Контактный процесс
 | Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( Май 2020 г. ) |
Контактный процесс — это современный метод производства серной кислоты в высоких концентрациях, необходимых для промышленных процессов. платина использовалась Первоначально в качестве катализатора этой реакции ; однако, поскольку он подвержен реакции с примесями мышьяка в серном сырье, оксид ванадия(V) (V 2 O 5 ). в настоящее время предпочтительным является [1]
История
[ редактировать ]Этот процесс был запатентован в 1831 году британским торговцем уксусом Перегрином Филлипсом. [2] [3] [4] Помимо того, что производства концентрированной серной кислоты является гораздо более экономичным , чем предыдущий процесс в свинцовой камере контактный процесс , он также производит триоксид серы и олеум .
В 1901 году Ойген де Хаен запатентовал основной процесс, включающий соединение диоксида серы и кислорода в присутствии оксидов ванадия , с получением триоксида серы , который легко поглощался водой, с образованием серной кислоты . [5] Этот процесс был значительно улучшен за счет уменьшения размера частиц катализатора (например, до 5000 микрон), процесса, открытого двумя химиками из BASF в 1914 году. [6] [7] [8]
Процесс
[ редактировать ]Процесс можно разделить на четыре этапа:
- Объединение серы и кислорода (O 2 ) с образованием диоксида серы с последующей очисткой диоксида серы в очистительной установке.
- Добавление избытка кислорода к диоксиду серы в присутствии катализатора пятиокиси ванадия при температуре 450 °С и давлении 1-2 атм.
- Образующийся триоксид серы добавляется к серной кислоте , в результате чего образуется олеум (дисерная кислота).
- Затем олеум добавляют к воде с образованием очень концентрированной серной кислоты. Поскольку этот процесс является экзотермической реакцией, температура реакции должна быть как можно более низкой.
Очистка воздуха и диоксида серы (SO 2 ) необходима во избежание отравления катализатора (т.е. устранения каталитической активности). Затем газ промывают водой и сушат серной кислотой.
Для экономии энергии смесь подогревается выхлопными газами каталитического нейтрализатора с помощью теплообменников.
Диоксид серы и дикислород тогда реагируют следующим образом:
- 2 SO 2(г) + O 2(г) ⇌ 2 SO 3(г) : Δ H = -197 кДж моль −1
Согласно принципу Ле Шателье , следует использовать более низкую температуру, чтобы сместить химическое равновесие вправо и, следовательно, увеличить процентный выход. Однако слишком низкая температура снизит скорость образования до неэкономичного уровня. Следовательно, для увеличения скорости реакции высокие температуры (450 °C), средние давления (1-2 атм ) и оксид ванадия (V) (V 2 O 5 используются ), чтобы обеспечить адекватную (>95%) конверсию. Катализатор служит лишь увеличению скорости реакции, не меняя положения термодинамического равновесия . Механизм действия катализатора включает две стадии:
- Окисление SO 2 в SO 3 под действием V 5+ :
- 2SO 2 + 4В 5+ +2О 2− → 2СО 3 + 4В 4+
- Окисление V 4+ обратно в V 5+ дикислородом (регенерация катализатора):
- 4В 4+ + О 2 → 4В 5+ +2О 2−
Горячий триоксид серы проходит через теплообменник и растворяется в концентрированной H 2 SO 4 в абсорбционной колонне с образованием олеума.
- H 2 SO 4 + SO 3 → H 2 S 2 O 7
Отметим, что непосредственно растворять SO 3 в воде нецелесообразно из-за сильно экзотермического характера реакции. Вместо жидкости образуются кислотные пары или туманы.
Олеум реагирует с водой с образованием концентрированной H 2 SO 4 .
- H 2 S 2 O 7 + H 2 O → 2 H 2 SO 4
Блок очистки
[ редактировать ]Сюда входят пылевая башня, охлаждающие трубы, скрубберы, сушильная башня, очиститель мышьяка и испытательная камера. Диоксид серы содержит много примесей, таких как пары, частицы пыли и оксид мышьяка . Поэтому его необходимо очищать, чтобы избежать отравления катализатора (т.е. разрушения каталитической активности и потери эффективности). В этом процессе газ промывают водой и осушают серной кислотой. В пылеулавливающей башне диоксид серы подвергается воздействию пара, который удаляет частицы пыли. После охлаждения газа диоксид серы поступает в промывочную башню, где он распыляется водой для удаления растворимых примесей. В сушильной башне газ распыляется серной кислотой для удаления из него влаги. Наконец, оксид мышьяка удаляется, когда газ подвергается воздействию гидроксида железа .
