Контактный процесс является текущим способом производства серной кислоты в высоких концентрациях , необходимых для промышленных процессов. Платина изначально использовалась в качестве катализатора этой реакции; однако, поскольку он подвержен реакции с примесями мышьяка в серном сырье, в настоящее время предпочтительным является оксид ванадия (V) (V 2 O 5 ). [1]
История
Этот процесс был запатентован в 1831 году британским торговцем уксусом Перегрин Филлипс. [2] [3] [4] В дополнение к тому, что процесс производства концентрированной серной кислоты является гораздо более экономичным по сравнению с предыдущим камерным процессом , контактный процесс также производит триоксид серы и олеум .
В 1901 году Эжен де Хаен запатентовал процесс с использованием оксидов ванадия . [5] Этот процесс был заменен процессом, изобретенным двумя химиками из BASF в 1914 году. [6] [7] [8]
Процесс
Процесс можно разделить на шесть этапов:
- Объединение серы и кислорода (O 2 ) с образованием диоксида серы
- Очистка диоксида серы на установке очистки
- Добавление избытка кислорода к диоксиду серы в присутствии катализатора пятиокиси ванадия при 450 ° С и 1-2 атм.
- Образовавшийся триоксид серы добавляют к серной кислоте, которая дает олеум (дисерную кислоту).
- Затем олеум добавляют к воде, чтобы получить очень концентрированную серную кислоту.
- Поскольку этот процесс является экзотермической реакцией, температура должна быть как можно более низкой.
Очистка воздуха и диоксида серы (SO 2 ) необходима для предотвращения отравления катализатора (т. Е. Устранения каталитической активности). Затем газ промывают водой и сушат серной кислотой.
Для экономии энергии смесь нагревается выхлопными газами каталитического нейтрализатора с помощью теплообменников.
Затем диоксид серы и дикислород реагируют следующим образом:
- 2 SO 2 (г) + O 2 (г) 2 SO 3 (г) : Δ H = -197 кДж · моль -1
Согласно принципу Ле-Шателье , следует использовать более низкую температуру, чтобы сдвинуть химическое равновесие вправо, тем самым увеличивая процентный выход. Однако слишком низкая температура снизит скорость образования до неэкономичного уровня. Следовательно, для увеличения скорости реакции используются высокие температуры (450 ° C), среднее давление (1-2 атм ) и оксид ванадия (V) (V 2 O 5 ), чтобы гарантировать адекватную (> 95%) конверсию. Катализатор служит только для увеличения скорости реакции, поскольку он не меняет положения термодинамического равновесия . Механизм действия катализатора состоит из двух этапов:
- Окисление SO 2 в SO 3 с помощью V 5+ :
- 2SO 2 + 4V 5+ + 2O 2- → 2SO 3 + 4V 4+
- Окисление V 4+ обратно в V 5+ кислородом (регенерация катализатора):
- 4V 4+ + O 2 → 4V 5+ + 2O 2−
Горячий триоксид серы проходит через теплообменник и растворяется в концентрированной H 2 SO 4 в абсорбционной башне с образованием олеума :
- H 2 SO 4 (л) + SO 3 (г) → H 2 S 2 O 7 (л)
Обратите внимание, что прямое растворение SO 3 в воде нецелесообразно из-за сильно экзотермического характера реакции. Вместо жидкости образуются кислые пары или туман.
Олеум реагирует с водой с образованием концентрированной H 2 SO 4 .
- H 2 S 2 O 7 (л) + H 2 O (л) → 2 H 2 SO 4 (л)
Блок очистки
Сюда входят пылеуловитель, охлаждающие трубы, скрубберы, сушильная башня, очиститель мышьяка и испытательная камера. Диоксид серы содержит множество примесей, таких как пары, частицы пыли и оксид мышьяка. Следовательно, его необходимо очищать, чтобы избежать отравления катализатора (т. Е. Разрушения каталитической активности и потери эффективности). В этом процессе газ промывается водой и осушается серной кислотой. В пылеулавливающей башне диоксид серы подвергается воздействию пара, который удаляет частицы пыли. После охлаждения газа диоксид серы поступает в промывочную башню, где его распыляют водой для удаления всех растворимых примесей. В сушильной башне газ распыляется серной кислотой для удаления из него влаги. Наконец, оксид мышьяка удаляется, когда газ подвергается воздействию гидроксида трехвалентного железа.
