Wat is het contactproces voor zwavelzuur?
Het contactproces voor zwavelzuur is een meerstapsreactie die begint met ruwe zwavel en eindigt met geconcentreerd zuur. In theorie kan zwavel worden verbrand met lucht om zwaveldioxide te vormen en vervolgens direct met water reageren om zwavelzuur te vormen. Dit proces creëert veel warmte, is niet chemisch controleerbaar en wordt daarom zelden gebruikt. Het contactproces gebruikt zwaveldioxide om zwaveltrioxide te vormen, dat wordt geabsorbeerd in zwavelzuur om oleum te vormen, en vervolgens reageert een laatste stap oleum met water om zwavelzuur te vormen.
Zwavel is een geel mineraal dat in de grond wordt gevonden als afgezette lagen, vaak in de buurt van vulkanen of oude lavabedden. De zwavel wordt eerst verbrand met lucht om zwaveldioxide te vormen, een molecule van één zwavel en twee zuurstofatomen. Lucht die deze reactie binnengaat, wordt door geconcentreerd zuur geborreld om eventueel water te verwijderen, omdat vocht zwavelzuur in de reactor zal vormen en overmatige hitte en corrosie zal veroorzaken.
Ontwerpers van chemische processen regelen zorgvuldig de hoeveelheden reactanten om hoeveelheden dicht bij de stoïchiometrische hoeveelheden te houden. Stoichiometrie is de berekening van de verhoudingen van moleculen die nodig zijn om een geoptimaliseerde reactie te bieden zonder gebruik van overtollige materialen. Het handhaven van chemische reacties in de buurt van de juiste verhoudingen zal de kosten verlagen en de opbrengsten verbeteren, wat vaak leidt tot zuiverdere producten die minder verwerking vereisen. Het contactproces voor zwavelzuur moet op deze manier worden uitgevoerd om de temperatuur te regelen, omdat de reacties veel hitte veroorzaken die het product kan beïnvloeden en apparatuur kan beschadigen.
Zodra het zwaveldioxide de reactor verlaat, treedt het in een tweede reactie met meer lucht om zwaveltrioxide te vormen, wat een extra zuurstofmolecuul toevoegt. Het contactproces voor zwavelzuur kan zwaveltrioxide direct met water laten reageren, maar deze reactie is zeer onstabiel en moeilijk te beheersen. Zwavelzuur wordt gemengd met het trioxide-molecuul, dat oleum of rokend zwavelzuur vormt. Oleum is een zeer reactief zuur dat overtollige zwavelmoleculen bevat, maar het kan op een gecontroleerde manier met water worden gemengd om zwavelzuur te vormen met behoud van de juiste temperaturen.
Elke reactiestap met lucht wordt uitgevoerd in aanwezigheid van een katalysator, typisch vanadiumoxide. De metaalkatalysator wordt niet verbruikt in de reactie, maar helpt door de reactie bij lagere temperaturen te laten plaatsvinden dan zonder deze vereist zou zijn. Het zuurstofgehalte moet ook zorgvuldig worden geregeld, omdat extra lucht geen extra zuur creëert, maar de hoeveelheid zwaveldioxide of trioxide vermindert omdat de overtollige lucht de zwavelmoleculen verdunt. Het contactproces voor zwavelzuur zal minder zuur creëren als extra zuurstof in het proces wordt toegestaan.
Zwavelzuur wordt verkocht in een grote verscheidenheid van sterktes of concentraties, maar het contactproces voor zwavelzuur produceert een zeer geconcentreerde vorm. Geconcentreerd zwavelzuur vervoeren is voordeliger dan een verdunde vorm, omdat water later kan worden toegevoegd indien nodig om de gewenste sterkte te vormen. Geconcentreerd zuur absorbeert ook water zeer gemakkelijk, dus moet tijdens de productie en verzending worden gezorgd om water of buitenlucht te minimaliseren, waardoor het zuur wordt verdund en de corrosie kan toenemen.