ПРОМЫШЛЕННОЕ ПОЛУЧЕНИЕ СЕРНОЙ КИСЛОТЫ

О промышленном развитии страны можно судить по количеству серной кислоты, которую она потребляет.

Юстус Либих (1803-1873)

Ежегодно производство серной кислоты в мире превышает 100 млн. т. На долю Великобритании приходится менее 3% ее производства - от 3 до 3,5 млн. т в год. Приблизительно 28% этого количества расходуется для нужд сельского хозяйства, включая производство удобрений. На рис. 7.4 показана диаграмма использования серной кислоты в Великобритании в 1981 г.

Рис. 7.4. Использование серной кислоты на различные нужды экономики Великобритании в 1981 г.

Применения серной кислоты

Удобрении. В экономике Великобритании приблизительно 26% всей серной кислоты используется для получения суперфосфатных удобрений (см. разд. 15.3). Еще 2% используется для получения сульфата аммония.

Моющие средства. Натриевые соли сульфонатов неразветвленных алкилбензолов используются в качестве главных активных компонентов бытовых синтетических моющих средств. Серная кислота или олеум используются для производства этих сульфонатов.

Пигменты. Серная кислота используется на первой стадии сульфатного процесса получения оксида Диоксид титана находит применение в качестве пигмента белых красок.

Искусственные ткани. Серная кислота используется для получения капролактама из циклогексанона. Капролактам представляет собой мономер, из которого получают полимер найлон-6.

Современный контактный процесс

В настоящее время серную кислоту во всем мире получают с помощью контактного процесса. Этот процесс включает три стадии.

1-я стадия. На этой стадии получают диоксид серы: жидкую серу разбрызгивают в камере сгорания, где она сгорает в воздухе при температуре порядка 1000 °С:

Воздух, поступающий в камеру, должен быть сухим, чтобы предотвратить образование тумана. Серу получают с помощью процесса Фраша из залежей, расположенных в Польше, Мексике и США (см. разд. 15.4). Свободную серу получают также в качестве побочного продукта при переработке нефти и очистке природного газа. Например, французский или канадский природный газ содержит до 25% сероводорода.

Диоксид серы получают также при обжиге сульфидных минералов, например сульфида цинка или железного колчедана:

Следует отметить, что оба указанных здесь процесса окисления являются необратимыми и экзотермическими.

2-я стадия. На этой стадии получают триоксид серы:

Эта реакция является обратимой и экзотермической. Высокому выходу триоксида серы благоприятствуют низкие температуры и высокие давления. На практике этот процесс проводится при давлении несколько выше атмосферного. Это делается только для того, чтобы обеспечить хороший поток газа. Увеличение выхода в результате повышения давления не оправдывает дополнительных затрат.

Питающий газ (смесь диоксида серы и кислорода) пропускают через каталитический конвертер, который состоит из ряда слоев, содержащих катализатор-оксид и промоторы. Поскольку превращение диоксида серы в триоксид серы является экзотермической реакцией, температура газа повышается. Поэтому газы, выходящие из каждого слоя конвертера, пропускают через теплообменники, где они охлаждаются. Действие теплообменника основано на том же принципе, что и у конденсатора Либиха, используемого в химических лабораториях. После прохождения каждого слоя реактора доля образующегося триоксида серы все возрастает. Температуру каталитических слоев поддерживают на уровне не ниже 400 °С, поскольку при более низких температурах катализатор теряет свою активность. Окончательный выход для конвертера, содержащего четыре каталитических слоя, достигает 98%.

