Produkcja kwasu siarkowego z pirytu.doc

Produkcja kwasu siarkowego z pirytu, z uwzględnieniem aparatu kontaktowego.

Po raz pierwszy na skalę przemysłową kwas siarkowy zaczęto produkować przez prażenie mieszaniny: saletry i siarki (Anglia, 1740 r.). W tym wieku produkowano również kwas po przez rozkład Fe2SO4.

Na początku XIX wieku wynaleziono metodę nitrozową. Polega ona na wykorzystaniu tlenku azotu do utleniania SO2 do SO3. Początkowo stosowano metodę komorową później wieżową.

W XIX wieku odkryto metodę kontaktową utleniania SO2 do SO3. Najpierw stosowano platynę (jest najlepsza, lecz droga i wrażliwa na zatrucia). Od lat 30 XX wieku stosuje się katalizator wanadowy (V2O5 na żelu krzemionkowym).

Surowcami stosowanymi do produkcji są: siarka elementarna, piryty, gips i anhydryt, siarkowodór (produkcja z siarkowodoru metodą Clausa), gazy odpadowe z hut miedzi i cynku oraz inne gazy zawierające dwutlenek siarki.

We wszystkich metodach produkcja polega na otrzymywaniu z surowca gazów zawierających dwutlenek siarki, tlen i azot, utlenianiu dwutlenku siarki tlenem do trójtlenku siarki na katalizatorze wanadowym (aparat kontaktowy do utleniania dwutlenku siarki) i absorpcji trójtlenku siarki z gazów. Do spalania surowców stosuje się powietrze. Aby uniknąć zanieczyszczenia katalizatora, gazy przed wprowadzeniem do aparatu kontaktowego muszą być dokładnie oczyszczone od substancji stałych. Nie wymagają tego gazy otrzymywane ze spalania siarki, gdyż jest ona doprowadzana w stanie czystym.

Wydajność reakcji utleniania dwutlenku siarki zależy od temperatury, rodzaju katalizatora i jego obciążenia, czyli od stosunku strumienia mieszaniny gazowej do objętości katalizatora.

Energia aktywacji jednorodnego utleniania dwutlenku siarki wynosi ponad 200 kJ/mol i jeśli nie zastosujemy katalizatora, to reakcja dwutlenku siarki z tlenem nie będzie przebiegać z dostateczną szybkością. W obecności katalizatorów reakcja biegnie poprzez aktywne kompleksy i ma niższą energię aktywacji.

Reakcję utleniania dwutlenku siarki katalizują liczne substancje, ale większość z nich przyspiesza tę reakcję tylko w wysokich temperaturach, w których nie można osiągnąć wysokich stopni przemiany, bo w tych warunkach równowaga reakcji zostaje przesunięta w kierunku dysocjacji trójtlenku siarki [2].

Zastosowanie przemysłowe znalazły tylko katalizatory platynowe, wanadowe oraz tlenki żelaza. Obecnie do utleniania dwutlenku siarki stosuje się prawie wyłącznie katalizatory wanadowe. Związkiem czynnym w przemysłowych katalizatorach wanadowych są sulfowanadziany metali alkalicznych osadzone na powierzchni dwutlenku krzemu.

Instalacja do produkcji kwasu siarkowego z siarki pracuje w następujący sposób: stopioną siarkę, po oddzieleniu zanieczyszczeń w filtrze, wprowadza się do pieca wtryskowego, w którym następuje mieszanie inżektorowe z nadmiarem suchego, gorącego powietrza i intensywne spalanie w temperaturze ok. 900°C. Otrzymane gazy chłodzi się w kotle (produkującym ubocznie parę wodną) do temperatury ok. 400°C i doprowadza do węzła kontaktowego. Wytworzony tu trójtlenek siarki absorbuje się w dwóch kolejnych wieżach zraszanych oleum cyrkulującym w pierwszej wieży i kwasem siarkowym o stężeniu 98% , cyrkulującym w obiegu drugiej wieży. Do drugiej wieży doprowadza się odpowiednią ilość wody w celu utrzymania stałego stężenia kwasu zraszającego wieżę.

