, где происходит дегазация серы, на выходе получают модифицированную серу. Технологические установки для получения серы обычно включают в себя ямы недегазированной серы, ямы дегазации, ямы хранения дегазированной серы, а также налив жидкой серы и склад комовой серы.

Ниже приведен процесс производства элементарной серы из кислых газов нефтеи газопереработки, включая доочистку хвостовых газов.

1. Прямой Клаус процесс, включая переработку кислого газа с повышенным содержанием аммиака

Этот метод получения серы основан на частичном окислении сероводорода кислого газа путем сжигания его в недостаточном для полного сгорания количестве воздуха. При этом в топке термического реактора может быть получено до 75% серы, содержащейся в исходном сероводороде. Дальнейшее извлечение серы производят на катализаторе в каталитических ступенях и, если необходимо, на установке очистки отходящих газов. Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе 45 — 100% моль.

Присутствие аммиака в кислом газе может отрицательно влиять на показатели работы установки. Поэтому принимаются специальные меры для сжигания его до азота в термической ступени. Степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии зависит от концентрации сероводорода в кислом газе и составляет 95 — 96% для схемы с двумя каталитическими ступенями и 97 — 98% для трехступенчатой схемы.

2. Процесс «прямого окисления» сероводорода на катализаторе в элементарную серу

Суть процесса заключается в проведении реакции взаимодействия сероводорода с кислородом воздуха на специальном катализаторе. Процесс применяется при концентрации сероводорода в кислом газе от 0,1 — 0,5 до 9% моль. В случае малых концентраций сероводорода — до 3% моль — процесс проводится в 1 ступень, при повышении концентрации количество ступеней увеличивают. Как правило, степень конверсии сероводорода в серу на установке прямого окисления без доочистки хвостовых газов не превышает 85%.

3. Получение серы методом «1/3 — 2/3»

Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе 20 — 45% моль. Суть процесса заключается в том, что часть кислого газа (до 2/3 от общего количества) байпасируют мимо термического реактора напрямую в каталитический реактор. А оставшийся кислый газ сжигается в термическом реакторе в условиях, обеспечивающих полное сгорание сероводорода. Таким образом, сера образуется только в каталитических ступенях, которых может быть несколько. Процесс имеет технологические недостатки, которые привели к ограниченному масштабу его распространения. Общая степень конверсии сероводорода в серу для данной технологии зависит от числа применяемых каталитических ступеней и состава кислого газа, подаваемого на переработку.

4. Процесс производства серы со сжиганием части образованной серы

Процесс используется при концентрации сероводорода в кислом газе менее 20% моль. Суть процесса заключается в том, что необходимый для реакции Клауса диоксид серы образуется за счет сжигания части полученной серы. Данная технология имеет те же недостатки, что и процесс «1/3 — 2/3», однако в ряде случаев эта технология предпочтительна. Общая степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии зависит от числа применяемых каталитических ступеней и может доходить до 98%.

5. Процесс производства серы с рециркуляцией части технологического газа

Процесс используется при пониженном содержании сероводорода в кислом газе. Суть процесса заключается в том, что для снижения избыточного разогрева каталитического реактора в процессе получения серы часть прореагировавшего газа подается на вход этого реактора. В процессе используется специальный катализатор, применяется газодувка. Степень конверсии сероводорода определяется числом каталитических ступеней.

6. Интенсификация процесса Клауса путем обогащения воздуха кислородом

Использование кислорода или обогащенного кислородом воздуха в процессе Клауса приводит к повышению температуры сжигания газа в термическом реакторе и к уменьшению объема продуктов сгорания. Это обуславливает области применения кислорода в этом процессе: 1) для интенсификации сжигания «слабого» кислого газа, т. е. газа с низким содержанием сероводорода и 2) для снижения удельных капитальных затрат при проектировании новой установки или повышении производительности существующей. Применение кислорода имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при проектировании установки. Экономическую целесообразность использования кислорода необходимо рассчитывать для каждого случая индивидуально, исходя из условий конкретного завода.

7. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на адсорбционно — каталитическом продолжении реакции Клауса

Суть этой группы процессов заключается в продолжении реакции Клауса на катализаторе при пониженной температуре с одновременной конденсацией паров образованной серы. Поскольку сера адсорбируется катализатором, к нему предъявляются особые требования по сравнению с обычным катализатором процесса Клауса. Процесс является периодическим — после адсорбции определенного количества серы катализатор подвергают регенерации, путем отдувки серы горячим газом. Для непрерывной работы процесса устанавливается 2 или 3 каталитических реактора, которые работают в едином цикле: один — в фазе регенерации, другой (другие) — в фазе адсорбции. Общая степень конверсии сероводорода в серу при использовании данной технологии в значительной степени зависит от точности ведения процесса. Теоретическая степень конверсии составляет 99,6 — 99,7%, на практике этот показатель не превышает 99,5%.

8. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на гидрировании сернистых соединений до сероводорода

Суть этой группы процессов заключается в обработке отходящего газа процесса Клауса на специальном катализаторе в восстановительной атмосфере. При этом все соединения серы (SO₂, COS, CS₂, сера — парообразная и капельная) восстанавливаются до сероводорода. Далее, из технологического газа удаляется избыточная вода, и после этого в аминовом абсорбере происходит селективное поглощение сероводорода. При регенерации аминового раствора сероводород выделяется и направляется на сжигание в термический реактор процесса Клауса. Степень утилизации сероводорода по данной технологии может достигать 99,9% и выше. При проведении регенерации аминового раствора централизовано в рамках общезаводского хозяйства НПЗ экономические показатели процесса значительно улучшаются.

9. Процессы очистки хвостовых газов производства серы, основанные на окислении сернистых соединений до диоксида серы

Суть этой группы процессов заключается в окислении всех газообразных соединений серы (H₂S, COS, CS₂, сера — парообразная и капельная) до диоксида серы. Далее диоксид серы в присутствии специального катализатора окисляется до серного ангидрида, который при взаимодействии с водой образует разбавленную серную кислоту. Кислота может иметь внутреннего потребителя в структуре НПЗ или может быть направлена на сжигание в топку термического реактора процесса Клауса. Степень утилизации сероводорода по данной технологии может достигать 99,9% и выше.

Следует отметить, что в связи с тем, что потребность промышленности в сере очень велика, разработаны методы ее получения из сероводорода H₂S и сульфатов.

Метод окисления сероводорода до элементарной серы был впервые разработан в Великобритании, где значительные количества серы научились получать из остающегося после получении соды Na₂CO₃, по методу французского химика Н. Леблана, сульфида кальция CaS. Метод Леблана основан на восстановлении сульфата натрия углем в присутствии известняка CaCO₃.

Na₂SO₄ + 2C = Na₂S + 2CO₂;

Na₂S + CaCO₃ = Na₂CO₃ + CaS

Соду затем выщелачивают водой, а водную суспензию плохо растворимого сульфида кальция обрабатывают диоксидом углерода:

CaS + CO₂ + H₂O = CaCO₃ + H₂S

Образующийся сероводород H2S в смеси с воздухом пропускают в печи над слоем катализатора. При этом за счет неполного окисления сероводорода образуется сера:

2H₂S + O₂ = 2H₂O +2S

Так как современная техника нуждается в сере высокой чистоты, разработаны эффективные методы рафинирования серы. При этом используют, в частности, различия в химическом поведении серы и примесей. Так, мышьяк и селен удаляют, обработав серу смесью азотной и серной кислот.

Использованием методов, основанных на дистилляции и ректификации, удается получить высокочистую серу с содержанием примесей 10−5 — 10−6% по массе.

сера кислород химический лабораторный

1.2 В лабораторных условиях

В лаборатории серу можно получить из сульфида и сульфита натрия. Для этого нужно смешать их растворы в стехиометрическом соотношении и полученный раствор нейтрализовать соляной или серной кислотой:

2 Nа₂S + Nа₂SO₃ + 6 НСl = 6 NаСl + 3 S + 3 Н₂О;

2 Nа₂S + Nа₂SO₃ + 3 Н₂SO₄ = 3 Nа₂SO₄ + 3 S + 3 H₂О.

Сера выделяется в виде мелкодисперсного порошка, который при отстаивании осаждается. Практически серу в лаборатории получают очень редко.

Способ получения серы из сероводорода проводится в лабораторных условиях. Следует сразу отметить, что подобный способ получения серы следует проводить при всех мерах безопасности, так как сероводород — это активное и ядовитое вещество. Суть метода заключается во взаимодействии (реакции) сероводорода с серной кислотой, в результате чего образуется вода, диоксид серы, газ и мелкодисперсная сера, которая останется на дне пробирки в конце реакции в виде осадка. Полученный осадок фильтруют, промывают и дают ему высохнуть. Это и будет мелкодисперсная сера.

2. Получение кислорода

2.1 В промышленности

Ш В промышленности для получения чистого кислорода используют перегонку жидкого воздуха, основанную на разных температурах кипения компонентов воздуха. Воздух охлаждают примерно до -200°С и затем медленно нагревают. При достижении температуры -183°С из жидкого воздуха улетучивается кислород, остальные компоненты сжиженного воздуха при этой температуре остаются в жидком агрегатном состоянии.

Ш На современных атомных подводных лодках, где имеется мощный и почти неисчерпаемый источник электрической энергии, есть возможность получать кислород разложением воды под действием электрического тока (электролизом воды):

2H₂O = 2H₂ + O₂.

