Was ist der Kontaktprozess für Schwefelsäure?
Der Kontaktprozess für Schwefelsäure ist eine mehrstufige Reaktion, die mit rohem Schwefel beginnt und mit konzentrierter Säure endet. Theoretisch kann Schwefel mit Luft zu Schwefeldioxid verbrannt und dann direkt mit Wasser zu Schwefelsäure umgesetzt werden. Dieser Prozess erzeugt viel Wärme, ist chemisch nicht kontrollierbar und wird daher nur selten angewendet. Der Kontaktprozess verwendet Schwefeldioxid, um Schwefeltrioxid zu bilden, das in Schwefelsäure absorbiert wird, um Oleum zu bilden, und dann reagiert ein letzter Schritt Oleum mit Wasser, um Schwefelsäure zu bilden.
Schwefel ist ein gelbes Mineral, das als abgelagerte Schichten im Boden gefunden wird, oft in der Nähe von Vulkanen oder alten Lavabetten. Der Schwefel wird zunächst mit Luft zu Schwefeldioxid verbrannt, einem Molekül aus einem Schwefel- und zwei Sauerstoffatomen. In diese Reaktion eintretende Luft wird durch konzentrierte Säure geblasen, um jegliches Wasser zu entfernen, da Feuchtigkeit im Reaktor Schwefelsäure bildet und überschüssige Wärme und Korrosion verursacht.
Chemische Prozessentwickler kontrollieren die Mengen der Reaktanten sorgfältig, um Mengen nahe an den stöchiometrischen Mengen zu halten. Stöchiometrie ist die Berechnung der Verhältnisse von Molekülen, die für eine optimierte Reaktion ohne Verwendung von überschüssigen Materialien erforderlich sind. Das Halten chemischer Reaktionen in der Nähe der richtigen Verhältnisse senkt die Kosten und verbessert die Ausbeuten, was häufig zu reineren Produkten führt, die weniger Verarbeitung erfordern. Der Kontaktprozess für Schwefelsäure muss auf diese Weise durchgeführt werden, um die Temperaturen zu kontrollieren, da die Reaktionen viel Wärme erzeugen, die das Produkt beeinträchtigen und die Ausrüstung beschädigen kann.
Sobald das Schwefeldioxid den Reaktor verlässt, tritt es in eine zweite Reaktion mit mehr Luft ein, um Schwefeltrioxid zu bilden, das ein zusätzliches Sauerstoffmolekül hinzufügt. Das Kontaktverfahren für Schwefelsäure könnte Schwefeltrioxid direkt mit Wasser reagieren, aber diese Reaktion ist sehr instabil und schwer zu kontrollieren. Schwefelsäure wird mit dem Trioxidmolekül gemischt, das Oleum oder rauchende Schwefelsäure bildet. Oleum ist eine sehr reaktive Säure, die überschüssige Schwefelmoleküle enthält. Sie kann jedoch auf kontrollierte Weise mit Wasser gemischt werden, um Schwefelsäure zu bilden, während die richtigen Temperaturen beibehalten werden.
Jeder Reaktionsschritt mit Luft wird in Gegenwart eines Katalysators durchgeführt, typischerweise Vanadiumoxid. Der Metallkatalysator wird bei der Reaktion nicht verbraucht, sondern unterstützt die Reaktion, indem er bei niedrigeren Temperaturen abläuft, als dies ohne ihn erforderlich wäre. Der Sauerstoffgehalt muss ebenfalls sorgfältig kontrolliert werden, da zusätzliche Luft keine zusätzliche Säure erzeugt, aber die Menge an Schwefeldioxid oder Trioxid verringert, da die überschüssige Luft die Schwefelmoleküle verdünnt. Der Kontaktprozess für Schwefelsäure erzeugt weniger Säure, wenn zusätzlicher Sauerstoff im Prozess zugelassen wird.
Schwefelsäure wird in einer Vielzahl von Stärken oder Konzentrationen verkauft, aber das Kontaktverfahren für Schwefelsäure erzeugt eine hochkonzentrierte Form. Der Versand von konzentrierter Schwefelsäure ist wirtschaftlicher als eine verdünnte Form, da Wasser später nach Bedarf hinzugefügt werden kann, um die gewünschte Festigkeit zu erzielen. Konzentrierte Säure absorbiert auch sehr leicht Wasser. Daher muss während der Produktion und des Versands darauf geachtet werden, dass Wasser oder Außenluft, die die Säure verdünnt und die Korrosion verstärken kann, möglichst gering gehalten werden.