تولید اسید سولفوریک
اسید سولفوریک به عنوان یکی از مواد اولیه پرکاربرد در کارخانههاست که از میان، میتوان شرکتهای تولید مواد دارویی و تولید صابون، پالایشگاههای نفت، کارخانههای تولید الکل، تصفیهخانههای آب، کارخانههای تولید کاغذ و … را نام برد.گفتنی است که در تمام مواردی که نیاز به کنترل pH یا تولید ترکیبهای سولفاتدار باشد از این ماده استفاده میشود. در این مقاله سعی داریم یکی از روشهای تولید اسید سولفوریک که در بسیاری از کشورها، به ویژه در کشور خودمان اجرا میشود آشنا شویم.
روش تولید اسید سولفوریک
به طور کلی فرایند تولید اسید سولفوریک چهار مرحله دارد:
الف) استخراج گوگرد
ب) تبدیل گوگرد به گوگرد دی اکسید
ج) تبدیل گوگرد دی اکسید به گوگرد تری اکسید
د) تبدیل گوگرد تری اکسید به اسید سولفوریک
یکی از مهمترین منابع تهیه گوگرد نفت و گاز طبیعی است. ترکیبات حاوی گوگرد هم به شکل ترکیبات آلی و هم هیدروژن سولفید، هر دو باید از نفت یا گاز طبیعی که قرار است به عنوان سوخت یا مواد خام شیمیایی به کار روند، زدوده شوند. یکی دیگر از منابع گوگرد به شکل گوگرد دی اکسید حاصل تصفیه فلزات است. بسیاری از سنگ معادن فلزات به شکل ترکیبات سولفیدی هستند که پس از حرارت دادن اکسید فلزات و گوگرد دیاکسید تولید میشود برای مثال در تولید سرب:
۲PbS(s) + 3O2 → ۲PbO(s) + 2SO2
از دیگر فلزاتی که از سنگ معادن سولفیدی استحصال میشوند مس، روی و نیکل میتوان نام برد. در سراسر جهان حدود ۳۵ درصد از گوگرد تولید شده از حرارت دادن سنگ معادن سولفیدی و به شکل گوگرد دی اکسید بدست میآید و استفاده از این روش در حال افزایش است. به طور خاص کشور چین حجم زیادی از اسید سولفوریک را از سنگ چخماق و سنگ معدن سولفیدی آهن تولید میکند.
در روش مرسوم، نخست گوگرد با خلوص بالا را با گرم کردن غیر مستقیم، به وسیله کویل بخار، به حالت مایع در میآورند. گوگرد در دمای ۱۵۰ درجه سانتی گراد به حالت مایع در میآید. و به راحتی میتوان آن را به کمک پمپ مخصوص، جهت سوزاندن به درون کوره احتراق انتقال داد. مقدار جرم گوگرد مذاب منتقل شده به درون کوره احتراق باید تنظیم شود. این عمل به دو روش زیر انجام میشود:
- کنترل مسیر برگشتی به درون حوضچه
- تنظیم سوزن مشعل کوره
با توجه به گنجایش هر کوره، به ازای هر تن اسید ۹۸ درصد، ۲۰۰ کیلوگرم گوگرد وارد کوره میشود. گوگرد در کوره احتراق در دمای ۱۰۰۰-۹۵۰ درجه سانتی گراد به گوگرد دیاکسید تبدیل میشود:
S + O2 → SO2 + q
اکسیژن از طریق هوای فشرده توسط دمنده هوا تامین میشود و پیش از ورود به کوره، برای جلوگیری از پایین آمدن دمای کوره، توسط مبدل گرمایی تا دمای ۱۵۰ درجه سانتی گراد گرم میشود.