Двойной контакт с двойным поглощением
Следующим шагом к контактному процессу является двойное контактное двойное поглощение (DCDA). В этом процессе газообразные продукты (SO 2 ) и (SO 3 ) дважды пропускаются через абсорбционные башни для достижения дальнейшей абсорбции и превращения SO 2 в SO 3 и получения серной кислоты более высокого качества.
Газы, обогащенные SO 2, поступают в каталитический конвертер, обычно в колонну с несколькими слоями катализатора, и превращаются в SO 3 , достигая первой стадии конверсии. Газы, выходящие из этой стадии, содержат как SO 2, так и SO 3, которые проходят через промежуточные абсорбционные башни, где серная кислота стекает через насадочные колонны, а SO 3 реагирует с водой, повышая концентрацию серной кислоты. Хотя SO 2 тоже проходит через башню, он не вступает в реакцию и выходит из абсорбционной башни.
Этот поток газа, содержащего SO 2 , после необходимого охлаждения проходит через колонну со слоем каталитического нейтрализатора, снова достигая 99,8% конверсии SO 2 в SO 3, и газы снова проходят через колонну окончательной абсорбции, что приводит не только к высокой конверсии. эффективность для SO 2, но также позволяет производить более высокую концентрацию серной кислоты.
Промышленное производство серной кислоты включает в себя надлежащий контроль температуры и расхода газов, поскольку от них зависят как эффективность преобразования, так и абсорбция.
Смотрите также
Заметки
- ^ «История» . Ravensdown. Архивировано из оригинального 23 мая 2010 года . Проверено 1 марта 2010 года .
- ^ Макдональд, Дональд; Хант, Лесли Б. (январь 1982 г.). История платины и родственных ей металлов . ISBN 9780905118833.
- ^ Великобритания 6093 , Перегрин Филлипс младший, «Производство серной кислоты», выданные 1831
- ^ Андерсон, Джон Р .; Будар, Мишель (2012-12-06). Катализ: наука и технологии . ISBN 9783642932786.
- ^ США 687834 , Карл Иоганн Eugen де Хаен, «Способ изготовления Серная Anhydrid», выданном 1921-05-8
- ^ США 1371004 , Franz Slama & Hans Wolf, "Окисление Dioxid серы и катализатора для них", выданном 1921-05-8, назначается Генеральной Chemical Company
- ^ Андерсон, Джон Р .; Будар, Мишель (2012-12-06). Катализ: наука и технологии . ISBN 9783642932786.
- ^ Промышленная химия . 1991. ISBN. 9788187224990.
Рекомендации
- Репертуар патентных изобретений , № 72 (апрель 1831 г.), стр. 248 .
- (Anon.) (1832) «Английские патенты: Спецификация патента, выданного Перегрину Филлипсу младшему из Бристоля, в графстве Сомерсетшир, производитель уксуса, на усовершенствование производства серной кислоты. Датировано 21 марта 1831 года». Журнал Института Франклина , новая серия, т. 9, страницы 180-182.
- Эрнест Кук (20 марта 1926 г.) «Перегрин Филлипс, изобретатель контактного процесса для серной кислоты», Nature , 117 (2942): 419–421.
- Выпад, Теоретический и практический трактат по производству серной кислоты и щелочей, с сопутствующими ответвлениями , 3-е изд., Том. 1, часть 2 (Лондон, Англия: Герни и Джексон, 1903 г.), стр. 975
Внешние ссылки
- Джим Кларк (2002). «Контактный процесс» . Chemguide .
- «Контактный процесс» . Городской коллегиальный . 2009 г.
- «Поглощающая башня» . Горная энциклопедия .