Część kwasu produkowanego w wieży odbiera się do zbiorników magazynowych jako gotowy produkt, a część zawraca do obiegu. Podobnie część oleum z pierwszej wieży stanowi produkt, a cześć po rozcieńczeniu 98% kwasem siarkowym zawraca się do zraszania wieży.
W instalacjach do produkcji kwasu siarkowego z keku lub pirytu pomiędzy piecami do prażenia (zwykle fluidyzacyjne) a aparatem kontaktowym znajdują się urządzenia odpylające, jak komory grawitacyjne, cyklony, elektrofiltry suche, wieże zraszane wodą, elektrofiltry mokre. Podobne urządzenia odpylające znajdują się w instalacjach do produkcji kwasu siarkowego z anhydrytu lub gipsu, w których dwutlenek siarki otrzymuje się w piecu cementowym, produkującym jednocześnie cement.

Stosowana dawniej metoda nitrozowa produkcji kwasu siarkowego, w której proces katalitycznego utleniania dwutlenku siarki do trójtlenku siarki przebiegał w fazie ciekłej i gazowej z udziałem tlenków azotu, została obecnie zaniechana. Uzyskiwany tą metodą kwas był rozcieńczony (ok. 75-proc.) i zanieczyszczony tlenkami azotu.

Schemat  produkcji kwasu siarkowego metodą kontaktową z pirytu:

1- piec etażowy, 2-kocioł parowy, 3-komora pyłowa (elektrofiltr suchy), 4-wieże myjące, 5-chłodnice ociekowe wież myjących, 6-odstojnik szlamu, 7-zbiornik cyrkulacyjny wież myjących, 8-elektrofiltr mokry, 9-wieża susząca, 10-dmuchawa, 11,12-wstępne wymienniki ciepła, 13-aparat kontaktowy, 14-miedzypółkowe wymienniki ciepła, 15-wieża absorpcyjna, 16-chłodnica ociekowa wieży absorpcyjnej, 17-zbiornik cyrkulacyjny kwasu siarkowego

     Produkcja metodą podwójnego kontaktowania (podwójnej konwersji) — odmiana kontaktowej metody produkcji kwasu siarkowego, umożliwiająca obniżenie strat dwutlenku siarki, uchodzącego z gazami odlotowymi z instalacji.

Metoda ta polega na przeprowadzeniu części dwutlenku siarki w trójtlenek w aparacie kontaktowym (tzw. pierwszy stopień kontaktowania), usunięciu z gazów trójtlenku siarki przez absorpcję w wieży produkcyjnej kwasu siarkowego, ponownym przeprowadzeniu reakcji utleniania dwutlenku w trójtlenek (tzw. drugi stopień kontaktowania) i absorpcji wytworzonego trójtlenku siarki w drugiej, końcowej wieży produkcyjnej.

Usunięcie trójtlenku siarki po pierwszym stopniu kontaktowania powoduje zmianę składu fazy gazowej i ułatwia dalszy przebieg utleniania.

Mimo że instalacja pracująca metodą podwójnego kontaktowania (rys.) wymaga zwiększonych nakładów inwestycyjnych i eksploatacyjnych (m.in. na dodatkową wieżę), buduje się je ze względu na ochronę środowiska.

Metoda podwójnego kontaktowania w stosunku do metod jednokrotnego kontaktowania umożliwia około dziesięciokrotne zmniejszenie zawartości dwutlenku siarki w gazach odlotowych.

  Literatura:

1)                   MALIN K.M., Kwas siarkowy. Poradnik inżyniera i technika,

2)                   Jacek Molenda , Technologia chemiczna,

3)                   Notatki z zajęć