3-я стадия. На этой стадии осуществляется следующий процесс:

Однако непосредственное поглощение триоксида серы водой невозможно, потому что пары воды над ее поверхностью образуют устойчивый туман из крошечных капелек серной кислоты. Поэтому для поглощения триоксида серы используется 98%-ная серная кислота. Ее концентрацию повышают до 99,5% (рис. 7.5). Затем кислоту снова разбавляют водой до 98%. Часть ее возвращают на поглощение, а остальную часть направляют на хранение. Если допустить, чтобы концентрация серной кислоты превысила 99,5%, то давление паров триоксида серы становится слишком высоким, и это препятствует их полному поглощению. В результате образуется видимый туман. Серную кислоту с концентрацией 99,5% иногда называют «олеум» и обозначают формулой

Рис. 7.5. 3-я стадия процесса получения серной кислоты контактным способом (процесс поглощения).

Завод контактной серной кислоты с двойным поглощением

На заводе контактной серной кислоты с однократным поглощением описанные выше процессы протекают в три стадии.

1-я стадия: получение

2-я стадия: 8%-ное превращение

3-я стадия: поглощение в 98%-ной с образованием олеума.

На заводе контактной серной кислоты с двойным поглощением, поглощение происходит на 2-й и 3-й стадиях.

1-я стадия: получение

2-я стадия:

а) превращение

б) поглощение в с образованием олеума - так называемое промежуточное поглощение;

в) превращение оставшегося в результате чего окончательный выход повышается до 99,5%.

(см. скан)

Рис. 7.6. Схема конвертера на заводе по производству серной кислоты контактным способом с двойным поглощением.

3-я стадия: окончательное поглощение в 98%-ной с образованием олеума.

На заводе контактной серной кислоты с двойным поглощением достигается 99,5%-ное превращение диоксида серы в триоксид серы. Это позволяет предельно уменьшить выброс диоксида серы в атмосферу и, следовательно, снизить загрязнение окружающей среды. Минимальная эффективность превращения 99,5% в настоящее время является обязательным требованием для всех строящихся в Великобритании заводов, на которых осуществляется сжигание серы.

На рис. 7.6 показана схема включения промежуточного поглотителя в конвертер на 2-й стадии производства серной кислоты на заводе с двойным поглощением. Питающий газ, который содержит приблизительно 10% диоксида серы и 11% кислорода, впускают в конвертер, где находятся каталитические слои. После прохождения первого слоя достигается 63%-ное превращение диоксида серы в триоксид серы. После прохождения третьего слоя весь триоксид серы удаляется и поглощается на стадии промежуточного поглощения. Непоглотившиеся газы возвращаются в повторный цикл, где они смешиваются с оставшимся диоксидом серы и кислородом для завершающего превращения. Затем триоксид серы, образовавшийся после прохождения четвертого каталитического слоя, поступает в окончательный поглотитель.

Итак, повторим еще раз!

1. а) Для промышленного получения аммиака используется процесс Габера:

Азот получают из воздуха. Водород получают из воды и метана.

б) Первые семь стадий современного процесса Габера предназначены для получения синтез-газа Синтез этой газовой смеси осуществляется на 8-й стадии. Для этого используется железный катализатор. Оптимальный выход и производительность достигаются при температуре 400 °С и давлении 250 атм.

в) Аммиак используется для получения удобрений, азотной кислоты и многих других продуктов.

2. а) Для промышленного получения серной кислоты в настоящее время используется контактный процесс, состоящий из трех стадий.

1-я стадия: получение

2-я стадия: превращение диоксида серы в триоксид серы

Это превращение осуществляется с помощью катализатора, в качестве которого используется оксид . Процесс проводится под давлением, несколько превышающим 1 атм, и при температуре 400 °С.

3-я стадия. Это стадия поглощения. Триоксид серы поглощается 8-ной серной кислотой, образуя олеум, т. е. 99,5%-ную серную кислоту. Затем олеум разбавляют до 98%-ной серной кислоты. Этот процесс можно представить уравнением

б) На заводе контактной серной кислоты с двойным поглощением поглощение триоксида серы осуществляется в две стадии. Промежуточное поглощение осуществляется на 2-й стадии процесса, а окончательное поглощение на 3-й стадии.

в) Серная кислота используется для получения удобрений, красок, синтетических моющих средств, искусственных тканей и многих других продуктов.