Получение серной кислоты в промышленности

Все промышленные способы синтеза H₂SO₄ основаны на получении каким-либо путем SO₂, дальнейшем окислении его до SO₃ и превращении последнего в серную кислоту.

Сера(IV)-оксид чаще всего получают сжиганием серы или H₂S, либо обжигом руд, содержащих сульфиды металлов (ZnS, Cu₂S, PbS, CuS и т.д.). На многих заводах по производству серной кислоты для получения SO₂ используют обжиг пирита:

4FeS₂ + 11O₂ 2Fe₂O₃ + 8SO₂

Это гетерогенный процесс и его скорость во многом зависит от площади соприкосновения кислорода воздуха и твердых частиц FeS₂. В связи с этим обжиг пирита осуществляют по методу «кипящего» слоя, в ходе которого мелко измельченные частицы FeS₂ удерживаются во взвешенном состоянии в токе подаваемого воздуха.

Отходящий обжиговый газ содержит значительное количество SO₂, азот, кислород, водяные пары, пыль, примеси различных веществ, содержащихся в руде и образующихся при обжиге. В связи с этим его тщательно очищают от пыли, воды, примесей, способных «отравить» используемый на последующей стадии катализатор.

Окисление SO₂ в SO₃ проводят в контактном аппарате в присутствии твердого катализатора (чаще всего для этих целей применяют соединения ванадия (V₂O₅), платину.

Реакция окисления SO₂ является экзотермической и обратимой:

2SO_{2 газ} + O_{2 газ} 2 SO_{3 газ}

При высокой температуре (t > 600^оС) ее равновесие практически полностью смещено в левую сторону, поэтому при обжиге пирита SO₃ не образуется, т.к. температура в кипящем слое поддерживается на уровне 900^оС за счет теплоты, выделяющейся при протекании реакции.

Катализатор на второй стадии нужен для того, чтобы уменьшить температуру процесса, но при этом сохранить достаточно высокой ее скорость. Наиболее оптимальной на этом этапе является температура 400-500^оС.

Для увеличения выхода SO₃, кроме уменьшения температуры используют также и повышение давления (≈ 200 кПа).

Высокие значения давления нежелательны, т.к. при этом SO₃ легко конденсируется в жидкость.

При оптимально подобранных условиях выход SO₃ может превышать 90%.

Полученный на втором этапе газообразный SO₃ поглощают концентрированной H₂SO₄. Растворение SO₃ сопровождается его взаимодействием с H₂SO₄, приводящим к образованию полисерных кислот (рис. 7).

H₂SO₄ + SO₃ = H₂S₂O₇

H₂SO₄ + 2SO₃ = H₂S₃O₁₀ и т.д.

Рис. 7. Строение молекул полисерных кислот.

В результате получается густая, маслянистая, дымящаяся на воздухе жидкость, содержащая кроме SO₃ и H₂SO₄ полисерные кислоты (больше всего –H₂S₂O₇). Она называется иначе олеумом.

Олеум в железных цистернах развозится по потребителям, где его разбавляют H₂O или раствором H₂SO₄ для получения серной кислоты необходимой концентрации:

SO₃ + H₂O = H₂SO₄

Под действием H₂O легко разрываются связи S – O – S в полисерных кислотах, которые тоже превращаются в H₂SO₄.

Если при производстве серной кислоты SO₃ поглощать сразу водой, то H₂SO₄ образуется в виде мелких капелек, находящихся во взвешенном состоянии. Они практически не конденсируются в условиях проведения реакции, поэтому такой «сернокислотный туман» технически достаточно сложно улавливать и превращать в жидкость.