Контактный метод получения серной кислоты.
Рассмотрим процесс получения серной кислоты контактным методом из серного (железного) колчедана. Первой стадией процесса является окисление серного колчедана с получением обжигового газа, содержащего диоксид серы.
Обжиг колчедана (пирита) является сложным физико-химическим процессом и включает в себя ряд последовательно или одновременно протекающих реакций:
Термическая диссоциация 2FeS2= 2FeS+S2
Парофазное горение серы S2+ 2О2= 2SО2
Горение пирротина 4FeS+ 7О2= 2Fе2О3+ 4SО2
Суммарная реакция: 4FеS2+ 11O2= 2Fе2О3+ 8SО2(I)
При небольшом избытке или недостатке кислорода образуется смешанный оксид железа:
3FеS2+ 8О2=Fе3О4+ 6SО2.
Термическое разложение пирита начинается уже при температуре около 200оС и одновременно воспламеняется сера. При температурах выше 680°С интенсивно протекают все три реакции. В промышленности обжиг ведут при 850-900°С. Лимитирующей стадией процесса становится массоперенос продуктов разложения в газовую фазу и окислителя к месту реакции. При тех же температурах твердый компонент размягчается, что способствует слипанию его частиц.
Таким образом, при протекании реакции (I) помимо газообразного продукта реакцииSО2образуется твердый продуктFе2О3, который может присутствовать в газовой фазе в виде пыли. Колчедан содержит различные примеси, в частности соединения мышьяка и фтора, которые в процессе обжига переходят в газовую фазу. Присутствие этих соединений на стадии контактного окисления диоксида серы может вызвать отравление катализатора. Поэтому реакционный газ после стадии обжига колчедана должен быть предварительно направлен на стадию подготовки к контактному окислению (вторая стадия), которая помимо очистки от каталитических ядов включает выделение паров воды (осушку), а также получение побочных продуктов (Sе и Те).
На третьей стадии протекает обратимая экзотермическая химическая реакция контактного окисления диоксида серы:
SO2 + 1/2O2↔SO3
Способностью ускорять окисление SO2 обладают различные металлы, их сплавы и оксиды, некоторые соли, силикаты и многие другие вещества. Каждый катализатор обеспечивает определенную, характерную для него степень превращения. В заводских условиях выгоднее пользоваться катализаторами, при помощи которых достигается наибольшая степень превращения, так как остаточное количество неокисленного SO2 не улавливается в абсорбционном отделении, а удаляется в атмосферу вместе с отходящими газами.
Длительное время лучшим катализатором данного процесса считали платину, которую в мелкораздробленном состоянии наносили на волокнистый асбест, силикагель или сульфат магния. Однако платина, хотя и обладает наивысшей каталитической активностью, очень дорога. Кроме того, ее активность сильно понижается при наличии в газе самых незначительных количеств мышьяка, селена, хлора и других примесей. Поэтому применение платинового катализатора приводило к усложнению аппаратурного оформления из-за необходимости тщательной очистки газа и повышало стоимость готовой продукции.
Среди неплатиновых катализаторов наибольшей каталитической активностью обладает ванадиевый катализатор (на основе пентоксида ванадия V2O5), он более дешевый и менее чувствительный к примесям, чем платиновый катализатор.
Реакция окисления SO2 экзотермична; тепловой эффект ее, как и любой химической реакции, зависит от температуры. В интервале 400-700°С тепловой эффект реакции окисления (в кДж/моль) с достаточной для технических расчетов точностью может быть вычислен по формуле
Q= 10 142 -9.26Т или 24 205 - 2,21Т (в ккал/моль)
где Т - температура, К.
Реакция окисления SO2 в SO3 обратима. Константа равновесия этой реакции (в Па~0.5) описывается уравнением
где Pso3, Pso2, Po2-равновесные парциальные давления SO3, SO2 и O2, Па.
Величина Кр зависит от температуры.Значения Kр в интервале
390-650°С могут быть вычислены по формуле
lgKp= 4905/T– 7,1479
Степень превращения SO2, достигаемая на катализаторе, зависит от его активности, состава газа, продолжительности контакта газа с катализатором, давления и др. Для газа данного состава теоретически возможная, т. е. равновесная степень превращения, зависит от температуры и выражается уравнением
В производственных условиях существенное значение имеет скорость окисления SO2. От скорости этой реакции зависит количество диоксида серы, окисляющегося в единицу времени на единице массы катализатора, и, следовательно, расход катализатора, размеры контактного аппарата и другие технико-экономические показатели процесса. Процесс стремятся вести так, чтобы скорость окисления SO2, а также степень превращения были возможно более высокие.
Скорость окисления SO2 характеризуется константой скорости
где k0 - коэффициент; Е - энергия активации, Дж/моль; R - универсальная газовая постоянная, 8,31 Дж/(моль-К); Т - абсолютная температура, К.
Из кинетической теории газов известно, что доля молекул, обладающих энергией, достаточной для того, чтобы при их столкновении произошла реакция, составляет в первом приближении e~E/RT. Таким образом, этот член в уравнении скорости реакции характеризует долю эффективных столкновений, приводящих к образованию молекул SO3. Показатель степени в выражении e~ElRT отрицателен; следовательно, с повышением температуры скорость реакции возрастает, а с увеличением Е уменьшается.
Энергия активации Е реакции окисления SO2 в SO3 очень велика, поэтому без катализатора реакция гомогенного окисления практически не идет даже при высокой температуре. В присутствии твердых катализаторов энергия активации понижается, следовательно, скорость гетерогенной каталитической реакции возрастает. Таким образом, роль катализатора состоит в понижении энергии активации Е.
Последняя стадия процесса - абсорбция триоксида серы концентрированной серной кислотой или олеумом.
Отдельные этапы получения серной кислоты могут быть по-разному скомбинированы в технологической схеме процесса. На рис. 1 представлена принципиальная схема процесса получения серной кислоты из колчедана по открытой схеме с так называемым одинарным контактированием.
Важнейшей задачей в производстве серной кислоты является повышение степени превращения SО2вSО3. Помимо увеличения производительности по серной кислоте выполнение этой задачи позволяет решить и экологические проблемы - снизить выбросы в окружающую среду вредного компонентаSО2.
Повышение степени превращения SО2может быть достигнуто разными путями. Наиболее распространенный из них - создание схем двойного контактирования и двойной абсорбции (ДКДА).
Рис.1. Функциональная схема производства серной кислоты из колчедана методом одинарного контактирования.
Другим возможным вариантом решения той же задачи является проведение процесса по циклической (замкнутой) схеме с применением технического кислорода.
Следует отметить, что принципиальная схема, изображенная на рис. 1, является лишь предварительной схемой, не содержащей большого количества информации. Например, в ней не отражен теплообмен между отдельными потоками, необходимый для энерготехнологической схемы, не указаны типы аппаратов, используемых в каждом узле, и т.д. Решить эти проблемы можно, проведя анализ физико-химических и технологических особенностей отдельных стадий процесса.
Из приведенной на рис. 1 принципиальной схеме следует, что в ней можно выделить четыре основные крупные стадии:
1) получение обжигового газа, содержащего диоксид серы;
2) подготовка обжигового газа к контактному окислению;
3) каталитическое окисление диоксида серы;
4) абсорбция триоксида серы.
При различном технологическом оформлении некоторые детали этих стадий, особенно стадии 2, будут отличаться, однако принципиальный подход к их осуществлению и выбору технологического режима зависит от тех задач, которые решаются на рассматриваемом этапе, и в разных конкретных процессах получения серной кислоты будет одинаковым.