Контактный процесс — это современный метод производства серной кислоты в высоких концентрациях, необходимых для промышленных процессов. Первоначально в качестве катализатора этой реакции использовалась платина ; однако, поскольку он подвержен реакции с примесями мышьяка в серном сырье, в настоящее время предпочтительным является оксид ванадия(V) (V 2 O 5 ). [1]
Этот процесс был запатентован в 1831 году британским торговцем уксусом Перегрином Филлипсом. [2] [3] [4] Помимо того, что это гораздо более экономичный процесс производства концентрированной серной кислоты , чем предыдущий процесс в свинцовой камере , контактный процесс также производит триоксид серы и олеум .
В 1901 году Ойген де Хаен запатентовал основной процесс, включающий соединение диоксида серы и кислорода в присутствии оксидов ванадия , с получением триоксида серы , который легко поглощался водой, с образованием серной кислоты . [5] Этот процесс был значительно улучшен за счет уменьшения размера частиц катализатора (например, до 5000 микрон), процесса, открытого двумя химиками из BASF в 1914 году . [6] [7] [8]
Процесс можно разделить на четыре этапа:
Очистка воздуха и диоксида серы (SO 2 ) необходима во избежание отравления катализатора (т.е. устранения каталитической активности). Затем газ промывают водой и сушат серной кислотой.
Для экономии энергии смесь подогревается выхлопными газами каталитического нейтрализатора с помощью теплообменников.
Диоксид серы и дикислород тогда реагируют следующим образом:
Согласно принципу Ле Шателье , следует использовать более низкую температуру, чтобы сместить химическое равновесие вправо и, следовательно, увеличить процентный выход. Однако слишком низкая температура снизит скорость образования до неэкономичного уровня. Следовательно, для увеличения скорости реакции используются высокие температуры (450 °C), средние давления (1-2 атм ) и оксид ванадия (V) (V 2 O 5 ), чтобы обеспечить адекватную (>95%) конверсию. Катализатор служит лишь увеличению скорости реакции, не меняя положения термодинамического равновесия . Механизм действия катализатора включает две стадии:
Горячий триоксид серы проходит через теплообменник и растворяется в концентрированной H 2 SO 4 в абсорбционной колонне с образованием олеума.
Отметим, что непосредственно растворять SO 3 в воде нецелесообразно из-за сильно экзотермического характера реакции. Вместо жидкости образуются кислотные пары или туманы.
Олеум реагирует с водой с образованием концентрированной H 2 SO 4 .
Сюда входят пылевая башня, охлаждающие трубы, скрубберы, сушильная башня, очиститель мышьяка и испытательная камера. Диоксид серы содержит много примесей, таких как пары, частицы пыли и оксид мышьяка . Поэтому его необходимо очищать, чтобы избежать отравления катализатора (т.е. разрушения каталитической активности и потери эффективности). В этом процессе газ промывается водой и сушится серной кислотой. В пылеулавливающей башне диоксид серы подвергается воздействию пара, который удаляет частицы пыли. После охлаждения газа диоксид серы поступает в промывочную башню, где он распыляется водой для удаления растворимых примесей. В сушильной башне газ распыляется серной кислотой для удаления из него влаги. Наконец, оксид мышьяка удаляется, когда газ подвергается воздействию гидроксида железа .
Следующим шагом контактного процесса является двойная контактная абсорбция (DCDA). В этом процессе газообразные продукты (SO 2 ) и (SO 3 ) дважды пропускают через абсорбционные колонны для достижения дальнейшей абсорбции и конверсии SO 2 в SO 3 и производства серной кислоты более высокого качества.
Газы, богатые SO 2 , поступают в каталитический нейтрализатор, обычно в колонну с несколькими слоями катализатора, и преобразуются в SO 3 , достигая первой стадии конверсии. Выходящие газы с этой стадии содержат как SO 2 , так и SO 3 , которые проходят через промежуточные абсорбционные колонны, где серная кислота стекает по насадочным колоннам, а SO 3 реагирует с водой, увеличивая концентрацию серной кислоты. Хотя SO 2 тоже проходит через башню, он нереактивен и выходит из абсорбционной башни.
Этот поток газа, содержащего SO 2 , после необходимого охлаждения снова проходит через колонну с слоем каталитического нейтрализатора, достигая конверсии SO 2 в SO 3 до 99,8% , и газы снова проходят через колонну окончательной абсорбции, тем самым достигая не только высокой эффективности конверсии. для SO 2 , но также позволяет производить серную кислоту более высокой концентрации.
Промышленное производство серной кислоты требует надлежащего контроля температуры и скорости потока газов, поскольку от них зависят как эффективность конверсии, так и абсорбция.