ПРОМИСЛОВЕ ОТРИМАННЯ СІРНОЇ КИСЛОТИ
Про промисловий розвиток країни можна судити за кількістю сірчаної кислоти, яку вона споживає.
Юстус Лібіх (1803-1873)
Щорічно виробництво сірчаної кислоти у світі перевищує 100 млн. т. Перед Великобританії припадає менше 3% її виробництва - від 3 до 3,5 млн. т на рік. Приблизно 28% цієї кількості витрачається потреб сільського господарства, включаючи виробництво добрив. На рис. 7.4 показано діаграму використання сірчаної кислоти у Великій Британії в 1981 р.
Мал. 7.4. Використання сірчаної кислоти різні потреби економіки Великобританії в 1981 р.
Застосування сірчаної кислоти
Добриво. В економіці Великобританії приблизно 26% усієї сірчаної кислоти використовується для отримання суперфосфатних добрив (див. Розд. 15.3). Ще 2% використовують для отримання сульфату амонію.
Миючі засоби. Натрієві солі сульфонатів нерозгалужених алкілбензолів використовуються як головні активні компоненти побутових синтетичних миючих засобів. Сірчана кислота чи олеум використовуються для виробництва цих сульфонатів.
пігменти. Сірчана кислота використовується на першій стадії сульфатного процесу одержання оксиду Діоксид титану знаходить застосування як пігмент білих фарб.
Штучні тканини. Сірчана кислота використовується для одержання капролактаму із циклогексанону. Капролактам є мономером, з якого отримують полімер найлон-6.
Сучасний контактний процес
В даний час сірчану кислоту в усьому світі одержують за допомогою контактного процесу. Цей процес включає три стадії.
1-ша стадія. На цій стадії одержують діоксид сірки: рідку сірку розбризкують у камері згоряння, де вона згоряє в повітрі при температурі близько 1000 °С.
Повітря, що надходить у камеру, має бути сухим, щоб запобігти утворенню туману. Сірку одержують за допомогою процесу Фраша із покладів, розташованих у Польщі, Мексиці та США (див. розд. 15.4). Вільну сірку отримують також як побічний продукт при переробці нафти та очищенні природного газу. Наприклад, французький чи канадський природний газ містить до 25% сірководню.
Діоксид сірки отримують також при випалюванні сульфідних мінералів, наприклад сульфіду цинку або залізного колчедану:
Слід зазначити, що обидва вказані тут процеси окислення є незворотними та екзотермічними.
2-я стадія. На цій стадії одержують триоксид сірки:
Ця реакція є оборотною та екзотермічною. Високому виходу триоксиду сірки сприяють низькі температури та високі тиски. Насправді цей процес проводиться при тиску трохи вище атмосферного. Це робиться тільки для того, щоб забезпечити добрий потік газу. Збільшення виходу внаслідок підвищення тиску не виправдовує додаткових витрат.
Живильний газ (суміш діоксиду сірки та кисню) пропускають через каталітичний конвертер, який складається з низки шарів, що містять каталізатор-оксид та промотори. Оскільки перетворення діоксиду сірки на триоксид сірки є екзотермічною реакцією, температура газу підвищується. Тому гази, що виходять із кожного шару конвертера, пропускають через теплообмінники, де вони охолоджуються. Дія теплообмінника ґрунтується на тому ж принципі, що й у конденсатора Лібіха, що використовується у хімічних лабораторіях. Після проходження кожного шару реактора частка триоксиду сірки, що утворюється, все зростає. Температуру каталітичних шарів підтримують на рівні не нижче 400 °С, оскільки при нижчихтемпературах каталізатор втрачає свою активність Остаточний вихід для конвертера, що містить чотири каталітичні шари, досягає 98%.
