Уравнение сжигания серы. Физико-химические основы процесса горения серы
При получении обжигового газа путем сжигания серы отпадает необходимость очистки от примесей. Стадия подготовки будет включать лишь осушку газа и утилизацию кислоты. При сжигании серы протекает необратимая экзотермическая реакция:
S + O 2 = SO 2 (1)
с выделением очень большого количества теплоты: изменение Н= -362,4 кДж/моль, или в пересчете на единицу массы 362,4/32=11,325 кДж/т = 11325 кДж/кг S.
Расплавленная жидкая сера, подаваемая на сжигание, испаряется (кипит) при температуре 444,6 *С; теплота испарения составляет 288 кДж/кг. Как видно из приведенных данных, теплоты реакции горения серы вполне достаточно для испарения исходного сырья, поэтому взаимодействие серы и кислорода происходит в газовой фазе (гомогенная реакция).
Сжигание серы в промышленности проводят следующим образом. Серу предварительно расплавляют (для этого можно использовать водяной пар, полученный при утилизации теплоты основной реакции горения серы). Так как температура плавления серы сравнительно низка, то путем отстаивания и последующей фильтрации от серы легко отделить механические примеси, не перешедшие в жидкую фазу, и получить исходное сырье достаточной степени чистоты. Для сжигания расплавленной серы используют два типа печей – форсуночные и циклонные. В них необходимо предусмотреть распыление жидкой серы для ее быстрого испарения и обеспечения надежного контакта с воздухом во всех частях аппарата.
Из печи обжиговый газ поступает в котел-утилизатор и далее в последующие аппараты.
Концентрация диоксида серы в обжиговом газе зависит от соотношения серы и воздуха, подаваемых на сжигание. Если воздух берут в стехиометрическом количестве, т.е. на каждый моль серы 1 моль кислорода, то при полном сгорании серы концентрация будет равна объемной доле кислорода в воздухе С so 2. max =21%. Однако обычно воздух берут в избытке, так как в противном случае в печи будет слишком высокая температура.
При адиабатическом сжигании серы температура обжига для реакционной смеси стехиометрического состава составит ~ 1500*С. В практических условиях возможности повышения температуры в печи ограничены тем, что выше 1300*С быстро разрушается футеровка печи и газоходов. Обычно при сжигании серы получают обжиговый газ, содержащий 13 – 14% SO 2 .
2. Контактное окисление so2 в so3
Контактное окисление диоксида серы является типичным примером гетерогенного окислительного экзотермического катализа.
Это один из наиболее изученных каталитических синтезов. В СССР наиболее основательные работы по изучению окисления SO 2 в SO 3 и разработке катализаторов были проведены Г.К. Боресковым. Реакция окисления диоксида серы
SO 2 + 0,5 O 2 = SO 3 (2)
характеризуется очень высоким значением энергии активации и поэтому практическое ее осуществление возможно лишь в присутствии катализатора.
В промышленности основным катализатором окисления SO 2 является катализатор на основе оксида ванадия V 2 O 5 (ванадиевая контактная масса). Кталитическая активность в этой реакции проявляют и другие соединения, прежде всего платина. Однако, платиновые катализаторы чрезвычайно чувствительны даже к следам мышьяка, селена, хлора и других примесей и поэтому постепенно были вытеснены ванадиевым катализатором.
Скорость реакции повышается с ростом концентрации кислорода, поэтому процесс в промышленности проводят при его избытке.
Так как реакция окисления SO 2 относится к типу экзотермических, температурный режим ее проведения должен приближаться к линии оптимальных температур. На выбор температурного режима дополнительно накладываются два ограничения, связанные со свойствами катализатора. Нижним температурным пределом является температура зажигания ванадиевых катализаторов, составляющая в зависимости от конкретного вида катализатора и состава газа 400 – 440*С. верхний температурный предел составляет 600 – 650*С и определяется тем, что выше этих температур происходит перестройка структуры катализатора, и он теряет свою активность.
В диапазоне 400 – 600*С процесс стремятся провести так, чтобы по мере увеличения степени превращения температура уменьшалась.
Чаще всего в промышленности используют полочные контактные аппараты с наружным теплообменом. Схема теплообмена предполагает максимальное использование теплоты реакции для подогрева исходного газа и одновременное охлаждение газа между полками.
Одна из важнейших задач, стоящих перед сернокислотной промышленностью, - увеличение степени превращения диоксида серы и снижение его выбросов в атмосферу. Эта задача может быть решена несколькими методами.
Один из наиболее рациональных методов решения этой задачи, повсеместно применяемой в сернокислотной промышленности, - метод двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА). Для смещения равновесия вправо и увеличения выхода процесса, а также для увеличения скорости процесса процесс проводят по этому методу. Его сущность состоит в том, что реакционную смесь, в которой степень превращения SO 2 составляет 90 – 95%, охлаждают и направляют в промежуточный абсорбер для выделения SO 3 . В оставшемся реакционном газе соотношение O 2:SO 2 существенно повышается, что приводит к смещению равновесия реакции вправо. Вновь нагретый реакционный газ снова подают в контактный аппарат, где на одном-двух слоях катализатора достигают 95% степени превращения оставшегося SO 2 .суммарная степень превращения SO 2 составляет в таком процессе 99,5% - 99,8 %.
Это химический элемент, расположенный в шестой группе, третьем периоде таблицы Менделеева. Это хрупкое вещество, пребывающее при нормальных условиях в твердом агрегатном состоянии. Сера окрашена в лимонно-желтый цвет. Таким же оттенком наделены многие соединения этого элемента.
Физические характеристики серы
Сера не растворяется в воде, обладает низкой электро- и теплопроводностью, проявляет свойства типичного неметалла. Вещество может пребывать в нескольких вариациях, в зависимости от строения кристаллической решетки, соединяющей атомы.
