2. Производство серной кислоты

Серная кислота — один из важнейших продуктов химической промышленности. Она применяется в производстве многих неорганических веществ и минеральных удобрений, в органическом синтезе и в металлургии.

 

Рассмотрим контактный способ получения серной кислоты.

В качестве сырья используются разные серосодержащие природные соединения: пирит (серный колчедан), сульфиды металлов, самородная сера, сероводород.

1. На первой стадии из сырья получают сернистый газ:

 

 

 

 

Рассмотрим более подробно реакцию окисления пирита. Эта реакция гетерогенная, необратимая, экзотермическая. Для ускорения такой реакции нужно увеличивать поверхность соприкосновения и концентрации реагирующих веществ, а также повышать температуру.

 

Перед использованием пирит измельчают и очищают от пустой породы. Оптимальная температура обжига — \(800\) \(°C\) — обеспечивается теплотой реакции. Лишнее тепло отводится, так как при более высокой температуре частицы пирита могут спекаться.

 

2. Вторая стадия — окисление сернистого газа:

 

 

Это обратимая, каталитическая, экзотермическая реакция, протекающая с уменьшением объёма газов.

 

В качестве катализатора используется твёрдый оксид ванадия(\(V\)), т. е. это гетерогенный катализ. Оптимальная (не очень высокая) температура \(420\)–\(550\) \(°C\) выбрана, чтобы обеспечить достаточно высокую скорость реакции и не сдвинуть равновесие влево, т. е. не уменьшить выход продукта. Реакцию проводят при повышенном давлении, что способствует ускорению процесса и сдвигу равновесия в сторону продукта реакции.

 

3. Третья стадия — взаимодействие серного ангидрида, т. е. оксида серы(\(VI\)) с водой:

 

 

Это необратимая, некаталитическая, экзотермическая реакция.

 

Для поглощения оксида используют не воду, а концентрированную серную кислоту. Процесс гетерогенный.

1. Обжиг пирита (серного колчедана).

 

 

Измельчённый пирит подаётся в печь сверху. Снизу под давлением поступает воздух. Его скорость такова, что частицы пирита оказываются во взвешенном состоянии, и реакция протекает быстро.

 

Выделяющееся в ходе реакции тепло отводится с помощью воды, циркулирующей по трубам, расположенным в нижней части печи. Образовавшийся газ подаётся в следующий аппарат, а огарок, состоящий в основном из оксида железа(\(III\)), выводится снизу и перерабатывается на смежном производстве.

 

2. Очистка и осушка печного газа.

 

 

 

Следующий этап — очистка и осушка газа, образовавшегося в печи для обжига. В циклоне из печного газа удаляются крупные частицы, а в электрофильтре — мелкие. Затем газ подаётся снизу в сушильную башню, в которую сверху противотоком поступает концентрированная серная кислота. Башня заполнена керамическими кольцами. Кислота растекается по их поверхности и поглощает всю воду из газа. Из сушильной башни выходят очищенный сухой газ и кислота меньшей концентрации.

 

3. Окисление сернистого газа.

  

 

Очищенный газ (смесь сернистого газа и воздуха) попадает в теплообменник, где подогревается до необходимой температуры, а затем поступает в контактный аппарат и проходит сквозь слои катализатора. Сернистый газ окисляется на катализаторе до серного ангидрида. Нагретая за счёт экзотермической реакции газовая смесь поступает опять в теплообменник, где охлаждается.

 

4. Поглощение серного ангидрида.

  

 

Рис. \(4\). Поглотительная башня

  

Поглотительная башня по своему устройству похожа на сушильную башню. Она тоже заполнена керамической насадкой, а вещества в ней движутся противотоком. Охлаждённый газ, содержащий серный ангидрид, поступает в поглотительную башню снизу. Сверху в башню подаётся концентрированная серная кислота, содержащая несколько процентов воды. Ангидрид реагирует с водой. Образуется \(100 \%\)-ная серная кислота, в которой растворяется часть ангидрида. Получается олеум (раствор оксида серы(\(VI\)) в серной кислоте).