Серная кислота является одним из самых массовых продуктов химической промышленности. Она широко используется в различных отраслях экономики, поэтому развитие ее производства имеет стратегическое значение для любой страны. В настоящее время наиболее прогрессивным способом получения серной кислоты считается контактный метод, основанный на гетерогенном катализе.
История производства серной кислоты
Впервые серная кислота была получена в Средние века сухой перегонкой природных сульфатов. В XIV веке появился так называемый «камерный» способ, основанный на сжигании смеси серы и селитры. Процесс велся в свинцовых камерах, отсюда и название. Но концентрация кислоты, получаемой камерным методом, была невысокой.
Переход к контактному способу произошел после открытия каталитической роли оксидов азота в реакции окисления сернистого газа. Этот метод оказался более компактным и эффективным.
Со временем изменилось и сырье для производства H2SO4. Если раньше основным источником был пирит FeS2, то в настоящее время преобладает элементарная сера. Доля серы в общем объеме производства серной кислоты в 2011 году составила:
- в России - 73%
- в мире - 61%
Лидером по выпуску H2SO4 является Китай, где в 2011 году было произведено 74 млн тонн кислоты.
Основные стадии контактного метода
Контактный метод получения серной кислоты включает следующие основные стадии:
- Подготовка сырья
- Окисление сернистого газа до серного ангидрида
- Поглощение серного ангидрида разбавленной серной кислотой с образованием олеума
- Разбавление олеума до требуемой концентрации H2SO4
При использовании в качестве сырья пирита, его предварительно обжигают в печи кипящего слоя, получая сернистый газ SO2:
2FeS2 + 7O2 → 2FeO + 4SO2
Затем SO2 окисляют до SO3 в контактном аппарате с ванадиевым катализатором:
2SO2 + O2 → 2SO3
Для поглощения образующегося серного ангидрида используют концентрированную H2SO4, в результате получается дымящая серная кислота – олеум:
SO3 + H2SO4 → H2S2O7
Разбавлением олеума водой доводят концентрацию серной кислоты до требуемой.
Таким образом контактный метод позволяет эффективно производить серную кислоту высокой концентрации, значительно превосходя камерный способ.
Катализаторы процесса окисления SO2
Для окисления сернистого газа до серного ангидрида применяют различные твердые катализаторы. Наиболее активным является платина, но она слишком дорогая. Оксид ванадия(V) V2O5 отличается оптимальным сочетанием эффективности и стоимости, поэтому именно он используется в промышленности.
Катализатор в контактном аппарате представляет собой пористые гранулы диаметром 3-5 мм. Их высокая пористость (до 80%) обеспечивает большую поверхность контакта реагирующих веществ с активным компонентом.
Со временем активность катализатора снижается, поэтому его периодически регенерируют прокаливанием при температуре 650°С в течение 2 часов. Это позволяет восстановить исходные свойства V2O5.
На работу катализатора отрицательно влияют некоторые примеси, в первую очередь соединения мышьяка. Поэтому важно тщательно очищать сырьевой газ от посторонних веществ.
Экономические аспекты производства серной кислоты
Основные затраты при производстве H2SO4 контактным методом связаны со стоимостью сырья, энергии, оборудования и катализатора. Себестоимость продукции можно снизить за счет:
- использования более дешевого сырья
- внедрения энергоэффективных технологий
- оптимизации режимов работы оборудования
- увеличения срока службы катализатора
При грамотной организации производства затраты на выпуск 1 тонны H2SO4 могут быть снижены на 15-20%.
Воздействие на окружающую среду
Основные вредные выбросы при производстве серной кислоты контактным методом - это оксид серы(IV) SO2 и твердые частицы (пыль).
Для снижения выбросов применяют:
- установки очистки газов
- герметизацию оборудования
- фильтрацию отходящих газов
Благодаря этому удается сократить выбросы SO2 в атмосферу на 90% по сравнению с неконтролируемыми выбросами.
Перспективы развития контактного метода
Дальнейшее совершенствование контактного способа производства серной кислоты связано с использованием инновационных решений:
- Новые типы высокоэффективных катализаторов на основе V2O5
- Применение возобновляемых источников сырья
- Разработка безотходных и энергосберегающих технологий
- Комплексная автоматизация производственных процессов
Реализация этих мер позволит повысить рентабельность, экологичность и безопасность выпуска серной кислоты контактным методом.