Первый вариант элемента - ромбическая сера , наиболее устойчивое вещество. Кипит при температуре 445 °C. Перед переходом в газообразное агрегатное состояние это вещество должно стать жидким. Плавится ромбическая сера при температуре 113 °C.
Второй вариант - моноклинная сера , представляющая собой кристаллы игольчатой формы темно-желтого цвета. Это вещество формируется в результате плавления ромбической серы и медленного ее охлаждения. Температура кипения моноклинной серы - 445 °С. Существует пластическая разновидность моноклинной серы, которую получают путем выливания почти кипящей ромбической серы в холодную воду. Это вещество обладает свойством тянуться наподобие резины.
Температура воспламенения серы зависит от типа материала и его происхождения. Например, сера техническая воспламеняется при температуре 190 °С. При других условиях температура вспышки серы составляет 248 °С и даже 256 °С - в зависимости от того, из какого материала была добыта сера и какую плотность имеет вещество. В любом случае температура горения серы достаточно низкая, по сравнению с другими химическими элементами. Сера относится к легковоспламеняющимся веществам.
Химические характеристики серы, ее взаимодействие с металлами
Сера обладает сравнительно низкой атомной массой (32 г/моль). Элемент может иметь разные степени окисления. Этим сера отличается от кислорода или водорода. Сера, в зависимости от условий, способна проявлять восстановительные или окислительные свойства.
Для реакции серы с металлами необходима высокая температура. При таких условиях будет протекать реакция присоединения: атомы металла объединятся с атомами серы, образуя сложные вещества - сульфиды. К примеру, если нагреть 2 моля калия, смешать их с 1 молем серы, образуется 1 моль сульфида калия. Уравнение реакции:
Молекулярная структура сульфида калия
Реакция серы с галогенами и другими простыми веществами
Сера, как и другие неметаллы, вступает в реакцию с галогенами. Сера реагирует с бромом, фтором, хлором, но не взаимодействует с иодом. Пример - фторирование серы. Если разогреть серу с галогеном, образуются две вариации фторида.
Молекулярная структура фторида серы
Первый вариант : взять 1 моль серы и три 3 моля фтора, образуется 1 моль фторида - SF₆. Уравнение реакции:
S + 3F₂ = SF₆
Второй вариант : взять 1 моль серы и 2 моля фтора, образуется 1 моль фторида с химической формулой SF₄. Уравнение реакции:
S + 2F₂ = SF₄
Реакция галогенов с серой зависит от пропорций, в которых смешаны компоненты. Таким же образом осуществляется бромирование серы либо хлорирование серы (в результате реакции также образуются два разных вещества).
Сера вступает в химическую реакцию с фосфором, водородом и углеродом. При взаимодействии серы с водородом образуется сероводород. В результате реакции сероводорода с металлами образуются их сульфиды, которые также получают прямым взаимодействием серы с тем же металлом.
Присоединение атомов водорода к атомам серы происходит исключительно в условиях очень высокой температуры. При реакции серы с фосфором образуется фосфид серы - P₂S₃. Чтобы получить 1 моль фосфида серы, нужно взять 2 моля фосфора и 3 моля «сульфура». При реакции серы с углеродом образуется сероуглерод CS₂. Чтобы получить 1 моль сероуглерода, нужно взять 1 моль углерода и 2 моля серы. Описанные реакции присоединения протекают при нагревании реагентов до высоких температур. С желтым порошком серы можно провести интересный опыт и расплавить его в черную вязкую массу.
Реакция серы с кислородом
Нельзя рассмотреть все реакции с серой и упустить ее взаимодействие с кислородом. Для понимания процесса можно провести лабораторный опыт: в ходе реакции разложения марганцовки колба наполнится кислородом. Затем поджигается сера в ложечке для сгорания и опускается в колбу с кислородом. Сера интенсивно сгорает на воздухе ярким сине-фиолетовым пламенем. Постепенно колбу заполнит белый туман.
Горение серы
Реакция между кислородом и серой принадлежит к числу окислительно-восстановительных, где сера - восстановитель, а кислород - окислитель. Скорость горения серы в чистом кислороде увеличивается за счет почти пятикратного увеличения концентрации кислорода.
Тепло при горении серы на воздухе не расходуется на нагревание балласта (азота), поэтому температура реагентов повышается сильнее, чем на воздухе. Из-за этого интенсивность горения тоже увеличивается. При горении сера соединяется с кислородом, образуя сернистый газ - оксид серы SO₂, который постепенно заполняет цилиндр. Уравнение реакции:
S + O₂ = SO₂ + Q.
Сернистый газ, соединяясь с парами воды, образует сернистую кислоту:
SO₂ + H₂O = H₂SO₃
Сернистая кислота окисляется до серной кислоты:
2H₂SO₃ + O₂ = 2H₂SO₄
В результате описанных реакций в цилиндре образуется туман из капель серной и сернистой кислот.
Раздел 1. Определение серы.
Раздел 2. Природные минералы серы .
Раздел 3. История открытия серы .
Раздел 4. Происхождение названия сера.
Раздел 5. Происхождение серы.
Раздел 6. Получение серы.
Раздел 7. Производители серы.
Раздел 8. Свойства серы.
- Подраздел 1. Физические свойства.
- Подраздел 2. Химические свойства.
Раздел 10. Пожароопасные свойства серы.
- Подраздел 1. Пожары на складах серы.
Раздел 11. Нахождение в природе.
Раздел 12. Биологическая роль серы.
Раздел 13. Применение серы.
Определение серы
сера — это элемент шестой группы третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 16. Проявляет неметаллические свойства. Обозначается символом S (лат. Sulfur). В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных ионов, образует многие кислоты и соли. Многие серосодержащие соли малорастворимы в воде.
