Контактный способ. 
Свойства и основные промышленные способы получения серной кислоты

Серную кислоту контактным способом производят в больших количествах на сернокислотных заводах. В настоящее время основным методом производства серной кислоты является контактный, т.к. этот метод имеет преимущества перед другими:

• — получение продукта в виде чистой концентрированной кислоты, приемлемой для всех потребителей;
• — уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу с выхлопными газами

Основное сырьё: сера — S, серный колчедан (пирит) — FeS₂, сульфиды цветных металлов — Cu₂S, ZnS, PbS, сероводород — H₂S.

Вспомогательный материал: катализатор — оксид ванадия — V₂O_5.

Подготовка сырья.

Разберём производство серной кислоты из пирита FeS₂.

• 1) Измельчение пирита. Перед использованием большие куски пирита измельчают в дробильных машинах. Вы знаете, что при измельчении вещества скорость реакции увеличивается, т.к. увеличивается площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ.
• 2) Очистка пирита. После измельчения пирита, его очищают от примесей (пустой породы и земли) методом флотации. Для этого измельчённый пирит опускают в огромные чаны с водой, перемешивают, пустая порода всплывает наверх, затем пустую породу удаляют.

Основные химические процессы:

4FeS₂ + 11O₂ ^{t = 800°C}> 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q.

или сжигание серы :

• S + O₂ ^t°C> SO₂
• 2SO₂ + O₂ ^{400−500°С, V2O5, p}-2SO₃ + Q

SO₃ + H₂O > H₂SO₄ + Q.

Технологические принципы:

• — принцип непрерывности;
• — принцип комплексного использования сырья, использование отходов другого производства;
• — принцип безотходного производства;
• — принцип теплообмена;
• — принцип противотока («кипящий слой»);
• — принцип автоматизации и механизации производственных процессов.

Технологические процессы:

Принцип непрерывности: обжиг пирита в печи >поступление оксида серы (IV) и кислорода в очистительную систему >в контактный аппарат >подача оксида серы (VI) в поглотительную башню.

Охрана окружающей среды:

• 1) герметичность трубопроводов и аппаратуры
• 2) газоочистительные фильтры

Процесс состоит из трех стадий:

• 1. Обжиг пирита. Получение оксида серы (II). Очистка печного газа. Уравнение реакции первой стадии:
• 4FeS₂ + 11O₂ > 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + Q

Измельчённый очищенный влажный (после флотации) пирит сверху засыпают в печь для обжига в «кипящем слое». Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 800^оС. Пирит раскаляется до красна и находится в «подвешенном состоянии» из-за продуваемого снизу воздуха. Похоже это всё на кипящую жидкость раскалённо-красного цвета.

За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается. Горячую воду используют дальше для центрального отопления рядом стоящих помещений.

Образовавшийся оксид железа Fe₂O₃ (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом — сталь (? 2% углерода в сплаве) и чугун (? 4% углерода в сплаве).Таким образом выполняется принцип химического производства — безотходность производства.

Очистка печного газа. Из печи выходит печной газ, состав которого: SO₂, O₂, пары воды (пирит был влажный!) и мельчайшие частицы огарка (оксида железа). Такой печной газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.

Очистка печного газа от твёрдых частичек огарка проводят в два этапа — в циклоне (используется центробежная сила, твёрдые частички огарка ударяются о стенки циклона и ссыпаются вниз) и в электрофильтрах (используется электростатическое притяжение, частицы огарка прилипают к наэлектризованным пластинам электрофильтра, при достаточном накоплении под собственной тяжестью они ссыпаются вниз), для удаления паров воды в печном газе (осушка печного газа) используют серную концентрированную кислоту, которая является очень хорошим осушителем, поскольку поглощает воду.

Осушку печного газа проводят в сушильной башне — снизу вверх поднимается печной газ, а сверху вниз льётся концентрированная серная кислота. На выходе из сушильной башни печной газ уже не содержит ни частичек огарка, ни паров воды. Печной газ теперь представляет собой смесь оксида серы SO₂ и кислорода О₂.

