Из серосодержащего сырья получают оксид серы (IV).
а) При использовании железного колчедана протекает реакция:
4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2 + Q
Это реакция необратимая, экзотермическая, гетерогенная, идет между газом и твердым веществом. Для интенсификации процесса используется измельчение сырья для увеличения поверхности контакта, чистый кислород, противоток.
Измельчённый очищенный влажный (после флотации) железный колчедан сверху засыпают в печь для обжига. Снизу (принцип противотока) пропускают воздух, обогащённый кислородом, для более полного обжига пирита. Температура в печи для обжига достигает 8000С. Твердая масса раскаляется докрасна и находится в "подвешенном состоянии" из-за продуваемого снизу воздуха. Это похоже на кипящую жидкость и называется кипящий или псевдоожиженный слой. За счёт выделяющейся теплоты в результате реакции поддерживается температура в печи. Избыточное количество теплоты отводят: по периметру печи проходят трубы с водой, которая нагревается.
Образовавшийся оксид железа Fe2O3 (огарок) в производстве серной кислоты не используют. Но его собирают и отправляют на металлургический комбинат, на котором из оксида железа получают металл железо и его сплавы с углеродом - сталь (2% углерода в сплаве) и чугун (4% углерода в сплаве).
Из печи выходит обжиговый газ, состав которого: SO2, O2, пары воды и мельчайшие частицы огарка (в основном оксида железа). Такой газ необходимо очистить от примесей твёрдых частиц огарка и паров воды.
Очистка обжигового газа от твёрдых частичек огарка проводят в несколько этапов - в циклоне, на волокнистом фильтре и в электрофильтрах. Выделение тумана серной кислоты происходит при пропускании газа через волокнистый фильтр, промывные башни и мокрый электрофильтр. Для удаления паров воды из обжигового газа используют серную концентрированную кислоту. Обжиговый газ после очистки представляет собой смесь оксида серы SO2 и кислорода О2.
б) при использовании элементарной серы первая стадия – получение обжигового газа - осуществляется в печах особой конструкции. При сжигании серы образуется повышенное содержание оксида серы (IV) в печном газе. Химическая реакция:
S + O2 SO2 + Q
Последующие стадии (окисление серы и получение серной кислоты) не зависят от того, что использовалось в качестве сырья: серный колчедан или природная сера.
II. Окисление оксида серы (IV) в оксид серы (VI).
Реакция протекает в контактном аппарате с использованием катализатора из оксида ванадия (V205).
2SO2 + O2 2SO3 + Q
Это реакция обратимая, экзотермическая, гетерогенная, каталитическая. Оптимальными условиями является постепенное снижение температуры с 600 до 400-450 oC для смещения равновесия в сторону продукта – серного ангидрида S03. В качестве катализатора используют оксид ванадия(V) V2O5.
Процесс проводят при повышенном давлении. Прежде чем смесь SO2 и O2 попадёт в контактный аппарат, её необходимо нагреть до температуры 400-500°С. Нагрев смеси начинается в теплообменнике, который установлен перед контактным аппаратом. Смесь проходит между трубками теплообменника и нагревается от этих трубок. Внутри трубок проходит горячий SO3 из контактного аппарата. Попадая в контактный аппарат смесь SO2 и О2 продолжает нагреваться до нужной температуры, проходя между трубками в контактном аппарате. Температура 400-5000С в контактном аппарате поддерживается за счёт выделения теплоты в реакции превращения SO2 в SO3. Как только смесь оксида серы и кислорода достигнет слоёв катализатора, начинается процесс окисления SO2 в SO3. Образовавшийся оксид серы SO3 выходит из контактного аппарата и через теплообменник попадает в поглотительную башню.
III. Образование серной кислоты.
SO3 + H2O H2SO4+ Q
Реакция практически необратимая, гетерогенная, экзотермическая. При взаимодействии оксида серы (VI) с водой выделяется так много теплоты, что мельчайшие капли серной кислоты образуют трудно улавливаемый туман. Для улавливания тумана газовую смесь пропускают не через воду, а через концентрированный раствор серной кислоты. Полученный олеум представляет собой серную кислоту, в которой растворен оксид серы (VI).
Для того, чтобы не образовывалось сернокислотного тумана, используют 98%-ную концентрированную серную кислоту. Оксид серы очень хорошо растворяется в такой кислоте, образуя олеум: H2SO4· nSO3.
Уравнение реакции этого процесса:
nSO3 + H2SO4 H2SO4·nSO3
Образовавшийся олеум сливают в металлические резервуары и отправляют на склад. Затем олеумом заполняют цистерны, формируют железнодорожные составы и отправляют потребителю.