Сера - S, химический элемент с атомным номером 16, атомная масса 32,066. Химический символ серы S произносится «эс». Природная сера состоит из четырех стабильных нуклидов: 32S (содержание 95,084% по массе), 33S (0,74 %), 34S (4,16%) и 36S (0,016 %). Радиус атома серы 0,104 нм. Радиусы ионов: иона S2- 0,170 нм (координационное число 6), иона S4+ 0,051 нм (координационное число 6) и иона S6+ 0,026 нм (координационное число 4). Энергии последовательной ионизации нейтрального атома серы от S0 до S6+ равны, соответственно, 10,36, 23,35, 34,8, 47,3, 72,5 и 88,0 эВ. Сера расположена в VIA группе периодической системы Д. И. Менделеева, в 3-м периоде, и принадлежит к числу халькогенов. Конфигурация внешнего электронного слоя 3s23p4. Наиболее характерны степени окисления в соединениях -2, +4, +6 (валентности соответственно II, IV и VI). Значение электроотрицательности серы по Полингу 2,6. Сера относится к числу неметаллов.
В свободном виде сера представляет собой желтые хрупкие кристаллы или желтый порошок.
Сера (Sulfur) - это
Природные минералы серы
Сера является шестнадцатым по химической распространённости элементом в земной коре. Встречается в свободном (самородном) состоянии и связанном виде.
Важнейшие природные соединения серы: FeS2 — железный колчедан или пирит, ZnS — цинковая обманка или сфалерит (вюрцит), PbS — свинцовый блеск или галенит, HgS — киноварь, Sb2S3 — антимонит. Кроме того, сера присутствует в черного золота, природном угле, природных газах и сланцах. Сера — шестой элемент по содержанию в природных водах, встречается в основном в виде сульфат-иона и обуславливает «постоянную» жёсткость пресной воды. Жизненно важный элемент для высших организмов, составная часть многих белков, концентрируется в волосах.
Сера (Sulfur) - это
История открытия серы
сера в самородном состоянии, а также в виде сернистых соединений известна с древнейших времён. С запахом горящей серы, удушающим действием сернистого газа и отвратительным запахом сероводорода человек познакомился, вероятно, ещё в доисторические времена. Именно из-за этих свойств сера использовалась жрецами в составе священных курений при религиозных обрядах. Сера считалась произведением сверхчеловеческих существ из мира духов или подземных богов. Очень давно сера стала применяться в составе различных горючих смесей для военных целей. Уже у Гомера описаны «сернистые испарения», смертельное действие выделений горящей серы. Сера, вероятно, входила в состав «греческого огня», наводившего ужас на противников. Около VIII в. китайцы стали использовать её в пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. Горючесть серы, лёгкость, с которой она соединяется с металлами с образованием сульфидов (например, на поверхности кусков металла ), объясняют то, что её считали «принципом горючести» и обязательной составной частью металлических руд. Пресвитер Теофил (XII в.) описывает способ окислительного обжига сульфидной медной руды, известный, вероятно, ещё в древнем Египте. В период арабской алхимии возникла ртутно-серная теория состава металлов , согласно которой сера почиталась обязательной составной частью (отцом) всех металлов. В дальнейшем она стала одним из трёх принципов алхимиков, а позднее «принцип горючести» явился основой теории флогистона. Элементарную природу серы установил Лавуазье в своих опытах по сжиганию. С введением пороха в Европе началось развитие добычи природной серы, а также разработка способа получения её из пиритов; последний был распространён в древней Руси. Впервые в литературе он описан у Агриколы. Таким образом, точно происхождение серы не установлено, но, как сказано выше, этот элемент использовался до Рождества Христова, а значит знаком людям с давних времён.
Сера встречается в природе в свободном (самородном) состоянии, поэтому она была известна человеку уже в глубокой древности. Сера привлекала внимание характерной окраской, голубым цветом пламени и специфическим запахом, возникающим при горении (запах сернистого газа). Считалось, что горящая сера отгоняет нечистую силу. В Библии говорится об использовании серы для очищения грешников. У человека средневековья запах «серы» ассоциировался с преисподней. Применение горящей серы для дезинфекции упоминается Гомером. В Древнем Риме с помощью сернистого газа отбеливали ткани.
Издавна использовалась сера в медицине — ее пламенем окуривали больных, ее включали в состав различных мазей для лечения кожных заболеваний. В 11 в. Авиценна (Ибн Сина), а затем и европейские алхимики полагали, что металлы, в том числе и серебро, состоят из находящихся в различных соотношениях серы и ртути. Поэтому сера играла важную роль в попытках алхимиков найти «философский камень» и превратить недрагоценные металлы в драгоценные. В 16 в. Парацельс считал серу наряду с ртутью и «солью» одним из основных «начал» природы, «душою» всех тел.
Практическое значение серы резко возросло после того, как изобрели черный порох (в состав которого обязательно входит сера). Византийцы в 673 г., защищая Константинополь, сожгли флот неприятеля с помощью так называемого греческого огня - смеси селитры, серы, смолы и других веществ — пламя которого не гасилось водой. В средние века в Европе применялся черный порох, по составу близкий к смеси греческого огня. С тех пор началось широкое использование серы для военных целей.
Издавна было известно и важнейшее соединение серы — серная кислота. Один из создателей ятрохимии, монах Василий Валентин, в 15 веке подробно описал получение серной кислоты путем прокаливания железного купороса (старинное название серной кислоты — купоросное масло).
Элементарную природу серы установил в 1789 А. Лавуазье. В названиях химических соединений, содержащих серу, часто содержится приставка «тио» (например, применяемый в фотографии реактив Na2S2O3 имеет название тиосульфат натрия). Происхождение этой приставки связано с греческим названием серы — theion.
Происхождение названия сера
Русское название серы восходит к праславянскому *sěra, которое связывают с лат. sērum «сыворотка».