در برج مخصوص کاتالیزگر، تبدیل SO2 به SO3 انجام میشود. کاتالیزگر در این برج وانادیم پنتااکسید است که درون برج به صورت چهارلایه قرار دارد. هر دو لایه، متصل به هم بوده، تنها با یک صفحه فلزی مشبک، از هم جدا شدهاند. مقدار کاتالیزگر در این چهار لایه متفاوت است. لایه چهارم که پایینترین لایه است شامل ۷۰ درصد کاتالیزگر بوده، بقیه لایهها به ترتیب ۲۰، ۷ و ۳ درصد کاتالیز در بردارند. مقدار کل کاتالیزگر به ازای هر تن اسید ۹۸ درصد ۲۰۰ کیلوگرم است. گاز SO2 تولید شده دمای بالایی دارد و اگر با این دما وارد برج کاتالیزگر شود موجب تخریب کاتالیزگر میشود. بنابراین پیش از ورود به برج دمای آن باید کاهش یابد. برای این کار پیش از ورود این گاز به برج نخست آن را وارد دیگ تولید بخار میکنند. تا گرمای خود را به آب درون دیگ منتقل کرده، تا دمای ۵۰۰ درجه سانتی گراد خنک شود. در این مرحله احتمال وجود، ذره های گرد و غبار وسیلیس و عنصرهایی همچون سرب و آرسنیک (ناخالصی های احتمالی گوگرد) در گاز حاصل از احتراق هست که برای جلوگیری از ورود آنها به برج کاتالیزگر، باید گاز را از صافی سیلیسی ویژه گذراند. در این صافی افزون بر به دام انداختن ناخالصیها، با تزریق هوای خشک و خنک به گاز، کمبود اکسیژن نیز برطرف شده ، دما به ۴۵۰ درجه سانتی گراد میرسد که دمایی مناسب برای ورود به برج کاتالیزگر است.تبدیل SO2 به SO3 در برج کاتالیزگر گرماده است.
SO2 +1/2 O2 → SO3 + q
گرمای ایجاد شده در جریان این واکنش ، به کاتالیزگر آسیب وارد میکند برای جلوگیری از این مشکل گاز SO3 وارد مبدل گرمایی میشود و تا دمای ۴۵۰ درجه سانتی گراد خنک میشود. همچنین افزایش دما افزون بر تخریب کاتالیزگر موجب برگشت گرمای واکنش یادشده در جهت تولید گاز SO2 میشود.
گاز SO3 تولید شده، هنوز مقداری SO2 به همراه دارد و باید از لایه های سوم و چهارم کاتالیزگر بگذرد تا SO2 باقی مانده در آن به SO3 تبدیل شود. SO3 بیرون آمده از لایهی چهارم وارد مبدل گرمایی دیگری شده، تا ۲۴۰ درجه سانتی گراد خنک میشود. آنگاه وارد برج اولئوم و سرانجام وارد برج اسید میشود.
در برجها گاز SO3 و اسید، در خلاف جهت یکدیگر حرکت میکنند به این ترتیب که اسید به صورت پاششی از بالای برج به پایین حرکت میکند و گاز از پایین، روانهی بالای برج میشود. طی این حرکت گاز SO3 جذب اسید شده، اولئوم یا اسید سولفوریک دودکننده ایجاد میکند که که همان اسید با درصد بالایی از SO3 است.
SO3 +H2O →H2SO4 + q
H2SO4 + SO3→ H2S2O7
چنان که مشاهده می شود بنا به قانون شارل- گیلوساک، گرما به موجب بازگشت واکنش به سمت تولید گاز SO3 میشود. برای جلوگیری از این عمل ، اسید پیش از ورود به برج وارد دستگاه خنک کننده میشود تا دمای خود را از دست بدهد و به دمای۶۰-۵۰ درجه سانتی گراد برسد.
تولید سالانه اسید سولفوریک
اعلام شده توسط کشور روسیه۲۰۱۱
جهان | ۲۰۰ میلیون تن |
اروپا | ۱۹ میلیون تن |
آمریکا | ۸/۳۵ میلیون تن |
روسیه | ۶/۸ میلیون تن |