3-тя стадія. На цій стадії здійснюється наступний процес:
Однак безпосереднє поглинання триоксиду сірки водою неможливе, тому що пари води над її поверхнею утворюють стійкий туман із крихітних крапель сірчаної кислоти. Тому для поглинання триоксиду сірки використовується 98% сірчана кислота. Її концентрацію підвищують до 995% (рис. 7.5). Потім кислоту знову розбавляють водою до 98%. Частину її повертають на поглинання, а решту направляють на зберігання. Якщо припустити, щоб концентрація сірчаної кислоти перевищила 99,5%, то тиск парів триоксиду сірки стає занадто високим, і це перешкоджає повному поглинанню. Через війну утворюється видимий туман. Сірчану кислоту з концентрацією 99,5% іноді називають «олеум» та позначають формулою
Мал. 7.5. 3-я стадія процесу одержання сірчаної кислоти контактним способом (процес поглинання).
Завод контактної сірчаної кислоти з подвійним поглинанням
На заводі контактної сірчаної кислоти з одноразовим поглинанням описані вище процеси протікають у три стадії.
1-я стадія: отримання
2-я стадія: 8%-не перетворення
3-я стадія: поглинання в 98%-ній з утворенням олеуму.
На заводі контактної сірчаної кислоти з подвійним поглинанням поглинання відбувається на 2-й і 3-й стадіях.
1-я стадія: отримання
а) перетворення
б) поглинання з утворенням олеуму - так зване проміжне поглинання;
в) перетворення що залишилося у результаті остаточний вихід підвищується до 99,5%.
Мал. 7.6. Схема конвертера на заводі з виробництва сірчаноїкислоти контактним способом із подвійним поглинанням.
3-я стадія: остаточне поглинання в 98%-ній з утворенням олеуму.
На заводі контактної сірчаної кислоти з подвійним поглинанням досягається 99,5% перетворення діоксиду сірки в триоксид сірки. Це дозволяє максимально зменшити викид діоксиду сірки в атмосферу і, отже, знизити забруднення навколишнього середовища. Мінімальна ефективність перетворення 99,5% в даний час є обов'язковою вимогою для всіх заводів, що будуються у Великій Британії, на яких здійснюється спалювання сірки.
На рис. 7.6 показана схема включення проміжного поглинача в конвертер на 2 стадії виробництва сірчаної кислоти на заводі з подвійним поглинанням. Живильний газ, що містить приблизно 10% діоксиду сірки та 11% кисню, впускають у конвертер, де знаходяться каталітичні шари. Після проходження першого шару досягається 63% перетворення діоксиду сірки в триоксид сірки. Після проходження третього шару весь триоксид сірки видаляється та поглинається на стадії проміжного поглинання. Непоглинені гази повертаються в повторний цикл, де вони змішуються з діоксидом сірки, що залишився, і киснем для завершального перетворення. Потім триоксид сірки, що утворився після проходження четвертого каталітичного шару, надходить остаточний поглинач.
Отже, ще раз повторимо!
1. а) Для промислового отримання аміаку використовується процес Габер:
Азот одержують із повітря. Водень отримують з води та метану.
б) Перші сім стадій сучасного процесу Габер призначені для отримання синтез-газу Синтез цієї газової суміші здійснюється на 8-й стадії. Для цього використовується залізний каталізатор. Оптимальний вихід та продуктивність досягаються при температурі400 ° С та тиску 250 атм.
в) Аміак використовується для отримання добрив, азотної кислоти та багатьох інших продуктів.
2. а) Для промислового отримання сірчаної кислоти нині використовується контактний процес, що з трьох стадій.
1-я стадія: отримання
2-я стадія: перетворення діоксиду сірки на триоксид сірки
Це перетворення здійснюється за допомогою каталізатора, як який використовується оксид . Процес проводиться під тиском, що трохи перевищує 1 атм, і при температурі 400 °С.
3-тя стадія. Це стадія поглинання. Триоксид сірки поглинається 8-ною сірчаною кислотою, утворюючи олеум, тобто 99,5%-ву сірчану кислоту. Потім олеум розбавляють до 98% сірчаної кислоти. Цей процес можна уявити рівнянням
б) На заводі контактної сірчаної кислоти з подвійним поглинанням поглинання триоксиду сірки здійснюється на дві стадії. Проміжне поглинання здійснюється на 2 стадії процесу, а остаточне поглинання на 3 стадії.
в) Сірчана кислота використовується для отримання добрив, фарб, синтетичних миючих засобів, штучних тканин та багатьох інших продуктів.