Латинское sulphur (эллинизированное написание более старого sulpur) восходит к индоевропейскому корню *swelp- «гореть».
Происхождение серы
Большие скопления самородной серы встречаются не так уж часто. Чаще она присутствует в некоторых рудах. Руда самородной серы — это порода с вкраплениями чистой серы.
Когда образовались эти вкрапления — одновременно с сопутствующими породами или позже? От ответа на этот вопрос зависит направление поисковых и разведочных работ. Но, несмотря на тысячелетия общения с серой, человечество до сих пор не имеет однозначного ответа. Существует несколько теорий, авторы которых придерживаются противоположных взглядов.
Теория сингенеза (то есть одновременного образования серы и вмещающих пород) предполагает, что образование самородной серы происходило в мелководных бассейнах. Особые бактерии восстанавливали сульфаты, растворённые в воде, до сероводорода, который поднимался вверх, попадал в окислительную зону и здесь химическим путём или при участии других бактерий окислялся до элементарной серы. Сера осаждалась на дно, и впоследствии содержащий серу ил образовал руду.
Теория эпигенеза (вкрапления серы образовались позднее, чем основные породы) имеет несколько вариантов. Самый распространённый из них предполагает, что подземные воды, проникая сквозь толщи пород, обогащаются сульфатами. Если такие воды соприкасаются с месторождениями черного золота или Природного газа, то ионы сульфатов восстанавливаются углеводородами до сероводорода. Сероводород поднимается к поверхности и, окисляясь, выделяет чистую серу в пустотах и трещинах пород.
В последние десятилетия находит всё новые подтверждения одна из разновидностей теории эпигенеза — теория метасоматоза (в переводе с греческого «метасоматоз» означает замещение). Согласно ей в недрах постоянно происходит превращение гипса CaSO4-H2O и ангидрита CaSO4 в серу и кальцит СаСО3. Эта теория создана в 1935 году советскими учёными Л. М. Миропольским и Б. П. Кротовым. В её пользу говорит, в частности, такой факт.
В 1961 году в Ираке было открыто Мишрак. Сера здесь заключена в карбонатных породах, которые образуют свод, поддерживаемый уходящими вглубь опорами (в геологии их называют крыльями). Крылья эти состоят в основном из ангидрита и гипса. Такая же картина наблюдалась на отечественном месторождении Шор-Су.
Геологическое своеобразие этих месторождений можно объяснить только с позиций теории метасоматоза: первичные гипсы и ангидриты превратились во вторичные карбонатные руды с вкраплениями самородной серы. Важно не только соседство минералов — среднее содержание серы в руде этих месторождений равно содержанию химически связанной серы в ангидрите. А исследования изотопного состава серы и углерода в руде этих месторождений дали сторонникам теории метасоматоза дополнительные аргументы.
Но есть одно «но»: химизм процесса превращения гипса в серу и кальцит пока не ясен, и потому нет оснований считать теорию метасоматоза единственно правильной. На земле и сейчас существуют озёра (в частности, Серное озеро близ Серноводска), где происходит сингенетическое отложение серы и сероносный ил не содержит ни гипса, ни ангидрита.
Всё это означает, что разнообразие теорий и гипотез о происхождении самородной серы — результат не только и не столько неполноты наших знаний, сколько сложности явлений, происходящих в недрах . Ещё из элементарной школьной математики все мы знаем, что к одному результату могут привести разные пути. Этот распространяется и на геохимию.
Получение серы
серу получают главным образом выплавкой самородной серы непосредственно в местах её залегания под землёй. Серные руды добывают разными способами — в зависимости от условий залегания. Залежам серы почти всегда сопутствуют скопления ядовитых газов — соединений серы. К тому же нельзя забывать о возможности её самовозгорания.
Добыча руды открытым способом происходит так. Шагающие экскаваторы снимают пласты пород, под которыми залегает руда. Взрывами рудный пласт дробят, после чего глыбы руды отправляют на сероплавильный завод, где из концентрата извлекают серу.
В 1890 г. Герман Фраш, предложил плавить серу под землёй и через скважины, подобные нефтяным, выкачивать её на поверхность. Сравнительно невысокая (113°C) температура плавления серы подтверждала реальность идеи Фраша. В 1890 г. начались испытания, приведшие к успеху.
Известно несколько методов получения серы из серных руд: пароводяные, фильтрационные, термические, центрифугальные и экстракционные.
Также сера в больших количествах содержится в Природном газе в газообразном состоянии (в виде сероводорода, сернистого ангидрида). При добыче она откладывается на стенках труб и оборудования, выводя их из строя. Поэтому её улавливают из газа как можно быстрее после добычи. Полученная химически чистая мелкодисперсная сера является идеальным сырьём для химической и резиновой промышленности.
Крупнейшее месторождение самородной серы вулканического происхождения находится на острове Итуруп с запасами категории A+B+C1 - 4227 тыс. тонн и категории C2 - 895 тыс. тонн, что достаточно для строительства предприятия мощностью 200 тыс. тонн гранулированной серы в год.
Производители серы
Основными производителями серы в Российской Федерации являются предприятия ОАО Газпром: ООО Газпром добыча Астрахань и ООО Газпром добыча Оренбург, получающие её как побочный при очистке газа.
