Производство серной кислоты
Серную кислоту в промышленности получают из серы, сульфидов металлов (FeS2, ZnS, PbS и др) или сульфатов (CaSO4). В настоящее время используют контактный способ получения серной кислоты.
На первой стадии получают оксид серы (IV):
S + O2 
SO2,
FeS2 + O2 
SO2 + Fe2O3.
В печь для обжига в кипящем слое (1) сверху подается тонко измельченный пирит, а снизу продувается воздух таким образом, что частицы пирита разрыхляются и остаются в подвижном состоянии (принцип противотока). Такой слой мелких частиц назвали кипящим, так как он напоминает кипящую жидкость, через которую прорываются пары. Частицы пирита могут очень мелкими: в кипящем слое они не слеживаются и хорошо смешиваются с воздухом. Поэтому процесс обжига происходит очень быстро, на это требуется всего несколько секунд. Образующийся оксид серы (IV) автоматически отводится для дальнейшей переработки. Предварительно необходима тщательная очистка газа, так как примеси отравляют катализатор. Чтобы удалить из газовой смеси пыль, ее пропускают через аппарат, называемым циклоном (2). Он состоит из двух цилиндров, вставленных один в другой. Смесь газов поступает в наружный цилиндр и движется по спирали сверху вниз. Под действием движения газов в циклоне частицы пыли отбрасываются к стенке наружного цилиндра, падают вниз и удаляются.
Наиболее мелкие пылинки остаются в газе. Для их удаления смесь направляется в электрофильтры (3). Эти аппараты состоят из металлических сеток, между которыми протянута тонкая проволока. К ней подводят постоянный электрический ток высокого напряжения (60000 В). Проволока заряжена отрицательно, а сетка – положительно. Смесь газов поступает в камеру снизу. В результате действия сильного электрического поля пылинки приобретают отрицательный заряд, притягиваются к сетке, где теряют свой заряд, и падают в специальный бункер.
От водяных паров газовую смесь очищают в сушильной башне (4). В эту башню газовая смесь поступает снизу, а сверху противотоком стекает концентрированная серная кислота. Для увеличения поверхности соприкосновения газа и жидкости башню заполняют керамическими кольцами.
Вторая стадия – окисление SO2 до SO3 с использованием твердого катализатора (называемого контактом), в котором обычно содержится 10% и более оксида ванадия (V):
SO2 + O2 
SO3 + Q
Газовую смесь для начала реакции нужно предварительно нагреть, так как в процессе очистки она охлаждается. Поэтому перед контактным аппаратом устанавливают теплообменник (5). Горячую газовую смесь, выходящую из контактного аппарата, пропускают по трубам теплообменника, а между ними в противоположном направлении пропускают подогретую газовую смесь. В результате происходит теплообмен, т. е. продукты реакции отдают свою теплоту газовой смеси, поступающей в контактный аппарат. Одновременно достигаются две цели: исходные вещества нагреваются, а продукты реакции охлаждаются до нужных температур.
В контактном аппарате (6) находятся полки, на которых помещен слоями катализатор. Благодаря катализатору окисление диоксида серы происходит при более низкой температуре и равновесие реакции смещается вправо.
Охлажденный в теплообменнике оксид серы (VI) направляют в поглотительную башню (7). Поглощение проводят серной кислотой с массовой долей 98%.
Почему же для поглощения триоксида серы нельзя использовать воду? Оказывается, триоксид серы до соприкосновения с водой реагирует с ее парами, и образуется мелкие капельки серной кислоты – сернокислотный туман, который водой не поглощается. Над концентрированной серной кислотой водяной пар практически отсутствует.
На третьей стадии оксид серы (VI) поглощается концентрированной серной кислотой, реагируя с содержащейся в ней водой:
SO3 + H2O H2SO4 + Q
Получается безводная серная кислота при растворении в которой оксида серы (VI) образуется олеум.
Ранее для окисления SO2 использовали так называемый башенный способ, при котором процесс проводили в специальных сооружениях – башнях с использованием оксида азота (IV) NO2:
NO2 + SO2 + H2O H2SO4 + NO; NO + O2 NO2
В настоящее время по соображениям экологии башенный способ производства серной кислоты в нашей стране не используют.
