Czytaj więcej"/> Drukuj
Kwas siarkowy (kwas siarkowy (VI)), H2SO4, jeden z najmocniejszych kwasów - wszystkie układy kwaśniejsze od kwasu siarkowego 100% (o większej mocy kwasowej) nazywamy superkwasami.

Właściwości

Kwas siarkowy jest silnym środkiem pochłaniającym wodę. Ma szerokie zastosowanie w syntezie laboratoryjnej, produkcji papieru, jako elektrolit do akumulatorów samochodowych, zakwaszacz.

Otrzymywanie kwasu siarkowego

Współcześnie kwas siarkowy otrzymuje się w przemyśle głównie metodą kontaktową. Metoda ta składa się z trzech etapów:

Spalanie siarki

Reakcję spalania siarki przedstawia równanie:
S + O2 + 3,76 N2 → SO2 + 3,76 N2 δH = -297 kJ
 Współczynnik 3,76 wynika ze stosunku objętościowego tlenu i azotu w powietrzu użytym do spalania.

Z podanego równania reakcji wynika, że z 1 mola zużytego tlenu otrzymuje się 1 mol SO2. Spalanie siarki odbywa się bez zmiany objętości gazów.
Gdyby siarkę spalać nie w powietrzu, lecz w tlenie, to otrzymywałoby się czysty SO2 W przypadku spalania w powietrzu sumaryczne stężenie wytworzonego dwutlenku siarki i nie spalonego tlenu będzie zawsze równe 21%, czyli początkowemu stężeniu tlenu w powietrzu. Stężenie dwutlenku siarki w gazach spalinowych wynosić może zatem maksymalnie 21% (gdy przereaguje cały tlen wprowadzony z powietrzem).
Przy produkcji kwasu siarkowego (VI) nie uzyskuje się podczas spalania siarki tak dużych stężeń SO2. Po pierwsze dlatego, że im mniej tlenu pozostaje w gazach, tym reakcja spalania zachodzi wolniej. Do jej przeprowadzenia potrzebne byłyby więc piece o dużej objętości. Po drugie dlatego, że tlen potrzebny jest w gazach po to, aby w dalszej części instalacji przeprowadzić utlenianie dwutlenku siarki do trójtlenku. Spalając siarkę w omówionych niżej piecach otrzymuje się gaz zawierający 10 – 12% dwutlenku siarki. Resztę stanowi azot i tlen.

Rodzaje pieców do spalania siarki

Do spalania siarki stosuje się obecnie dwa typy pieców: wtryskowe i cyklonowe. Starszym typem jest piec wtryskowy. Jest to leżący walec z blachy stalowej wymurowany wewnątrz warstwami cegły żaro- i kwasoodpornej.
Ciekłą siarkę rafinowaną tłoczy się pompą zanurzeniową przez filtr i topielnik do zbiornika. Zbiornik ten jest ogrzewany, gdyż siarka musi pozostać ciekła. Tłoczy się ją następnie do palnika pieca wtryskowego. Stanowi on rodzaj dyszy śrubowej, przez którą siarka przeciska się dzięki ciśnieniu nadanemu jej przez pompę. Wokół tej dyszy wprowadza się suche powietrze tak, aby wpadało ono do komory pieca ruchem wirowym (sprawiają to blaszane łopatki kierujące). W środek tego wiru dysza „rozpyla” ciekłą siarkę na drobne kropelki, które w wysokiej temperaturze pieca przegrody powodują dodatkowe wymieszanie gazów, ułatwiając przez to całkowite spalanie par siarki. Wydzielone ciepło reakcji wykorzystuje się do produkcji pary wodnej. W tym celu zamontowane są rury, do których wprowadza się wodę zmiękczoną. Rury te tworzą tzw. ekran. Z tego względu piec nazywa się często ekranowym piecem wtryskowym.
W nowych fabrykach kwasu siarkowego nie buduje się już pieców wtryskowych, lecz piece zwane cyklonowymi. Ciekłą siarkę i powietrze doprowadza się w nich na obwodzie walca, po stycznej w sposób podobny do tego, w jaki doprowadza się gazy do cyklonu. Powietrze i siarka otrzymują energiczny ruch wirowy, mieszają się dużo lepiej niż w piecach wtryskowych, dzięki czemu spalanie zachodzi szybciej. Piece cyklonowe są znacznie mniejsze od wtryskowych, a ponadto możliwe było wprowadzenie w nich ulepszenia polegającego na doprowadzeniu powietrza między płaszcz stalowy i wymurówkę. W ten sposób jeszcze przed spaleniem powietrze ogrzewa się, co zwiększa szybkość spalania i równocześnie chłodzi płaszcz.