Свойства серы
1) Физические
сера существенно отличается от кислорода способностью образовывать устойчивые цепочки и циклы из атомов. Наиболее стабильны циклические молекулы S8, имеющие форму короны, образующие ромбическую и моноклинную серу. Это кристаллическая сера — хрупкое вещество жёлтого цвета. Кроме того, возможны молекулы с замкнутыми (S4, S6) цепями и открытыми цепями. Такой состав имеет пластическая сера, вещество коричневого цвета, которая получается при резком охлаждении расплава серы (пластическая сера уже через несколько часов становится хрупкой, приобретает жёлтый цвет и постепенно превращается в ромбическую). Формулу серы чаще всего записывают просто S, так как она, хотя и имеет молекулярную структуру, является смесью простых веществ с разными молекулами. В воде сера нерастворима, некоторые её модификации растворяются в органических растворителях, например сероуглероде, скипидаре. Плавление серы сопровождается заметным увеличением объёма (примерно 15 %). Расплавленная сера представляет собой жёлтую легкоподвижную жидкость, которая выше 160 °C превращается в очень вязкую тёмно-коричневую массу. Наибольшую вязкость расплав серы приобретает при температуре 190 °С; дальнейшее повышение температуры сопровождается уменьшением вязкости и выше 300 °C расплавленная сера снова становится подвижной. Это связано с тем, что при нагревании серы она постепенно полимеризуется, увеличивая длину цепочки с повышением температуры. При нагревании серы свыше 190 °С полимерные звенья начинают рушиться. Сера может служить простейшим примером электрета. При трении сера приобретает сильный отрицательный заряд.
Серу применяют для производства серной кислоты, вулканизации каучука, как фунгицид в сельском хозяйстве и как сера коллоидная — лекарственный препарат. Также сера в составе серобитумных композиций применяется для получения сероасфальта, а в качестве заместителя портландцемента — для получения серобетона.
2) Химические
Горение серы
На воздухе сера горит, образуя сернистый ангидрид — бесцветный газ с резким запахом:
С помощью спектрального анализа установлено, что на самом деле процесс окисления серы в двуокись представляет собой цепную реакцию и происходит с образованием ряда промежуточных продуктов: моноокиси серы S2O2, молекулярной серы S2, свободных атомов серы S и свободных радикалов моноокиси серы SO.
Помимо кислорода, сера реагирует со многими неметаллами, однако при комнатной температуре сера - только со фтором, проявляя восстановительные свойства:
Расплав серы реагирует с хлором, при этом возможно образование двух низших хлоридов:
2S + Cl2 = S2Cl2
При нагревании сера также реагирует с фосфором, образуя, видимо, смесь сульфидов фосфора, среди которых — высший сульфид P2S5:
Кроме того, при нагревании сера реагирует с водородом, углеродом, кремнием:
S + H2 = H2S (сероводород)
C + 2S = CS2 (сероуглерод)
При нагревании сера взаимодействует со многими металлами, часто — весьма бурно. Иногда смесь металла с серой загорается при поджигании. При этом взаимодействии образуются сульфиды:
2Al + 3S = Al2S3
Растворы сульфидов щелочных металлов реагируют с серой с образованием полисульфидов:
Na2S + S = Na2S2
Из сложных веществ следует отметить прежде всего реакцию серы с расплавленной щёлочью, в которой сера диспропорционирует аналогично хлору:
3S + 6KOH = K2SO3 + 2K2S + 3H2O
Полученный плав называется серной печенью.
С концентрированными кислотами-окислителями (HNO3, H2SO4) сера реагирует только при длительном нагревании, окисляясь:
S + 6HNO3(конц.) = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O
S + 2H2SO4(конц.) = 3SO2 + 2H2O
Сера (Sulfur) - это
Сера (Sulfur) - это
Пожароопасные свойства серы
Тонкоизмельченная сера склонна к химическому самовозгоранию в присутствии влаги, при контакте с окислителями, а также в смеси с углём, жирами, маслами. Сера образует взрывчатые смеси с нитратами, хлоратами и перхлоратами. Самовозгорается при контакте с хлорной известью.
Средства тушения: распылённая вода, воздушно-механическая пена.
По данным В. Маршалла пыль серы относится к разряду взрывоопасных, но для взрыва необходима достаточно высокая концентрация пыли — порядка 20 г/м3 (20000мг/м3), такая концентрация во много раз превышает предельно допустимую концентрацию для человека в воздухе рабочей зоны — 6 мг/м3.
Пары образуют с воздухом взрывчатую смесь.
Горение серы протекает только в расплавленном состоянии аналогично горению жидкостей. Верхний слой горящей серы кипит, создавая пары, которые образуют слабосветящееся пламя высотой до 5 см. Температура пламени при горении серы составляет 1820 °C.
Так как воздух по объёму состоит приблизительно из 21 % кислорода и 79 % азота и при горении серы из одного объёма кислорода получается один объём SO2, то максимальное теоретически возможное содержание SO2 в газовой смеси составляет 21 %. На практике горение происходит с некоторым избытком воздуха, и объёмное содержание SO2 в газовой смеси меньше теоретически возможного, составляя обычно 14…15 %.
Обнаружение горения серы пожарной автоматикой является трудной проблемой. Пламя сложно обнаружить человеческим глазом или видеокамерой, спектр голубого пламени лежит в основном в ультрафиолетовом диапазоне. Горение происходит при низкой температуре. Для обнаружения горения тепловым извещателем необходимо размещать его непосредственно близко к сере. Пламя серы не излучает в инфракрасном диапазоне. Таким образом оно не будет обнаружено распространёнными инфракрасными извещателями. Ими будут обнаруживаться лишь вторичные возгорания. Пламя серы не выделяет паров воды. Таким образом детекторы ультрафиолетовых извещателей пламени, использующие соединения никеля, не будут работать.
Для выполнения требований пожарной безопасности на складах серы необходимо:
Конструкции и технологическое оборудование должны регулярно очищаться от пыли;
Помещение склада должно постоянно проветриваться естественной вентиляцией при открытых дверях;
Дробление комков серы на решётке бункера должно производиться деревянными кувалдами или инструментом из неискрящего материала;
Конвейеры для подачи серы в производственные помещения должны быть снабжены металлоискателями;
В местах хранения и применения серы необходимо предусматривать устройства (бортики, пороги с пандусом и т. п.), обеспечивающие в аварийной ситуации предотвращение растекания расплава серы за пределы помещения или открытой площадки;
На складе серы запрещается:
Производство всех видов работ с применением открытого огня;
Складировать и хранить промасленную ветошь и тряпки;
При ремонте применять инструмент из искродающего материала.
