Глава 11. Производство неорганических веществ и их применение

Химическая технология как наука

Рассмотрим производство серной кислоты по стадиям.

I стадия. Получение оксида серы (IV) и очистка его от примесей

При производстве серной кислоты из серного колчедана сырье предварительно обогащают, т. е. дробят, сортируют, удаляют часть примесей.

Обогащенный колчедан поступает на переработку — его обжигают в специальных печах, при этом протекает следующая реакция:

Эта реакция экзотермическая, некаталитическая; необратимая, гетерогенная (твердое вещество — газ).

Для осуществления этой реакции выбираются оптимальные условия:

1. Температура около 850 °С. Реакция обжига пирита протекает при высокой температуре, однако при 650-1000 °С он спекается в крупные агломераты, что приводит к уменьшению реакционной поверхности. Поэтому реакцию проводят при строго определенной температуре.

2. Увеличение концентрации реагентов достигается обогащением колчедана и насыщением воздуха кислородом.

3. Измельчение колчедана. На практике применяют тонко помолотый колчедан с размером частиц 0,30-0,03 мм.

4. Выбор конструкции аппаратуры. Для обжига колчедана применяются специальные печи. Наиболее эффективны печи со взвешенным («кипящим») слоем колчедана. В печах такой конструкции частицы колчедана находятся во взвешенном состоянии благодаря потоку воздуха, который подается противотоком (снизу через решетку в печи), а колчедан поступает через загрузочное отверстие в верхней части печи.

Эффективность работы таких печей (1800 кг/м³ в сутки) намного выше, чем соответствующих аппаратов других конструкций.

Реакция обжига пирита экзотермическая, в результате процесса температура поднимается выше оптимальной, т. е. выше 850 °С. Следовательно, избыточную теплоту можно отводить и использовать для других целей, например для получения водяного пара.

5. Рациональное использование энергии (теплоты) химической реакции.

II стадия. Окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI)

Реакция обратимая, каталитическая (катализ гетерогенный), экзотермическая.

Оптимальными условиями процесса являются:

1. Соотношение реагентов в смеси. Оптимальным является следующий состав газа, участвующего в реакции окисления диоксида серы: 7-8% SO₂, 10-11 %O₂, 82% N₂.

2. Температура. Процесс начинают при 600 °С, затем температуру последовательно понижают и завершают процесс при 450-400 °С.

Наибольший выход может быть достигнут при 400 °С, однако при такой температуре скорость, а следовательно, и эффективность процесса слишком малы.

3. Выбор катализатора. На сегодня оптимальным катализатором является оксид ванадия (V) V₂O₅, он достаточно активен, устойчив и дешев. Данный катализатор применяется в виде гранул размером 5 мм в поперечнике.

4. Аппаратура. Реакцию окисления оксида серы (IV) проводят в контактном аппарате, состоящем из нескольких полок, на которых слоями расположен катализатор.

III стадия. Адсорбция оксида серы (VI)

Оксид серы (VI) взаимодействует с водой:

Реакция некаталитическая, обратимая, экзотермическая.

На практике в качестве поглотителя SO₃ применяют 98 %-ную серную кислоту, над ней водяной пар практически отсутствует. Оксид серы (VI) реагирует с водой, содержащейся в концентрированной серной кислоте:

SO₃ + Н₂О (H₂SO₄) → H₂SO₄ + Q

При этом поглощается 99% SO₃. Сначала получается безводная серная кислота. В ней растворяется избыток оксида серы (VI) и образуется так называемый олеум: H₂SO₄ • mSO₃

Реакцию взаимодействия оксида серы (VI) с водой проводят в поглотительных башнях с насадками. Чтобы увеличить поверхность соприкосновения газа (SO₃) и поглощающей его жидкости (98 %-ная H₂SO₄), используют принцип противотока, а также равномерное распределение реакционной смеси в поглотительной башне, для чего ее заполняют кольцевыми керамическими насадками.

Все стадии сернокислотного производства — от подготовки сырья до выпуска готовой продукции — проводятся непрерывно.

<<< К началу параграфа