2.2 В лабораторных условиях

1. В лабораторных условиях кислород в основном получают разложением при нагревании ряда веществ.

Ш При нагревании бертолетовой соли получается хлорид калия и выделяется кислород:

2KClO3 = 2KCl + 3O2^

Однако, чтобы бертолетовая соль начала разлагаться, ее надо нагреть до 400 °C. Поэтому к ней добавляют оксид марганца (MnO2) в качестве катализатора. В его присутствии разложение бертолетовой соли начинается при 200 °C.

Ш Разложение перманганата калия, в ходе которого происходит образование кислорода.

Уравнение проводимой реакции:

2 KMnO₄ = K₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ ^

2. В результате каталитического разложения пероксида водорода (катализатор MnO₂):

3. Интересен способ получения кислорода из пероксидов металлов, который раньше применяли на подводных лодках, потому что одновременно с выделением кислорода происходит поглощение углекислого газа:

2Na₂O₂ + 2CO₂ = 2Na₂CO₃ + O₂

4. Электролизом водного раствора гидроксида натрия (электроды никелевые):

2H₂O = 2H₂ + O₂.

2.3 В атмосфере

v Кислород атмосферы имеет биологическое происхождение и образуется в зеленых растениях из воды при фотосинтезе с участием хлорофилла и энзимов:

12Н₂О + 6СО₂ = 6О₂ + С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О.

Заключение

Исходя из вышеперечисленного, можно отметить, что существует достаточно большое количество способов по получению серы и кислорода, как в промышленности, так и в лабораторных условиях. Но, рассматривая со стороны экономики или же экологии, доступные на сегодняшний день методы, не являются достаточно дешевыми, прогрессивными и экологически чистыми.

Каждый из данных способов по-своему влияет и на здоровье человека, при получении в лабораторных условиях данных элементов, выделяется ряд газов, которые негативно влияют на иммунную систему человека. Если же рассматривать промышленные способы, то тут стоит отметить, что некоторые из них энергозатратны или довольно дороги в использовании, поэтому стоит уделить внимание в будущем развитию техники, которая бы являлась бюджетной и практичной, не принося большого вреда окружающей среде и здоровью человека.

Обобщая вышесказанное, данные способы получения значительно развились за последнее время, на которые повлияли следующие причины:

· научно-технический прогресс;

· нужда современной техники в веществах высокой чистоты.

Поэтому можно ожидать, что в будущем будут использоваться более развитые технологии, нежели те, которые мы имеем сейчас.

Список использованных источников

1. Лидия Габрисюк. Как получить серу? [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://elhow.ru/ucheba/himija/himicheskie-reakcii/kak-poluchit-seru. — Дата доступа: 13.12.2015.

2. Базовая химия и нефтехимия [Электронный ресурс] / Статья «Технология получения серы». — Режим доступа: http://newchemistry.ru/letter.php? n_id=7595. — Дата доступа: 12.12.2015.

3. Получение серы [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://www.medkurs.ru/lecture1k/chemistry/qc40/2927.html. — Дата доступа: 13.12.2015.

4. Сера [Электронный ресурс] / - Режим доступа http://www.webelements.narod.ru/elements/S.htm. — Дата доступа: 13.12.2015.

5. Сера [Электронный ресурс] / Википедия. — Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0% A1% D0% B5% D1% 80% D0% B0

6. Коржуков, Н. Г. Общая и неорганическая химия / Учеб. Пособие. — М.: МИСИС: ИНФРА — М, 2004. — С. 312−316.

7. Получение кислорода [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://ido.tsu.ru/schools/chem/data/res/neorg/uchpos/text/g3₄_4.html. — Дата доступа: 13.12.2015.

8. Павел Беспалов. Получение кислорода [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/4f57fc49−7019−74e8−02d6-db5b0e51aa12/index.htm. — Дата доступа: 13.12.2015.

9. Кислород. Получение кислорода [Электронный ресурс] / - Режим доступа: http://www.hemi.nsu.ru/ucheb162.htm. — Дата доступа: 14.12.2015.

10. Как получают кислород в лаборатории? [Электронный ресурс] / Науколандия. — Режим доступа: http://scienceland.info/chemistry8/oxygen. — Дата доступа: 13.12.2015.

11. Р. Рипан. Кислород [Электронный ресурс] / «Руководство к практическим работам по неорганической химии». — Режим доступа: http://chemistry-chemists.com/N3_2008/P1/ChemistryAndChemists₃_2008;P1.html. Дата доступа: 14.12.2015.

12. Неорганическая химия / Под ред. Ю. Д. Третьякова [и др.]. — М.: Издательский центр «Академия», 2004. — 368 с.