Производство серной кислоты

Сильную нелетучую серную кислоту можно назвать главным продуктом многотоинажиого неорганического синтеза. Она производится в огромных количествах (около 160 млн т в год) и применяется в производстве удобрений (суперфосфата, в первую очередь), металлов, бумаги и многих реактивов, при очистке нефти, используется в кислотных (автомобильных) аккумуляторах. Сырьем для ее производства служат сера, сульфидные руды (например, пирит FeS₂), ангидрит или гипс (CaSO^). Сырье обжигается (CaSO^ в присутствии углерода), в результате чего образуется диоксид серы S0₂:

Эффективная реализация гетерогенной реакции твердое вещество — газ достигается применением вращающихся печей или печей с «кипящим слоем». Принцип кипящего слоя — один из важных принципов организации химико-технологических процессов. Он заключается в том, что газы, принимающие участие в реакции, продуваются снизу вверх через отверстия внизу аппарата, а находящиеся внутри него твердые вещества при этом находятся во взвешенном состоянии — как бы «кипят». Гетерогенная реакция протекает в самом кипящем слое, где обеспечивается хороший контакт между фазами.

Далее следует окисление диоксида серы кислородом воздуха:

Эта реакция термодинамически достаточно выгодна, но при технологически приемлемых температурах (около 450°С) она идет медленно, поэтому требуется применение катализатора. Последняя же стадия растворения серного ангидрида.

не только выгодна термодинамически, но и протекает с достаточной скоростью. По типу катализаторов окисления диоксида серы и методике их применения различают два способа производства серной кислоты: контактный и камерный.

При контактном способе очищенный и осушенный диоксид серы в смеси с воздухом пропускают в контактной печи при температуре около 450 °C над катализатором (оксиды ванадия, металлическая платина). Образующийся триоксид серы пропускают в концентрированную серную кислоту.

Как очевидно из рис. 38.2, при этом способе реализуются такие важные принципы химической технологии, как непрерывный процесс и использование противотока.

При камерном способе в качестве катализаторов применяются газообразные оксиды азота NO и N0₂. В футерованной свинцом камере осуществляется довольно сложное взаимодействие между диоксидом серы, оксидами азота, кислородом и водой:

Этот процесс начинается с очень быстрой гомогенной реакции окисления оксида азота (П) до оксида азота (1У), затем эти два оксида при взаимо;

Рис. 38.2. Контактный способ производства серной кислоты:

1 — катализатор; 2 — нагретая газовая смесь; 3 — контактная печь; 4 — теплообменник действии с диоксидом серы, кислородом и водой дают промежуточное соединение — нитрозилсерную кислоту NOHSO^. Ее можно рассматривать как производное серной кислоты, в котором один ион водорода замещен катионом нитрозония NO⁺ (см. параграф 23.3). Последняя стадия — реакция нитрозилсерной кислоты с водяным паром дает целевой продукт — серную кислоту и регенерирует оксиды азота, которые таким образом выступают в суммарном процессе в качестве катализатора: