2 روش تولید اسید سولفوریک

اسید سولفوریک (H₂SO₄)، که با نام‌ جوهر گوگرد نیز شناخته می‌شود، یکی از مهم‌ترین و پرمصرف‌ترین مواد شیمیایی در صنایع مختلف است.

این اسید قوی معدنی، نقش حیاتی در تولید کودهای شیمیایی، مواد شوینده، رنگ‌ها، داروها، باتری‌ها و بسیاری از فرآیندهای صنعتی دیگر ایفا می‌کند. اهمیت استراتژیک این ماده به حدی است که میزان تولید آن به عنوان شاخصی از توسعه صنعتی یک کشور تلقی می‌شود.

روش تولید اسید سولفوریک

روش تولید اسید سولفوریک به دو صورت است: روش تماسی و روش محفظه‌ای 

امروزه، روش تماسی به دلیل بازدهی بالاتر و تولید اسید با غلظت و خلوص بیشتر، روش غالب و استاندارد صنعتی محسوب می‌شود.

روش تماسی (Contact Process)

روش تماسی، یک فرآیند چند مرحله‌ای است که شامل تولید دی‌اکسید گوگرد، اکسیداسیون کاتالیزوری آن به تری‌اکسید گوگرد و در نهایت جذب تری‌اکسید گوگرد در اسید سولفوریک غلیظ است. مراحل این فرآیند به شرح زیر است:

مرحله اول: تولید دی‌اکسید گوگرد (SO₂) – اکسیداسیون گوگرد یا سولفید فلزی

اولین گام، تولید گاز دی‌اکسید گوگرد است. این گاز می‌تواند از طریق روش‌های زیر به دست آید:

سوزاندن گوگرد عنصری: این روش رایج‌ترین و ارجح‌ترین روش به دلیل خلوص بالای SO₂ تولیدی است. گوگرد مذاب (S) در کوره با هوای خشک (O₂) واکنش داده و دی‌اکسید گوگرد تولید می‌کند: S

(l)​+O2(g)​⟶SO2(g)​

سوزاندن پیريت (سولفید آهن) یا سایر سولفیدهای فلزی: این روش بیشتر در گذشته رایج بوده است، اما هنوز هم در برخی نقاط که ذخایر پیريت غنی هستند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.

 4FeS2(s)​+11O2(g)​⟶2Fe2​O3(s)​+8SO2(g)​

گاز SO₂ حاصل از این فرآیند اغلب حاوی ناخالصی‌هایی مانند گرد و غبار، بخار آب، آرسنیک و سایر ترکیبات است که باید قبل از مرحله بعدی حذف شوند.

مرحله دوم: تصفیه گاز دی‌اکسید گوگرد

گاز SO₂ تولید شده، به خصوص در روش سوزاندن پیريت، باید تصفیه شود تا از آسیب دیدن کاتالیزور در مراحل بعدی جلوگیری شود. این مرحله شامل چند بخش است:

فیلتراسیون (گرد و غبار): گاز داغ از سیکلون‌ها و محفظه‌های رسوب‌گیر عبور می‌کند تا ذرات جامد و گرد و غبار جدا شوند.

شستشو (Washing): گاز وارد برج‌های شستشو می‌شود که در آن آب یا اسید سولفوریک رقیق اسپری می‌شود تا ذرات باقی‌مانده و برخی ناخالصی‌های گازی حذف شوند.

خشک کردن (Drying): گاز مرطوب پس از شستشو، وارد برج‌های خشک‌کن می‌شود که در آن با اسید سولفوریک غلیظ تماس پیدا می‌کند. اسید سولفوریک یک عامل خشک‌کننده قوی است و رطوبت را جذب می‌کند. وجود رطوبت باعث غیرفعال شدن کاتالیزور و خوردگی تجهیزات می‌شود.

تصفیه نهایی (Purification): در صورت لزوم، گاز از فیلترهای الکترواستاتیکی (Electrostatic Precipitators) عبور داده می‌شود تا آخرین ذرات جامد و ذرات مه اسیدی حذف شوند.

مرحله سوم: اکسیداسیون کاتالیزوری دی‌اکسید گوگرد به تری‌اکسید گوگرد (SO₃)

این مرحله، قلب فرآیند تماسی است و در یک مبدل کاتالیزوری (Converter) صورت می‌گیرد. گاز SO₂ خشک و تمیز، همراه با هوای اضافی، از روی یک کاتالیزور عبور داده می‌شود.

واکنش: 2SO2(g)​+O2(g)​⇌2SO3(g)​ΔH=−196kJ/mol

کاتالیزور: رایج‌ترین کاتالیزور مورد استفاده، پنتا اکسید وانادیم (V₂O₅) است که روی پایه سیلیس یا سرامیک قرار گرفته است. در گذشته از کاتالیزور پلاتین (Pt) نیز استفاده می‌شد، اما به دلیل قیمت بالا و حساسیت به ناخالصی‌ها، استفاده از آن کمتر شده است.

شرایط واکنش: این واکنش یک واکنش برگشت‌پذیر و گرمازا است. برای شیفت دادن تعادل به سمت راست (تولید SO₃ بیشتر) و افزایش بازده، از دماهای بهینه استفاده می‌شود. دمای اولیه حدود 400−450∘C است. با توجه به گرمازا بودن واکنش، دمای راکتور در طول فرآیند افزایش می‌یابد. راکتورهای صنعتی معمولاً دارای چندین بستر کاتالیزوری با خنک‌کننده‌های بینابینی برای کنترل دما و حفظ بازده بهینه هستند. فشار عملیاتی معمولاً نزدیک به فشار اتمسفر یا کمی بالاتر است.

