Физико-химические основы производства серной кислоты контактным способом. Основные стадии процесса.

Контактным способом производится большое количество сортов H₂SO₄, в том числе олеум, содержащий 20% свободного SO₃, купоросное масло (92,5% H₂SO₄ и 7,5% H₂O), аккумуляторная кислота, примерно такой же концентрации как купоросное масло, но более чистая.

Контактный способ производства серной кислоты включает четыре стадии:

1)производство сернистого газа

2) очистку сернистого газа от примесей

3) контактное окисление SO₂ в SO₃

4) абсорбция серного ангидрида серной кислотой.

1) производство сернистого газа.

Сырьём для производства сернистого газа могут служить различные вещества, содержащие серу: элементарная сера, серный колчедан, SO2, содержащий в отходящих газах цветной металлургии, Н2S, получаемый на НПЗ и ГПЗ.

Обжиг серного колчедана (пирита) в воздушном потоке производится в течение нескольких секунд в печах различной концентрации при атмосферном давлении по суммарному уравнению:

4FeS₂+11O₂=2Fe₂O₃+8SO₂+Q

Cжигание серы происходит проще и легче, чем обжиг колчедана, по реакции:

S_тв+O₂=SO₂+Q

Сера перед горением плавится, испаряется и сгорает в паровой фазе. Процесс сгорания – гомогенный. Для сжигания серы применяют форсуночные и циклонные печи. В форсуночной печи перемешивание серы и воздухом недостаточно, процесс тормозится диффузией и проходит экстенсивно. В циклонной печи благодаря тангенциальному подводу воздуха происходит исключительно сильное перемешивание паров серы с воздухом и интенсивность сгорания увеличивается.

Сероводород сгорает так же с образованием воды и SO2:

H₂S+1,5O₂=SO₂+H₂O

Сегодня 90% серы получают процессом Клауса из сероводорода НПЗ и ГПЗ, а SO₂ поступает, в основном, с заводов цветной металлургии.

2) Очистка сернистого газа от примесей.

Очистка газов от пыли, уносимой потоком газа из печей, необходима для того, чтобы пыль не засоряла последующую аппаратуру и не загрязняла кислоту. Очистка проводится в циклонах и электрофильтрах. По нормам технологического режима содержание пыли в газе не должно превышать 1000 мг/м³

3. Контактное окисление SO₂ в SO₃

Главной стадией всего процесса получения серной кислоты является контактное окисление SO₂ в SO₃. При изменении внешних условий химическое равновесие смешается в сторону той реакции, которая ослабляет внешнее воздействие, то равновесие обратимой реакции:

2SO₂ + O₂ = 2SO₃ + Q.

Равновесие сдвигается в сторону образования SO₃ при понижении температуры и повышении давления. Повышение давления естественно увеличивает и скорость реакции. Однако повышенное давление в этом процессе применять нерационально, т.к. кроме реагирующих газов пришлось бы сжимать балластный азот, составляющий обычно 80% всей смеси.

Открыты сотни веществ, ускоряющих реакцию окисления SO2, но были применены в производстве лишь 3 катализатора: металлическая платина, оксиды железа, пятиоксид ванадия.

Без катализатора реакция проходит очень медленно вследствие малой вероятности столкновения трёх молекул и очень большой энергии активации. В большинстве случаях применяется ванадиевый катализатор.

Процесс катализа слагается из следующих стадий:

1) Диффузия реагирующих компонентов из ядра газового потока к гранулам, а затем в порах контактной массы.

2) Сорбция кислорода катализатором.

3) Сорбция молекул SO₂ с образованием комплекса SO₂*O*катализатор.

4)Перегруппировка электронов с образованием комплекса SO₃*катализатор.

5) Десорбция SO₃.

6) Диффузия SO₃ из пор контактной массы и от поверхности зерен.

Рост температуры увеличивает равновесную концентрацию, поэтому в начале процесса увеличивается, а при приближении фактического выхода к равновесному сильнее сказывается влияние падения равновесной концентрации SO₃ и скорость с дальнейшем ростом температуры начинает снижаться. Таким образом, в контактных аппаратах для достижения максимальной скорости процесс следует начинать при возможно более высоких температурах (около 600^оС), и заканчивать при 400^оС.

3. Абсорбция серного ангидрида.

SO₃ предварительно подвергается осущке перед контактным аппаратом и абсорбируется серой кислотой. Серный ангидрид растворяется в серной кислоте, а затем соединяется с водой по реакции:

nSO₃+H₂O=H₂SO₄+(n-1)SO₃+Q

Абсорбцию ведут концентрированными кислотами (98%). В зависимости от количества соотношения воды и сернистого ангидрида получается серная кислота различной концентрации. При п>1 образуется олеум; при п=1 – моногидрид (100% серная кислота); при n<1 – водный раствор серной кислоты.

Вопрос № 24