1. Технології виробництва неорганічних кислот

Серед різноманітної продукції хімічної промисловості неорганічні кислоти займають провідне місце як за тонажністю, так і щодо застосування в різних галузях виробництва.

Кислоти — це складні речовини, які у водних розчинах дисоціюють (розпадаються) на позитивно заряджені іони водню й аніони кислотного залишку. Специфічні властивості кислот обумовлені саме наявністю в їхніх водних розчинах катіонів водню. Неорганічних кислот відомо кілька десятків, з яких найбільше широко застосовуються сульфатна (сірчана) кислота (H₂SO₄), нітратна (азотна) кислота (ΗΝO₃) і хлоридна (соляна) кислота (HCl).

1.1. Технологія виробництва сульфатної (сірчаної) кислоти контактним способом

Безводна сульфатна кислота являє собою важку маслянисту рідину (щільність при 20 °С 1830 кг/м³, температура кипіння при атмосферному тиску 296,2 °С, температура кристалізації— 10,5 °С). Сульфатна кислота змішується з водою в будь-яких співвідношеннях зі значним виділенням тепла, у ній дуже добре розчиняється сульфатний ангідрид SО₃. Розчин SО₃ у 100 % сульфатній кислоті називається олеумом.

Висока активність і невисока вартість сульфатної кислоти обумовлюють значні масштаби її виробництва і різноманітне використання практично в усіх галузях народного господарства. Сульфатна кислота використовується для виробництва добрив, неорганічних і органічних кислот, солей, для одержання штучних і синтетичних волокон, вибухових речовин, отрутохімікатів, барвників, лаків, деяких лікарських речовин, при переробці харчових продуктів і т. д.

Виробляється сульфатна кислота двома способами: контактним і нітрозним (баштовим). Контактним способом одержують близько 90 % від загального обсягу виробництва кислоти, оскільки цей спосіб забезпечує більш високу концентрацію і чистоту продукту.

Як сировину для виробництва сульфатної кислоти використовують самородну сірку і сірчаний колчедан (FeS₂), окрім цього, широко використовують промислові відходи, що містять сірку.

Виробництво сірчаної кислоти контактним способом включає чотири стадії:

• отримання діоксиду сірки (SО₂);

• очищення SО₂ від домішок;

• одержання триоксиду сірки (SО₃);

• абсорбція триоксиду сірки.

Якщо як сировину для одержання кислоти використовують сірчаний колчедан FeS₂, то хімізм першої стадії описується таким рівнянням:

4FeS₂+ 11О₂ → 2Fe₂О₃+ 8SО₂ + Q.

Для прискорення цієї реакції, а, отже, і для інтенсифікації всього процесу вихідну руду тонко подрібнюють, а процес проводять при надлишку повітря або з повітрям, збагаченим киснем.

Випал здійснюють у печах механічних полочних, печах пилоподібного випалу або в печах у зваженому (киплячому) шарі колчедану. Саме останні печі відрізняються найбільшою ефективністю. Після випалу утворюється недогарок і пічні гази. Недогарок містить до 50 % заліза і може в подальшому використовуватися при виробництві чавуну. На виробництво кислоти йдуть грубні гази.

Грубні гази містять багато пилу, для уловлювання якого на другій стадії одержання кислоти застосовують циклони і електрофільтри. У циклонах пил осідає під впливом відцентрових сил, у електрофільтрах осадження пилу засновано на утворенні зарядів на часточках пилу, після чого вони притягуються до протилежно заряджених пластин фільтру. В електрофільтрах газ очищається до залишкового вмісту пилу приблизно 0,2 г/м³ і містить, крім залишків пилу, газоподібні домішки сполук миш'яку і селену, що здатні "отруювати" каталізатор, який використовується на третій стадії одержання кислоти. Тому проводиться подальше додаткове очищення грубного газу за допомогою системи промивних веж, додаткових електрофільтрів і сушильних веж.

Третя стадія виробництва сірчаної кислоти є основною. Сухий очищений грубний газ надходять на контактне окиснення S0₂ до

SО₃, що відбувається за оборотною екзотермічною реакцією, що протікає зі зменшенням обсягу газу

2SО₂ + О₂ = 2SО₃ + Q

Виходячи з принципу Ле-Шательє, рівновага даної реакції зміщується у бік утворення SО₃ при зниженні температури і збільшенні тиску газового середовища. Однак, оскільки у випалювальному газі концентрації сірчистого газу і кисню невеликі, збільшення тиску в сірчанокислотному виробництві недоцільне, і основним регулятором рівноваги реакції окислювання сірчистого газу є температура.

Однак, навіть при високих температурах швидкість окислювання SО₂ у SО₃ мала, тому для прискорення процесу необхідно використовувати каталізатор.

На сірчанокислотних заводах як каталізатор використовують, головним чином, ванадієві контактні маси із вмістом V₂О₅ приблизно 7 %, інше — носій, у якості якого застосовують високопористі алюмосилікати, оксиди лужних металів.

Для досягнення максимальної швидкості окиснення SО₂ у SО₃ процес варто починати при температурі 600 °С і закінчувати при 400 °С. Конструкції сучасних полочних контактних апаратів забезпечують ці умови.

Схема одержання сульфатної (сірчаної) кислоти контактним способом наведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема виробництва сірчаної кислоти контактним способом:

1, 2 — промивні вежі (порожниста і з насадкою); З — електрофільтр; 4 — вежа з насадкою; 5— турбокомпресор; 6— теплообмінник; 7— контактний апарат, 8— холодильник; 9 — вежа для абсорбера; 10 — вежа для зрошення; 11 — кислотний холодильник; 12— збірник; 13— відцентровий насос

Контактне відділення (рис. 1) включає трубчастий теплообмінник 6 і контактний апарат 7. Сухий і холодний очищений газ подається турбокомпресором 5 у міжтрубний простір теплообмінника 6 для попереднього нагрівання. Підігрітий газ, проходячи між трубками теплообмінників, що розташовані у контактному апараті між полками з контактною масою, нагрівається до 450 °С і надходить на верхній шар каталізатора, де 70...75 % первісного SО₂ окислюється до SО₃. За рахунок тепла, що виділяється внаслідок реакції, температура газу підвищується до 590...600 °С. Потім газ направляється у внутрішній теплообмінник, де охолоджується до 450...490 °С. Охолоджена суміш SО₂ + SО₃ подається через другий шар каталізатора, на якому продовжується подальше окиснення SО₂ у SО₃, упритул до перетворення 97—98 % SО₂ у SО₃. Окислений газ, що має при виході з контактного апарата температуру 400—430 °С, надходить у теплообмінник 6, де охолоджується до 200 °С, а потім у холодильник 8, де його температура знижуються до 60—80 °С.

Охолоджений окислений газ у четвертій стадії процесу виробництва сульфатної кислоти направляється в абсорбційне (поглинальне) відділення цеху. Поглинання газу водою описується рівнянням:

SО₃ + Н₂О → H₂SО₄ + Q

Однак, поглинати SО₃ чистою водою недоцільно, оскільки за рахунок тепла, що виділяється при реакції, вода перетворюється на пару, утворюючи в подальшому дрібні крапельки кислоти — туман, уловити який у подальшому дуже важко. Тому SО₃ поглинають концентрованою сульфатною кислотою за дві стадії.

Промисловість випускає технічну, акумуляторну і реактивну сульфатну кислоти. Ці види кислот відрізняються за призначенням та за вмістом основного компоненту і домішок.