Синтез серной кислоты

Существует несколько способов получения серной кислоты, самые известные — нитрозный и контактный. Мы будем говорить про контактный, потому что именно он применяется в современной химической промышленности.

Весь процесс можно разбить на три стадии

1️⃣ СТАДИЯ (обжиг сырья)
Сырьём служат различные руды (например пирит FeS₂), самородная сера, серосодержащие газы. Их обжигают кислородом воздуха при высокой температуре в печи для обжига. Продуктом окисления во всех случаях является SO₂ (сернистый газ):
4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂ (t°C)
S + O₂ → 8SO₂ (t°C)

Обжиг проводится в «кипящем слое». Измельчённое сырьё (пирит) подают сверху, а поток горячего воздуха снизу. Получается, что частицы пирита как бы прыгают в воздухе, совсем как жидкость при кипении, отсюда и название. Такой метод противотока обеспечивает больший контакт кислорода и пирита, поэтому скорость реакции возрастает!

В результате окисления образуется печной газ, который помимо нужного SO₂ содержит пыль, мусор и ещё кучу всего ненужного.
Поэтому прямо из печи печной газ отправляться в циклон. Представьте себе смерч. Вот почти также выглядит процесс внутри циклона. Потоки воздуха вращают печной газ и под действием центробежной силы (привет, физика!) крупные частицы из «смерча» выпадают 🤪

От крупных частиц избавились, но есть ещё много мелкой пыли. На помощь приходит электрофильтр. Внутри на специальных сетках создается высооокое напряжение и частицы пыли ионизируются и притягиваются к этим сеткам (вспомните, если воздушный шарик потереть о волосы, к нему начнет прилипать всё легкое и маленькое 🎈)

Ну и last but not least — осушение. Теперь газ чистый, и в нем совсем нет пыли, но он содержит влагу, которая может сильно мешать на последующих стадиях и портить катализатор. Осушение проводят концентрированной серной кислотой (да, для производства серной кислоты нужна серная кислота). Влажному газу просто устраивают кислотный душ, и кислота поглощает ненужную влагу. Всё это происходит в сушильной башне с использованием метода противотока.

2️⃣ СТАДИЯ (окисление сернистого газа)
Очищенный и нагретый в теплообменнике газ попадает в контактный аппарат. Там при высокой температуре (400-500°C) и повышенном давлении в присутствии катализатора (V₂O₅) проводится окисление SO₂ до SO₃:
2SO₂ + O₂ ⇄ 2SO₃ (V₂O₅, t°C)

3️⃣ СТАДИЯ (поглощение серного газа)
Мы знаем, что SO₃ — кислотный оксид. Чтобы получить из него серную кислоту, нужно добавить воду. Но не все так просто! Эта реакция экзотермическая, и тепла выделяется так много, что кислота превращается в пар, туман.
Поэтому поглощают SO₃ серной кислотой (да, опять!). При этом получается тяжёлая маслянистая жидкость — олеум.
Именно олеум развозят на другие производства и уже там разбавляют до нужной концентрации.

Поглощение происходит в поглотительной башне, которая по устройству напоминает сушильную. Тот же «душ», тот же принцип противотока 🚿