催化剂的变革——接触法制硫酸(燃料电池催化剂)


回顾前文,我突然发现了一个巨大的坑,那就是讲硫酸的时候只把铅室法说完了。铅室法在现在已经被淘汰了,我们如今使用的硫酸制备方法以接触法为主。所以本期我们就来说一说接触法制硫酸的历史。

在十九世纪二十年代,盖伊 - 吕萨克对铅室法硫酸工艺进行了深度改进,并且在流程中加入了吸收塔,也就是盖伊 - 吕萨克塔,可以说这个时期铅室法如日中天。但几乎就在同时现代硫酸的的制备方法—接触法的雏形与实验室研究也开始进行了。

让我们稍微回顾一下铅室法硫酸。实质上我们可以把这个反应看做以氮氧化物为催化剂将 SO2 进行氧化生成硫酸的过程。理论上氮氧化物是不被消耗的,但是实际上作为气体它有非常多方式被损失掉。为了弥补氮氧化物的损失我们需要使用大量硝石,同时损失的氮氧化物又是有害气体,因此这个反应是不合理的。

为了对这个过程进行优化,其核心就是找一种绿色环保,效率高的方式将二氧化硫氧化。当然我们很快想到可以通过改进催化剂解决这个问题,恰好催化剂的基本概念在那个时候被提出来了,我们前面说过的氨气氧化反应也是在这个时期发现的。于是乎 1831 年,就有人利用铂作为催化剂,尝试进行二氧化硫氧化。这一试竟然成功,铂可以将二氧化硫氧化成三氧化硫,然后用水吸收就能得到稀硫酸。用铂做催化剂其实很像我们今天很多化工过程的技改,把均相催化剂转变为非均相催化剂,这样就可以避免催化剂与产物分离,催化剂的损失等问题。

当然这个反应要应用到工程上还是有很大麻烦的。首先就是三氧化硫的吸收问题。稍微有点常识的人都知道,三氧化硫是无法用水吸收的,由于三氧化硫与水反应生成硫酸的过程会放出大量热量,导致水分蒸发形成酸雾,实际上吸收效果非常差。当然解决这个问题并不难,我们可以用浓硫酸对三氧化硫进行吸收,得到 98.6%浓硫酸或发烟硫酸然后加入少量水得到重新得到 98%硫酸,作为循环液进行吸收。

常见 SO3 吸收流程,对于 SO3 吸收过程,低浓度下水容易进入气相与 SO3 结合形成酸雾,SO3 浓度过高则自身会挥发的气相,因此 98.3%是最合适的吸收浓度。由于吸收前后硫酸浓度变化不大,因此实际上吸收过程中液气比非常大这样就减小了热效应的影响。

解决了硫酸吸收问题这个流程基本上打通了,到了 1875 年,第一套接触法硫酸投入生产。但是接触法的出现并没有代替铅室法,主要的问题还是在催化剂上。我们知道这时候的催化剂是铂,铂催化剂的特点就是催化活性非常高,缺点就是非常娇贵容易失活的。一般来说用贵金属催化剂的流程前置流程尽可能“干净”一些。就比如说在有机合成的时候,如果流程里面有加氢,那么就要尽量避免前面有一些类似硝化这种肮脏的反应,硝化副产物太多,指不定哪个就对催化剂有毒害。一些纯化与分离流程也需要放在加氢前面。

这个时期的接触法就存在这个问题,我们知道接触法一般用硫铁矿燃烧生成二氧化硫。既然铁矿,矿石里伴生硫与者砷等元素是非常正常的,经过燃烧过程这些元素就会以各种形式被释放出来,而硫与砷这都是著名的催化剂毒剂。铂催化剂本身就非常贵重再加上失活导致寿命有限整个生产成本并不低,因此这一时期的铅室法仍然占据主导地位。随后的时间,人们不短的尝试对二氧化硫气体进行净化,主要是除尘以后用硫酸与水进行洗涤,尽可能的去除其中的污染物质。于此同时接触法缓慢发展,到 20 世纪初已经部分替代了铅室法。

二氧化硫发生有黄铁矿与硫磺两种,前者杂质较多处理更加复杂一般包括除尘,酸洗,干燥,除雾等过程。除尘利用旋风分离器除去较大颗粒,细小颗粒用电除尘器去除。酸洗的目的在于去除气体中的砷与硒的氧化物。电除雾器用于去除水洗过程中产生的酸雾,经处理后的气体经过干燥进入接触塔。

真正的接触法硫酸的革命性进步在于五氧化二矾催化剂的出现,我们知道 20 世纪初是金属氧化物催化剂的发展时期,对于接触法科学家们终于在 1914 年找到了廉价的五氧化二钒催化剂。在五氧化二钒的催化下,SO2 的最适宜温度为 400-500℃,进口 SO2 浓度在 7%左右,转化率可达 97%以上。五氧化二钒催化剂最大的有点就是便宜皮实,成本上比身为贵金属的铂不知道下降了多少,抗污染能力上氧化物催化剂更是普遍强于贵金属。此外由于 SO3 的合成反应转化率非常高,而且不含杂质气体,最终可以得到非常高纯度的浓硫酸,因此在随后的时间接触法逐渐取代铅室法。到了 20 世纪 50 年代后,铅室法以及后期的塔室法基本被取代,接触法成为现代硫酸生产的主流。

同氨氧化反应类似,SO2 氧化也会发出巨大热量因此需要对反应进行分段,每段之间对气体进行冷却,按照冷却方式又有多种类型,在反应器里设置冷却管的叫内部冷却式,把反应气体引出来用换热器冷却的叫外部冷却式。直接在两段催化剂之间通入冷的 SO2 叫做激冷式。
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