Utlenianie dwutlenku siarki

Podstawą produkcji kwasu siarkowego (VI) metodą kontaktową jest reakcja:
2SO2 + O2 → 2SO3 δH = -180kJ
Reakcja jest odwracalna i przebiega ze zmniejszeniem objętości i wydzieleniem ciepła. Zgodnie z regułą Le Chateliera równowaga będzie się przesuwać na prawo w miarę obniżania temperatury i zwiększania ciśnienia.
Prowadzenie utleniania SO2 pod podwyższonym ciśnieniem pozwoliłoby zwiększyć szybkość reakcji i zmniejszyć wymiary aparatury. Jednocześnie jednak budowa aparatury ciśnieniowej wymaga zastosowania materiałów o wyższej jakości, a ponadto staje się konieczne zamontowanie sprężarek gazowych. Pociąga to za sobą duże koszty inwestycyjne. Koszty eksploatacyjne są również wyższe z powodu zużycia energii na sprężanie. Z powyższych względów utlenianie SO2 prowadzi się pod ciśnieniem atmosferycznym.
Aby reakcja utleniania SO2 mogła przebiegać z szybkością zadowalającą dla celów przemysłowych, konieczne jest zastosowanie odpowiednich katalizatorów na podłożu stałym zwanych w żargonie przemysłowym "kontaktem". Katalizatorem reakcji utleniania dwutlenku siarki może być wiele substancji. Przyspieszają one tę reakcje w różnym stopniu. W efekcie wielu badań naukowych i doświadczeń przemysłowych stwierdzono, że najlepsze działanie katalityczne wykazuje platyna osadzona na azbeście (5 – 10% Pt).
Katalizator ten jest jednak stosunkowo drogi i bardzo łatwo ulega zatruciu. Stosuje się więc powszechnie tzw. kontakty wanadowe, które są tylko nieco mniej aktywne, ale za to tańsze i odporniejsze na zatrucie. Wanadowa masa kontaktowa składa się z właściwego kontaktu (tlenek wanadu V2O5), nośnika (krzemionka), aktywatorów (Na2O, K2O) i innych dodatków. Zawartość tlenku wanadu (V) waha się w granicach 5 – 7% masowych masy kontaktowej. Aktywatory stanowią 35%, a resztę, tj. ok. 60% – nośnik.
Kontakty wanadowe przyspieszają reakcje utleniania SO2 dopiero w stosunkowo wysokiej temperaturze. Przemysłowe kontakty wanadowe zaczynają bowiem „pracować” (tzw. punkt zapłonu) w temperaturze wyższej od 380°C do 400°C.
Mechanizm utleniania SO2 wobec katalizatora wanadowego nie jest ostatecznie wyjaśniony. Kontakt ten może ulegać zatruciu i traci aktywność. Truciznami są chlor, fluor, a przede wszystkim arsen. Groźba zatrucia jest o wiele mniejsza niż przy zastosowaniu kontaktu platynowego, który zatruwa się kilkadziesiąt tysięcy razy mniejszą ilością arsenu.

Absorpcja trójtlenku siarki

Trójtlenku siarki nie absorbuje się w wodzie, gdyż powodowałoby to duże jego straty w wyniku tworzenia się trudnej do skondensowania „mgły” kwasu siarkowego (VI). Aby temu zapobiec, używa się jako absorbentu stężonego kwasu siarkowego (VI), nad którym prężność pary wodnej jest znikoma.
Bogaty w SO3 gaz z tzw. ekonomizera zostaje dodatkowo ochłodzony w chłodnicy powietrznej, a następnie przepływa kolejno przez dwie wieże absorpcyjne.
Wieża absorpcyjna jest zraszana 20% oleum. Absorpcja SO3 w oleum jest egzotermiczna. Dla utrzymania właściwej temperatury doprowadza się więc oleum w takiej ilości, aby podczas przepływu przez wieżę wzrost jego stężenia nie przekroczył 1,5% początkowej wartości. Aby utrzymać stałe stężenie oleum (20%) w obiegu pierwszej wieży rozcieńcza się go powtórnie wprowadzając odpowiednie ilości stężnego 98% kwasu siarkowego, zwanego monohydratem, który pobiera się z obiegu drugiej wieży. Wytworzony podczas rozcieńczania nadmiar 20% oleum odprowadza się jako gotowy produkt.
Drugą wieżę zrasza się 98% kwasem siarkowym. Kwas ten tłoczy się w takich ilościach, aby przeciwprądowe zetknięcie z gazem zawierającym SO3 nie spowodowało wzrostu stężenia większego niż 0,2% początkowej wartości. Stężenie kwasu siarkowego w obiegu drugiej wieży utrzymuje się dodając do niego odpowiednią ilość wody i 96% kwasu siarkowego. Wytworzony nadmiar monohydratu kieruje się do zbiorników magazynowych. W sumie więc końcowym produktem całego procesu jest 20% oleum oraz monohydrat - czyli kwas siarkowy 98%.
Materiał wydrukowany z portalu zgapa.pl dnia 2020-10-30 21:13:32