Пожары на складах серы
В декабре 1995 года на открытом складе серы предприятия , расположенного в городе Сомерсет Вест Западной Капской провинции Южно-Африканской Республики произошёл крупный пожар, погибли два человека.
16 января 2006 г. около пяти вечера на череповецком предприятии «Аммофос» загорелся склад с серой. Общая площадь пожара — около 250-ти квадратных метров. Полностью ликвидировать его удалось лишь в начале второго ночи. Жертв и пострадавших нет.
15 марта 2007 рано утром на ООО «Балаковский завод волоконных материалов» произошёл пожар на закрытом складе серы. Площадь пожара составила 20 кв.м. На пожаре работало 4 пожарных расчёта с личным составом в 13 человек. Примерно через полчаса пожар был ликвидирован. Никто не пострадал.
4 и 9 марта 2008 года произошло возгорание серы в Атырауской области в хранилище серы ТШО на Тенгизском месторождении. В первом случае очаг возгорания удалось потушить быстро, во втором случае сера горела 4 часа. Объём горевших отходов нефтепереработки, к каковым по казахстанским законам отнесена сера, составил более 9 тысяч килограммов.
В апреле 2008 недалеко от посёлка Кряж Самарской области загорелся склад, на котором хранилось 70 тонн серы. Пожару была присвоена вторая категория сложности. К месту происшествия выехали 11 пожарных расчётов и спасатели. В тот момент, когда пожарные оказались около склада, горела ещё не вся сера, а только её небольшая часть — около 300 килограммов. Площадь возгорания вместе с участками сухой травы, прилегающими к складу, составила 80 квадратных метров. Пожарным удалось быстро сбить пламя и локализовать пожар: очаги возгорания были засыпаны землёй и залиты водой.
В июле 2009 в Днепродзержинске горела сера. Пожар произошёл на одном из коксохимических предприятий в Баглейском районе города. Огонь охватил более восьми тонн серы. Никто из сотрудников комбината не пострадал.
Нахождение в природе серы
С ера довольно широко распространена в природе. В земной коре ее содержание оценивается в 0,05% по массе. В природе часто встречаются значительные залежи самородной серы (обычно вблизи вулканов); в Европе они расположены на юге Италии, в Сицилии. Еще большие залежи самородной серы имеются в США (в штатах Луизиана и Техас), а также в Средней Азии, в Японии, в Мексике. В природе сера встречается как россыпями, так и в виде кристаллических пластов, иногда образуя изумительные по красоте группы полупрозрачных желтых кристаллов (так называемые друзы).
В вулканических местностях часто наблюдается выделение из-под земли газа сероводорода H2S; в этих же регионах сероводород встречается в растворенном виде в серных водах. Вулканические газы часто содержат также сернистый газ SO2.
На поверхности нашей планеты широко распространены месторождения различных сульфидных соединений. Наиболее часто среди них встречаются: железный колчедан (пирит) FeS2, медный колчедан (халькопирит) CuFeS2, свинцовый блеск PbS, киноварь HgS, сфалерит ZnS и его кристалическая модификация вюртцит, антимонит Sb2S3 и другие. Известны также многочисленные месторождения различных сульфатов, например, сульфата кальция (гипс CaSO4·2H2O и ангидрит CaSO4), сульфата магния MgSO4 (горькая соль), сульфата бария BaSO4 (барит), сульфата стронция SrSO4 (целестин), сульфата натрия Na2SO4·10H2O (мирабилит) и др.
Каменные угли содержат в среднем 1,0-1,5% серы. Сера может входить и в состав черного золота . Целый ряд месторождений природного горючего газа (например, Астраханское) содержат как примесь сероводород.
Сера относится к элементам, которые необходимы для живых организмов, так как она является существенной составной частью белков. Белки содержат 0,8-2,4% (по массе) химически связанной серы. Растения получают серу из сульфатов, содержащихся в почве. Неприятные запахи, возникающие при гниении трупов животных, объясняются главным образом выделением соединений серы (сероводорода: и меркаптанов), образующихся при разложении белков. В морской воде присутствует около 8,7·10-2 % серы.
Получение серы
С еру получают, в основном, выплавляя ее из горных пород, содержащих самородную (элементарную) серу. Так называемый геотехнологический способ позволяет получать серу без подъема руды на поверхность. Этот способ был предложен в конце 19 века американским химиком Г. Фрашем, перед которым встала задача извлечения на поверхность земли серы из месторождений юга США , где песчаный грунт резко усложнял ее добычу традиционным шахтным методом.
Фраш предложил использовать для подъема серы на поверхность перегретый водяной пар. Перегретый пар по трубе подают в подземный слой, содержащий серу. Сера плавится (ее температура плавления немного ниже 120°С) и по трубе, расположенной внутри той, по которой под землю закачивают водяной пар, поднимается наверх. Для того чтобы обеспечить подъем жидкой серы, через самую тонкую внутреннюю трубу нагнетают сжатый воздух.
По другому (термическому) методу, получившему особое распространение в начале 20 века на Сицилии, серу выплавляют, или возгоняют, из дробленной горной породы в специальных глиняных печах.
Существуют и другие методы выделения самородной серы из породы, например, экстракцией сероуглеродом или флотационными методами.
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
Аналогичный метод используют для получения элементарной серы и из сероводорода, сопутствующего природным газам.
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.