Двойной контакт, двойное поглощение
[ редактировать ]Следующим шагом контактного процесса является двойная контактная абсорбция (DCDA). В этом процессе газообразные продукты (SO 2 ) и (SO 3 ) дважды пропускают через абсорбционные колонны для достижения дальнейшей абсорбции и конверсии SO 2 в SO 3 и производства серной кислоты более высокого качества.
Газы, богатые SO 2 , поступают в каталитический нейтрализатор, обычно в колонну с несколькими слоями катализатора, и преобразуются в SO 3 , достигая первой стадии конверсии. Выходящие газы этой стадии содержат как SO 2 , так и SO 3 , которые проходят через промежуточные абсорбционные колонны, где серная кислота стекает по насадочным колоннам, а SO 3 реагирует с водой, увеличивая концентрацию серной кислоты. Хотя SO 2 тоже проходит через башню, он нереакционноспособен и выходит из абсорбционной башни.
Этот поток газа, содержащего SO 2 до 99,8% , после необходимого охлаждения снова проходит через колонну с слоем каталитического нейтрализатора, достигая конверсии SO 2 в SO 3 , и газы снова проходят через колонну окончательной абсорбции, тем самым достигая не только высокой эффективности конверсии. для SO 2 , но также позволяет производить серную кислоту более высокой концентрации.
Промышленное производство серной кислоты требует надлежащего контроля температуры и скорости потока газов, поскольку от них зависят как эффективность конверсии, так и абсорбция.
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ «История» . Рейвенсдаун. Архивировано из оригинала 23 мая 2010 года . Проверено 1 марта 2010 г.
- ^ Макдональд, Дональд; Хант, Лесли Б. (январь 1982 г.). История платины и родственных ей металлов . Джонсон Матти Plc. ISBN 9780905118833 .
- ^ UK 6093 , Перегрин Филлипс Младший, «Производство серной кислоты», выпущен 1831 г.
- ^ Андерсон, Джон Р.; Будар, Мишель (6 декабря 2012 г.). Катализ: наука и технологии . Спрингер. ISBN 9783642932786 .
- ^ США 687834A , Карл Иоганн Ойген де Хаен, «Способ получения серного ангидрида», выдан 3 декабря 1901 г.
- ^ США 1371004 , Франц Слама и Ханс Вольф, «Окисление диоксида серы и катализатор для него», выдан 8 мая 1921 г., передан General Chemical Company.
- ^ Андерсон, Джон Р.; Будар, Мишель (6 декабря 2012 г.). Катализ: наука и технологии . Спрингер. ISBN 9783642932786 .
- ^ Промышленная химия . Кришна Пракашан Медиа. 1991.ISBN 9788187224990 .
Ссылки
[ редактировать ]- Справочник патентных изобретений , вып. 72 (апрель 1831 г.), стр. 248 .
- (Анон.) (1832 г.) «Английские патенты: описание патента, выданного Перегрину Филлипсу-младшему из Бристоля в графстве Сомерсетшир, на производителя уксуса, на усовершенствование производства серной кислоты. Датировано 21 марта 1831 года». Журнал Института Франклина , новая серия, вып. 9, страницы 180–182.
- Эрнест Кук (20 марта 1926 г.) «Перегрин Филлипс, изобретатель контактного процесса получения серной кислоты», Nature , 117 (2942): 419–421.
- Лундж, Теоретический и практический трактат по производству серной кислоты и щелочи с побочными ответвлениями , 3-е изд., т. 3, с. 1, часть 2 (Лондон, Англия: Герни и Джексон, 1903), стр. 975
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Джим Кларк (2002). «Процесс контакта» . Химгид .
- «Процесс контакта» . Городская коллегия . 2009. Архивировано из оригинала 02 марта 2015 г. Проверено 1 мая 2009 г.
- «Башня поглощения» . Горная энциклопедия .