Procés de contacte

El procés de contacte és un procés per a la producció d'àcit sulfúric per mig d'un catalisador (usualment, pentóxido de vanadi en sílice). El método ho va patentar Peregrine Phillips en 1831. S'ha aplicat a escala industrial, este método ha evolucionat i s'ampra la versió doble més rendable i ecològica. Anteriorment també s'utilisava el procés de cambres de plom i el procés del vitriolo.

Descripció del procés

En el primer pas és produir diòxit de sofre per la combustió de sofre en l'oxigen del aire. L'aire amprat en la combustió deu ser lo suficientment sec, per a evitar la corrosió i la desactivació del catalisador, en lo que el producte resultant seria anhídrit sulfuroso.

$\mathrm{S}\mathrm{(}\mathrm{s}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{\to }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}$ $\Delta H=-298\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

La combustió de sofre està en excés d'aire en un forn en un revestiment refractario a un gas en aproximadament 10 a 11% de contingut de sofre. La temperatura del gas despuix de la combustió deu baixar-se fins a aproximadament 410 a 440 °C per a la subsegüent etapa de l'oxidació catalítica.

El diòxit de sofre també es pot produir torrant minerals sulfur com la pirita.

$\mathrm{2}\mathrm{F}\mathrm{e}{\mathrm{S}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{5},\mathrm{5}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{F}{\mathrm{e}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}$

El diòxit de sofre reacciona en oxigen en presència d'un catalisador, de platí - o vanadi - (en gel de sílice SiO₂), en una reacció d'equilibri a trióxido de sofre. La missió del catalisador és aumentar la velocitat de reacció pero no canvia el punt d'equilibri. D'acort en el principi de li Chatelier, una temperatura més baixa desplaça l'equilibri químic cap a la dreta, per lo tant, aumenta el rendiment percentual. Si en baixar la temperatura també baixa la velocitat de formació podent aplegar a un nivell antieconòmic. Com a compromís entre els dos condicionants les altes temperatures se situa entorna als 450 °C, les pressions miges entre 1 a 2 atm. Com la reacció és exoterma despuix de passar per una font de catalisador el gas es trau del reactor i es gela fins als 400 °C abans de tornar a introduir-ho, per a conseguir el procés lo més isoterm possible.

$\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}$ $\Delta H=-196\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Encara que es podria fer reaccionar el trióxido de sofre resultant en aigua per a formar àcit sulfúric.

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}$ $\Delta H=-132\mathrm{k}\mathrm{J}/\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{l}$

Pero no es fa degut a que és una reacció fortament exotèrmica i faria hervir la mescla produint vapors o boires àcides. En el seu lloc s'aprofita que el SO₃ té una major solubilidad en H₂SO ₄ que en l'aigua. Açò crea óleum (també conegut com a àcit sulfúric fumante):

$\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{g}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}\mathrm{\to }{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\cdot }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}$

Este es pot mesclar en aigua per a obtindre el doble d'àcit sulfúric.

${\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\cdot }\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}\mathrm{+}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}\mathrm{\to }\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{4}}\mathrm{(}\mathrm{l}\mathrm{)}$

Com a norma les plantes d'àcit sulfúric més, que la solució de SO₃ sobre 97 a 99% de força s'utilisa àcit sulfúric, i la concentració d'àcit sulfúric per adició d'aigua s'ajusta de modo que no es forme res d'àcit sulfúric fumante. En algunes plantes d'àcit sulfúric també es fa conscient de óleum, que després no es diluïx en aigua, sino que s'utilisa per a usos específics.

És important que en la reacció de diòxit de sofre en oxigen per a donar trióxido de sofre la temperatura no ixca del ranc de 400-700 °C. Per baix dels 400 °C el catalisador no és efectiu i per damunt de 700 °C els materials del reactor sofrixen massa estrés.

Catálisis

L'etapa de reacció essencial és l'oxidació de diòxit de sofre en aire oxigen a trióxido de sofre en l'ajuda un catalisador. El millor és el platí pero té dos inconvenients que fa que no s'ampre, el primer, és molt susceptible a l'impurees especialment d'arsènic i s'enverina ràpidament i el segon, és molt car. Per això el catalisador amprat normalment és el pentóxido de vanadi. L'empresa BASF va patentar l'ocupació de pentóxido de vanadi en 1913 Els reactors solen tindre quatre fonts de reacció. Com la reacció és exotèrmica a l'eixida de cada font el gas s'envia a un bescanviador de calor per a disminuir la temperatura i entre en la següent font a la temperatura òptima.

El pentóxido de vanadi es troba en els poros de la terra de diatomeas inclou com un sòlit, pero es dissol en l'estat actiu en una massa fosa de sulfat de metal alcalino. La temperatura de fusió del sulfat de metal alcalino, per lo tant, és llímit inferior de funcionament del catalisador. S'estudia l'ocupació de catalisador de cesi que té una temperatura llímit inferior més avall, lo que permet disminuir la temperatura final dels gasos i no fer sofrir a l'acer tant estrés.

Es pot considerar que el procés de catálisis ocorre en dos etapes en un total de dos molècules de diòxit de sofre per a reaccionar en l'oxigen a trióxido de sofre. El mecanisme de l'acció del catalisador comprén dos passos:

1. L'oxidació de el SO₂ en SO₃ per V⁵⁺ :

$\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{V}}^{\mathrm{5}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{2}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{V}}^{\mathrm{4}\mathrm{+}}$

2. L'oxidació de V 4 + nou en V 5 + per l'oxigen (regeneració del catalisador):

$\mathrm{4}{\mathrm{V}}^{\mathrm{4}\mathrm{+}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\to }\mathrm{4}{\mathrm{V}}^{\mathrm{5}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{O}}^{\mathrm{2}\mathrm{-}}$

Pero el procés real és alguna cosa més complex passant per un complex de composició [(VO)₂O(SO₄)₄]^4-. En est l'oxigen es deposita primer, seguit pel diòxit de sofre.

Katalysecyclus bei der Oxidation von Schwefeldioxid

Katalysecyclus bei der Oxidation von Schwefeldioxid

A voltes també s'ampra òxit de ferro com a catalisador pero s'obté pijors resultats.