Применение серы
О коло половины производимой серы используется на производство серной кислоты, около 25% расходуется для получения сульфитов, 10-15% — для борьбы с вредителями сельскохозяйственных культур (главным образом винограда и хлопчатника) (наибольшее значение здесь имеет раствор медного купороса CuSO4·5H2O), около 10% используется резиновой промышленностью для вулканизации резины. Серу применяют при производстве красителей и пигментов, взрывчатых веществ (она до сих пор входит в состав пороха), искусственных волокон, люминофоров. Серу используют при производстве спичек, так как она входит в состав, из которого изготовляют головки спичек. Серу до сих пор содержат некоторые мази, которыми лечат заболевания кожи. Для придания сталям особых свойств в них вводят небольшие добавки серы (хотя, как правило, примесь серы в сталях нежелательна).
Биологическая роль серы
С ера постоянно присутствует во всех живых организмах, являясь важным биогенным элементом. Ее содержание в растениях составляет 0,3-1,2 %, в животных 0,5-2 % (морские организмы содержат больше серы, чем наземные). Биологическое значение серы определяется прежде всего тем, что она входит в состав аминокислот метионина и цистеина и, следовательно, в состав пептидов и белков. Дисульфидные связи -S-S- в полипетидных цепях участвуют в формировании пространственной структуры белков, а сульфгидрильные группы (-SH) играют важную роль в активных центрах ферментов. Кроме того, сера входит в молекулы гормонов, важных веществ. Много серы содержится в кератине волос, костях, нервной ткани. Неорганические соединения серы необходимы для минерального питания растений. Они служат субстратами окислительных реакций, осуществляемых распространенными в природе серобактериями.
В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 1402 г серы. Суточная потребность взрослого человека в сере — около 4.
Однако по своему отрицательному воздействию на окружающую среду и человека сера (точнее, ее соединения) стоит на одном из первых мест. Основной источник загрязнения серой — сжигание каменного угля и других видов топлива, содержащих серу. При этом около 96% серы, содержащейся в топливе, попадает в атмосферу в виде сернистого газа SO2.
В атмосфере сернистый газ постепенно окисляется до оксида серы (VI). Оба оксида — и оксид серы (IV), и оксид серы (VI) — взаимодействуют с парами воды с образованием кислотного раствора. Затем эти растворы выпадают в виде кислотных дождей. Оказавшись в почве, кислотные воды угнетают развитие почвенной фауны и растений. В результате создаются неблагоприятные условия для развития растительности, особенно в северных регионах, где к суровому климату добавляется химическое загрязнение. В результате гибнут леса, нарушается травяной покров, ухудшается состояние водоемов. Кислотные дожди разрушают изготовленные из мрамора и других материалов памятники, более того, они вызывают разрушение даже каменных зданий и предметов торговли из металлов. Поэтому приходится принимать разнообразные меры по предотвращению попадания соединений серы из топлива в атмосферу. Для этого подвергают очистке от соединений серы и нефтепродукты, очищают образующиеся при сжигании топлива газы.
Сама по себе сера в виде пыли раздражает слизистые оболочки, органы дыхания и может вызывать серьезные заболевания. ПДК серы в воздухе 0,07 мг/м3.
Многие соединения серы токсичны. Особенно следует отметить сероводород, вдыхание которого быстро вызывает притупление реакции на его неприятный запах и может привести к тяжелым отравлениям даже с летальным исходом. ПДК сероводорода в воздухе рабочих помещений 10 мг/м3, в атмосферном воздухе 0,008 мг/м3.
Источники
Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.:Зефиров Н. С. (гл. ред.). — Москва: Советская энциклопедия, 1995. — Т. 4. — С. 319. — 639 с. — 20 000 экз. — ISBN 5—85270—039—8
Большая медицинская энциклопедия
СЕРА - хим. элемент, символ S (лат. Sulfur), ат. н. 16, ат. м. 32,06. Существует в виде нескольких аллотропных модификаций; среди них сера моноклинной модификации (плотность 1960 кг/м3, tпл = 119°С) и ромбическая сера (плотность 2070 кг/м3, ίπι = 112,8… … Большая политехническая энциклопедия
СЕРА - (обозначается S), химический элемент VI группы ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ТАБЛИЦЫ, неметалл, известный с древности. Встречается в природе как в виде отдельного элемента, так и в виде сульфидных минералов, таких как ГАЛЕНИТ и ПИРИТ, и сульфатных минералов,… … Научно-технический энциклопедический словарь
сера - В мифологии ирландских кельтов Сера отец Парталона (см. глава 6). Согласно некоторым источникам, именно Сера, а не Парталон был мужем Дилгнейд. (
Горение серы представляет собой сложный процесс в связи с тем, что сера имеет молекулы с разным числом атомов в различных аллотропных состояниях и большой зависимостью ее физико-химических свойств от температуры. Механизм реакции и выход продуктов изменяется как от температуры, так и от давления кислорода.
| Пример зависимости точки росы от содержания С02 в продуктах горения. |
Горение серы в 80 з возможно по различным причинам. Твердо установленной теории этого процесса пока не имеется. Предполагается, что частично это происходит в самой топке при высокой температуре и при достаточном избытке воздуха. Исследования в этом направлении (рис. 66) показывают, что при малых избытках воздуха (порядка сст 1 05 и ниже) образование 80 з в газах резко снижается.
Горение серы в кислороде протекает при 280 С, а на воздухе - при 360 С.
Горение серы происходит во всем объеме печи. При этом газы получаются более концентрированными и переработка их осуществляется в аппаратах меньших габаритов, а очистка газов почти исключается. Двуокись серы, получаемая при сжигании серы, кроме производства серной кислоты, применяется в ряде отраслей промышленности для очистки погонов нефти как холодильный агент, в производстве сахара и др. SCb перевозится в стальных баллонах и цистернах в жидком состоянии. Ожижение SO2 производится сжатием предварительно осушенного и охлажденного газа.
Горение серы происходит во всем объеме печи и заканчивается в камерах, образованных перегородками 4, куда подается дополнительное количество воздуха. Из этих камер выводится горячий печной газ, содержащий сернистый ангидрид.
