Kontaktní proces

Kontaktní proces je technický postup pro výrobu kyseliny sírové za použití katalyzátoru (například oxidu vanadičného na oxidu křemičitém). Používal se v průmyslovém měřítku, ale od té doby se vyvinul do ziskovějšího a ekologičtějšího procesu dvojitého kontaktu. V minulosti se používal také proces s olověnou komorou a vitriolový proces.[1][2]

Zatímco proces s olověnou komorou sahá až do poloviny 18. století, kontaktní proces si nechal patentovat Peregrine Phillips v Bristolu v roce 1831, ale první průmyslová implementace začala až o 50 let později – první takový závod byl postaven ve Freibergu v roce 1875 (Clemensem Winklerem).[3] Zpočátku se využíval katalyzátor na bázi platiny, ale skutečný průlom v tomto procesu nastal až po zavedení oxidu vanadičného jako katalyzátoru (Chemico 1927). Zatímco v roce 1910 proces s olověnou komorou stále představoval přibližně 75 % produkce v Evropě a Severní Americe, v roce 1930 to bylo méně než 75 % a v roce 1960 pouze kolem 15 %, přičemž se nestavěly téměř žádné nové závody. Dnes byl zcela nahrazen kontaktním postupem.

Proces

V prvním kroku procesu se spalováním síry vzniká oxid siřičitý. Vzduch potřebný pro spalování musí být před použitím dostatečně vysušen, aby se zabránilo korozi systému a deaktivaci katalyzátoru v důsledku jinak vzniklé kyseliny sírové nebo kyseliny siřičité:

S8 (s) + 8 O2 (g) → 8 SO2 (g) ΔH = -2376 kJ.mol−1[4]

Spalování síry probíhá v přebytku vzduchu v peci se žáruvzdornou vyzdívkou za vzniku plynné směsi s asi 10 až 11 % oxidu siřičitého. Po spalování musí být plyn ochlazen na přibližně 410 až 440 °C, aby se dosáhlo teploty pro následný krok katalytické oxidace. Oxid siřičitý lze také získat pražením sulfidických rud.

Výsledný oxid siřičitý se přemění na oxid sírový v rovnovážné reakci s kyslíkem za použití platinového nebo vanadového katalyzátoru (na silikagelu SiO2):

2 SO2 (g) + O2 (g) → 2 SO3 (g) ΔH = -198 kJ.mol−1[4]

Výsledný oxid sírový reaguje s vodou za vzniku kyseliny sírové. Oxid sírový se obvykle rozpouští v kyselině sírové za vzniku olea. Ve většině závodů na výrobu kyseliny sírové je běžnou praxí používat k rozpouštění SO3 přibližně 97 až 99% kyselinu sírovou a upravovat koncentraci této kyseliny sírové přidáním vody tak, aby nevznikala žádná dýmavá kyselina sírová. V některých závodech na výrobu kyseliny sírové se však oleum záměrně vyrábí, které se pak neředí vodou, ale používá se ke speciálním účelům.

Když oxid siřičitý reaguje s kyslíkem za vzniku oxidu sírového, je důležité, aby teplota nepřekročila rozmezí 400–600 °C.

Katalýza

Základním reakčním krokem je oxidace oxidu siřičitého atmosférickým kyslíkem na oxid sírový za použití oxidu vanadičného jako katalyzátoru. Oxid vanadičný není v pórech křemeliny jako nosič obsažen jako pevná látka, ale je rozpuštěn v tavenině alkalického síranu v aktivním stavu. Teplota tání alkalického síranu proto ukazuje spodní mez použití katalyzátoru. Novější vývoj katalyzátorů snižuje tento bod tání a tím i nižší limit použití dopováním cesiem.[5]

Reaktivní látka v katalýze je komplex se složením [(VO)2O(SO4)4]4−. Na nich se nejprve hromadí kyslík a poté oxid siřičitý. Ve dvou krocích reagují celkem dvě molekuly oxidu siřičitého s kyslíkem za vzniku oxidu sírového.[6]

Katalysecyclus bei der Oxidation von Schwefeldioxid

Oxid sírový se zavádí do kyseliny sírové a vzniká oleum, které dále ředí vodou za vzniku koncentrované kyseliny sírové.

Metoda dvojitého kontaktu

Dvojitý kontaktní proces pro výrobu kyseliny sírové je dalším vývojem kontaktního procesu, ale je ziskovější a ekologičtější, a proto se dnes používá v průmyslovém měřítku.

Na rozdíl od jednoduchého kontaktního procesu prochází oxid siřičitý přes tři kontaktní patra a mezilehlý absorbér a poté přes další kontaktní vrstvu. Výsledný oxid sírový se poté rozpustí v kyselině sírové v konečném absorbéru. Moderní zařízení tak dosahují předepsané konverze oxidu siřičitého nejméně 99,8 %.[7]

Literatura

  • Mike Haustein : Kontaktní proces: Inovace saské metalurgie. In: Německá chemická společnost, Sekce pro dějiny chemie, Communications č. 25 (2017), s. 164–189.

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Kontaktverfahren na německé Wikipedii.

  1. ↑ Leonard Friedman, Samantha Friedman, The History of the Contact Sulfuric Acid Process, web archive (PDF; 157 kB).
  2. ↑ Geschichte des Kontaktverfahrens (englisch), Ravensdown, web archive
  3. ↑ David M. Kiefer: Sulfuric acid: Pumping up the volume, ACS
  4. ↑ a b A. F. Holleman, E. Wiberg, N. Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage. Walter de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  5. ↑ Herbert Wiesenberger, Joachim Kircher: Stand der Technik in der Schwefelsäureerzeugung. Umweltbundesamt, Monographien Band 137, Wien, 2001 (Volltext pdf).
  6. ↑ O. B Lapina, B. S Bal'zhinimaev, S Boghosian, K. M Eriksen, R Fehrmann: Progress on the mechanistic understanding of SO2 oxidation catalysts. In: Catalysis Today. Band 51, Nr. 3, 29. Juli 1999, ISSN 0920-5861, S. 469–479, doi:10.1016/S0920-5861(99)00034-6 (elsevier.com [abgerufen am 23. Januar 2025]).
  7. ↑ Martin Bertau, Armin Müller, Peter Fröhlich, Michael Katzberg, Karl Heinz Büchel, Hans-Heinrich Moretto, Dietmar Werner: Industrielle Anorganische Chemie, Wiley-VCH 2013. ISBN 978-3-527-64958-7.

Zdroj