مرحله چهارم: جذب تری‌اکسید گوگرد در اسید سولفوریک (تولید اولئوم یا اسید غلیظ)

تری‌اکسید گوگرد (SO₃) تولید شده، به طور مستقیم در آب حل نمی‌شود؛ زیرا با آب واکنش شدیدی می‌دهد و مه اسیدی تشکیل می‌دهد که جداسازی آن دشوار است. به همین دلیل، SO₃ را در اسید سولفوریک غلیظ (معمولاً 98%) جذب می‌کنند تا اولئوم (Oleum) یا اسید سولفوریک دودکننده (Fuming Sulfuric Acid) تولید شود. اولئوم در واقع محلولی از SO₃ در H₂SO₄ است که فرمول آن H₂S₂O₇ نیز می‌تواند باشد.

واکنش جذب:

SO3(g)​+H2​SO4(l)​⟶H2​S2​O7(l)​ (اولئوم)

برج جذب: این فرآیند در برج‌های جذب (Absorption Towers) انجام می‌شود که در آن اولئوم یا اسید سولفوریک غلیظ از بالا اسپری می‌شود و گاز SO₃ از پایین وارد می‌شود.

مرحله پنجم: رقیق‌سازی اولئوم برای تولید اسید سولفوریک با غلظت دلخواه

اولئوم تولید شده سپس با مقدار دقیقی از آب رقیق می‌شود تا اسید سولفوریک با غلظت‌های مورد نیاز صنعتی (معمولاً 98%) به دست آید.

H2​S2​O7(l)​+H2​O(l)​⟶2H2​SO4(l)​

روش دابل کانتکت 

برای افزایش بازده کلی فرآیند، بسیاری از کارخانجات از روش “دابل کانتکت” استفاده می‌کنند. در این روش، پس از بخش اول واکنش اکسیداسیون (SO₂ به SO₃)، گازها به برج جذب میانی فرستاده می‌شوند تا بخشی از SO₃ تولید شده جذب شود.

سپس، گازهای باقی‌مانده (حاوی SO₂ واکنش نداده) دوباره به بخش دوم مبدل کاتالیزوری بازگردانده می‌شوند تا SO₂ بیشتری به SO₃ تبدیل شود. این فرآیند باعث افزایش بازده کلی به بیش از 99.5% می‌شود و انتشار SO₂ به محیط زیست را به حداقل می‌رساند.

روش محفظه‌ای (Lead Chamber Process)

این روش، قدیمی‌ترین روش صنعتی تولید اسید سولفوریک است که در اوایل قرن 18 توسعه یافت. اگرچه امروزه عمدتاً با روش تماسی جایگزین شده است، اما از نظر تاریخی اهمیت دارد و هنوز در برخی نقاط با ظرفیت‌های پایین‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در این روش، از اکسیدهای نیتروژن (NO و NO₂) به عنوان کاتالیزور استفاده می‌شود و واکنش‌ها در محفظه‌های بزرگی از جنس سرب (مقاوم در برابر اسید) صورت می‌گیرد. اسید تولیدی در این روش غلظت کمتری (حدود 70-80%) دارد و خلوص آن نیز پایین‌تر است.

مراحل اصلی:

1. تولید SO₂: مشابه روش تماسی، با سوزاندن گوگرد یا پیريت.
2. واکنش در محفظه‌های سربی: گاز SO₂، اکسیژن، بخار آب و اکسیدهای نیتروژن (کاتالیزور) وارد محفظه‌های سربی می‌شوند. واکنش‌های پیچیده‌ای شامل تولید واسطه‌های نیتروزیل سولفوریک اسید (NOHSO₄) اتفاق می‌افتد.
3. تولید اسید رقیق: اسید سولفوریک رقیق در کف محفظه‌ها جمع می‌شود.
4. تغلیظ اسید: اسید رقیق تولید شده باید در مراحل بعدی تغلیظ شود که نیازمند انرژی زیادی است.

اهمیت زیست محیطی

تولید اسید سولفوریک، به ویژه فرآیند تماسی، دارای ملاحظات زیست‌محیطی مهمی است. انتشار گاز دی‌اکسید گوگرد (SO₂) به اتمسفر یکی از نگرانی‌های اصلی است که می‌تواند منجر به باران اسیدی و مشکلات تنفسی شود.

به همین دلیل، استفاده از روش دابل کانتکت و سیستم‌های تصفیه گاز خروجی برای حذف SO₂ باقیمانده، از الزامات سختگیرانه زیست‌محیطی در صنعت مدرن است.

جمع بندی

روش تماسی، با پیشرفت‌های تکنولوژیکی و استفاده از کاتالیزورهای کارآمد و سیستم‌های دابل کانتکت، به عنوان بهترین و اصلی ترین روش تولید اسید سولفوریک در مقیاس صنعتی شناخته می‌شود.

این فرآیند پیچیده و دقیق، تضمین‌کننده تولید یکی از حیاتی‌ترین مواد شیمیایی جهان است که نقشی محوری در توسعه اقتصادی و صنعتی ایفا می‌کند.