Горение серы очень легко налбюдать в механических печах. На верхних этажах печей, где в горящем материале много FeS2, все пламя окрашено в синий цвет - это характерное пламя горения серы.
Процесс горения серы описывается уравнением.
За горением серы наблюдают через смотровое стекло в стенке печи. Температуру расплавленной серы следует поддерживать в пределах 145 - 155 С. Если продолжать повышать температуру, вязкость серы постепенно увеличивается и при 190 С она превращается в густую темно-коричневую массу, что крайне затрудняет ее перекачивание и разбрызгивание.
При горении серы на один атом серы приходится одна молекула кислорода.
| Схема комбинированной контактно-башенной системы с использованием в качестве сырья для получения башенной кислоты природной. |
При горении серы в печи получают обжиговый сернистый газ с содержанием около 14 % S02 и температурой на выходе из печи около 1000 С. С этой температурой газ поступает в котел-утилизатор 7, где путем снижения его температуры до 450 С получают пар. В контактный аппарат 8 необходимо направлять сернистый газ с содержанием около 8 % SO2, поэтому после котла-утилизатора часть газа или весь обжиговый газ разбавляют до 8 % SO2 подогретым в теплообменнике 9 воздухом. В контактном аппарате окисляется 50 - 70 % сернистого ангидрида до серного ангидрида.
Чистая сера поступает по обогреваемому трубопроводу с эстакады в сборник. Источником поступления жидкой серы в отделение обжига могут являться как узел плавления и фильтрации комовой серы, так и узел слива и складирования жидкой серы из железнодорожных цистерн. Из сборника через промежуточный сборник вместимостью 32 м3 насосом по кольцевому серопроводу сера подается в котлопечной агрегат на сжигание в потоке осушенного воздуха.
При сгорании серы образуется диоксид серы по реакции:
S(жид.) + О2(газ.) = SО2(газ) + 362,4 кДж.
Данная реакция протекает с выделением тепла.
Процесс горения жидкой серы в атмосфере воздуха зависит от условий обжига (температуры, скорости газового потока), от физико-химических свойств (наличия в ней зольных и битумных примесей и др.) и состоит из отдельных последовательных стадий:
смешение капель жидкой серы с воздухом;
прогрев и испарение капель;
образование газовой фазы и воспламенение газовой серы;
горение паров в газовой фазе.
Перечисленные стадии неотделимы друг от друга и протекают одновременно и параллельно. Происходит процесс диффузионного горения серы с образованием диоксида серы, небольшое количество диоксида серы окисляется до триоксида. При сжигании серы с повышением температуры газа растет концентрация SО2, пропорционально температуре. При сжигании серы также образуются оксиды азота, загрязняющие продукционную кислоту и являющиеся загрязняющими вредными выхлопами. Количество образующихся оксидов азота зависит от режима сжигания серы, избытка воздуха и температуры ведения процесса. С ростом температуры количество образующихся оксидов азота повышается. С ростом коэффициента избытка воздуха количество образующихся оксидов азота возрастает, достигая максимума при коэффициенте избытка воздуха от 1,20 до 1,25, затем падает.
Процесс сжигания серы проводят при расчетной температуре не более 1200єС с избытком подачи воздуха в циклонные топки.
При сжигании жидкой серы образуется незначительное количество SO3. Суммарная объемная доля диоксида и триоксида серы в технологическом газе после котла составляет до 12,8%.
За счет поддува холодного осушенного воздуха в газоход перед контактным аппаратом производится доохлаждение и разбавление технологического газа до эксплуатационных норм (суммарная объемная доля диоксида и триоксида серы не более 11,0%, температура от 390 о С до 420 о С).
Жидкая сера подается на форсунки циклонных топок агрегата для сжигания двумя погружными насосами, один из которых резервный.
Осушенный в сушильной башне воздух нагнетателем (один - рабочий, один - резервный) подается в агрегат на сжигание серы и разбавление газа до эксплуатационных норм.
Сжигание жидкой серы в количестве от 5 до 15 м 3 /ч (от 9 до 27 т/ч) производится в 2-х циклонных топках, расположенных друг относительно друга под углом 110 град. и соединенных с котлом соединительной камерой.
На сжигание поступает жидкая фильтрованная сера с температурой от 135 о С до 145 о С. Каждая топка имеет по 4 форсунки для серы с паровой рубашкой и по одной пусковой газовой горелке.
Регулирование температуры газа на выходе из энерготехнологического котла производится дроссельной заслонкой на горячем байпасе, которая пропускает газ из камеры догорания циклонных топок, а также холодным байпасом, перепускающим часть воздуха мимо котлопечного агрегата в газоход после котла.
Энерготехнологический агрегат водотрубный с естественной циркуляцией, одноходовой по газу предназначен для охлаждения сернистых газов при сжигании жидкой серы и выработки перегретого пара с температурой от 420 о С до 440°С при давлении от 3,5 до 3,9 МПа.
Энерготехнологический агрегат состоит из следующих основных узлов: барабана с внутрибарабанным устройством, испарительного устройства с конвективным пучком, трубчатого охлаждаемого каркаса, топки, состоящей из двух циклонов и переходной камеры, портала, каркаса под барабан. Пароперегреватель 1-ой ступени и экономайзер 1-ой ступени объединены в один выносной блок, пароперегреватель 2-ой ступени, и экономайзер 2-ой ступени размещены в отдельных выносных блоках.
Температура газа после топок перед испарительным блоком повышается до 1170 о С. В испарительной части котла происходит охлаждение технологического газа от 450 о С до 480 о С, после холодного байпаса температура газа снижается от 390 о С до 420 о С. Охлажденный технологический газ, направляется на последующую стадию производства серной кислоты - окисление диоксида серы до триоксида серы в контактном аппарате.
