Производство серной кислоты

Исходное сырье:

1. самородная сера;

2. газовая сера;

3. железный (серный) колчедан – FeS₂ ;

4. отходящие газы цветной металлургии;

5. газы переработки сульфатов металлов.

Остановимся на некоторых аспектах процесса обжига пирита:

Основная реакция:

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ ; ΔH = - 3415 кДж

Она протекает необратимо, сильно экзотермическая и состоит из трех стадий:

1. FeS₂ = FeS + S ; ΔH > 0;

2. 4FeS + O₂ = 2Fe₂O₃ + 4SO₂ ; ΔH < 0;

3. S + O₂ = SO₂ ; ΔH < 0;

Побочные реакции при обжиге пирита:

1. 2FeS₂ + 7O₂ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂

2. FeS₂ + 3O₂ = FeSO₄ + SO₂

3. SO₂ + O₂ = SO₃ и т.п.

Процесс обжига колчедана – сложный, практически необратимый, экзотермический, гетерогенный, некаталитический.

а) Температура процесса.

Процесс проводится при – 800 – 900⁰С. Такая температура обусловлена тем, что при температурах ниже 600⁰С будет преобладать образование сульфатов железа по побочным реакциям и возможно образование SO₃, что на данной стадии процесса нежелательно. При температурах больше 900⁰С появляется жидкая фаза из-за образования в системе легкоплавких эвтектик.

б) Соотношение реагентов.

Процесс проводится с избытком кислорода (воздуха) избыток кислорода для увеличения скорости гетерогенного химического процесса.

в) закалка обжигового газа.

Проводится в котле-утилизаторе, для предотвращения дальнейшего окисления диоксида серы в триоксид.

Для необходимости организации автотермического процесса на стадии окисления SO₂ в SO₃ получают обжиговый газ с концентрацией SO₂ примерно 7 %, O₂ – 11 %.

окисление SO₂ в SO₃:

SO₂ +1/2 O₂ ↔SO₃ ΔH < 0;

Процесс простой, обратимый, экзотермический. Необходимо отметить высокое значение энергии активации данной реакции (Е_акт. =280 кДж/моль) при проведении процесса в гомогенной фазе, что приводит к маленькой скорости окисления диоксида при сравнительно невысоких температурах (400⁰С).

Повышение же температуры процесса неблагоприятно сказывается на достигаемом выходе продукта.

Таким образом, как в случае всех обратимых экзотермических реакциях, имеет место «противоречие» между термодинамикой и кинетикой.

Для разрешения данного противоречия необходимо понизить энергию активации реакции, применяя катализатор. В настоящее время используют катализаторы на основе V₂O₅, хотя в качестве катализаторов возможно применение платины и оксидов железа. Интервал работы большинства ванадиевых катализаторов 420 – 600⁰С. Температура зажигания ванадиевых катализаторов – 420 – 440⁰С.

Вторым условием оптимального осуществления обратимого экзотермического процесса является его проведение по ЛОТ (линии оптимальных температур).

Итак – первое – катализатор,

второе - проведение процесса по ЛОТ,

третье – наличие избытка кислорода (для смещения равновесия и увеличения скорости процесса)

четвертое – вывод продукта реакции (SO₃) из зоны реакции.

абсорбция SO₃:

SO₃ + Н₂О↔Н₂SO₄ ΔH < 0;

Реакция обратимая, экзотермическая.

Основная масса серной кислоты производится с концентрацией 92,5 --93 % (темп. замерзания = - 22 ⁰С для 92,5 % кислоты).

Все современные схемы производства серной кислоты работают по методу ДК-ДА (двойное контактирование – двойная абсорбция), основанном на том, что после 3- его слоя катализатора газ выводится из контактного аппарата и после соответствующего охлаждения поступает на промежуточную абсорбцию SO₃ , после чего снова возвращается в контактный аппарат (на 4-ый катализаторный слой).

Это позволяет благоприятно сместить равновесие процесса окисления, что приводит к увеличению выхода SO₃. Кроме того повышается интенсивность процесса на 4-ом и 5-ом слоях катализатора. В этих условиях конверсия SO₂ в SO₃ достигает 99,8 % .