• 2. Окисление SO2 в SO3 кислородом. Процесс протекает в контактном аппарате. Уравнение реакции этой стадии:
• 2SO₂ + O₂ — 2SO₃ + Q

Сложность второй стадии заключается в том, что процесс окисления одного оксида в другой является обратимым. Поэтому необходимо выбрать оптимальные условия протекания прямой реакции (получения SO₃):

а) температура. Прямая реакция является экзотермической +Q, согласно правилам по смещению химического равновесия, для того, чтобы сместить равновесие реакции в сторону экзотермической реакции, температуру в системе необходимо понижать. Но, с другой стороны, при низких температурах, скорость реакции существенно падает. Экспериментальным путём химики-технологи установили, что оптимальной температурой для протекания прямой реакции с максимальным образованием SO₃ является температура 400−500^оС. Это достаточно низкая температура в химических производствах. Для того, чтобы увеличить скорость реакции при столь низкой температуре в реакцию вводят катализатор. Экспериментальным путём установили, что наилучшим катализатором по качеству и себестоимости для этого процесса является оксид ванадия (V) V₂O₅.

б) давление. Прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов: слева 3V газов (2V SO₂ и 1V O₂), а справа — 2V SO₃. Раз прямая реакция протекает с уменьшением объёмов газов, то, согласно правилам смещения химического равновесия давление в системе нужно повышать. Поэтому этот процесс проводят при повышенном давлении (7−12 атм.). Прежде чем смесь SO₂ и O₂ попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400−500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO₃ из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO₂ и О₂ продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате. Температура 400−500^оС в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO₂ в SO₃. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO₂ в SO₃.

Образовавшийся оксид серы SO₃ выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.

3. Абсорбция серного ангидрида. Процесс протекает в поглотительной башне.

А почему оксид серы SO₃ не поглощают водой? Ведь можно было бы оксид серы растворить в воде:

SO₃ + H₂O > H₂SO₄

Но дело в том, что если для поглощения оксида серы использовать воду, образуется серная кислота в виде тумана, состоящего из мельчайших капелек серной кислоты (оксид серы растворяется в воде с выделением большого количества теплоты, серная кислота настолько разогревается, что закипает и превращается в пар). Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Два процента воды — это так мало, что нагревание жидкости будет слабым и неопасным. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H₂SO₄· nSO₃.

Уравнение реакции этого процесса:

nSO₃ + H₂SO₄ > H₂SO₄· nSO₃

Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.

Поглощение трехокиси серы серной кислотой — гетерогенный процесс. Первой его стадией является перенос молекул трехокиси серы к поверхности жидкой фазы. Далее, процесс протекает на поверхности и в объеме жидкой фазы. Протекает также реакция в газовой фазе между трехокисью серы и парами воды с образованием парообразной серной кислоты, которая конденсируется на поверхности жидкой фазы. При значительном пересыщении газовой фазы парами серной кислоты происходит ее конденсация в объеме, т. е. образуется туманообразная серная кислота, почти не улавливаемая поглощающими жидкостями. Поэтому для поглощения трехокиси серы нельзя применять воду или разбавленные водные растворы серной кислоты. Для того чтобы избежать образования тумана и добиться высокой степени связывания трехокиси серы, ее поглощают азеотропной смесью, содержащей 98,3% H₂SO₄ и 1,7% Н₂О.

Давление паров воды над такой смесью ниже, чем над любым более разбавленным раствором. Над более концентрированными растворами давление паров серной кислоты выше.

Трехокись серы и водяной пар в газовой фазе реагируют почти мгновенно. Поглощение же трехокиси серы жидкостями протекает относительно медленно, и скорость его определяется в значительной степени скоростью переноса молекул SO₃ к поверхности жидкой фазы. Скорость переноса возрастает с увеличением линейной скорости газа.

Скорость поглощения трехокиси серы зависит от концентрации кислоты. Максимальный коэффициент скорости поглощения достигается при применении 98,3%-ной кислоты. Понижение концентрации кислоты ведет к уменьшению коэффициента скорости поглощения. Скорость поглощения SО₃ 20%-ным олеумом значительно меньше, чем 98,3% -ной кислотой. С повышением температуры коэффициенты скорости поглощения уменьшаются.

Рис. 1. Принципиальная схема получения серной кислоты контактным методом: 1-компрессор; 2-подаваемый пирит (FeS₂)