铅室法硫酸的反应机理,一般认为是硝石燃烧生成一氧化氮,然后与空气接触氧化为二氧化氮,二氧化碳作为氧化剂与二氧化硫与水反应生成亚硝基磺酸,亚硝基磺酸水解生成硫酸与二氧化氮,一氧化氮。
这个循环是不是特别熟悉,大家可以注意一下其中氮氧化物的作用,大家可以惊奇地发现,反应过程中严格上是氧做了氧化剂,而氮氧化物在经过一个循环以后实际上没有变化。这是不是非常类似于我们所说的催化剂。当然那个时候化学家还没有这种意识,只是觉得这个反应非常美妙而已,真正催化概念的提出要在30年以后,也就是鸦片战争开始前5年。
现在,我们已经能连续的生成反应的原料了,反应也能连续进行了,反应机理方面也取得了重大进步,这个时候人类又开始动起了歪脑筋,既然前面说了氮氧化物在反应过程中理论上是不消耗的,那么我们能不能让氮氧化物在反应系统内不断循环呢。
想法是非常好的,那么就开始行动吧,首先,我们在铅室后面加个吸收塔吧,把氮氧化物吸收掉,这项工艺最早由法国人盖伊·吕萨克提出,所以这个塔又被称为盖伊·吕萨克塔。这个工艺是提出了一些正确的思考,但是非常遗憾的是氮氧化物尤其是一氧化氮的吸收是不好的。这让我想起了最近的废气处理项目,由于一氧化氮难溶于水,因此必须要使用氧化剂将其氧化为二氧化氮才能进行吸收,从而不得不耗费大量药剂成本。铅室法中也存在这个问题,而即使是二氧化氮在水中溶解度尚可,但是在浓硫酸中吸收效果也是非常差的。因此,只能考虑采用水或者稀硫酸吸收,这样一来,吸收效果是好了,但是用水的吸收氮氧化物后为了重复进行利用,必须将这部分吸收水兑进硫酸里,这样降低了硫酸浓度,后续还要进行浓缩这是不经济的。因此这个技术一直没有长期采用。
盖伊吕萨克,法国著名化学家,在化学方面有非凡的成就,现在的法国有一个由十七所顶尖化学院校组成的组织,被命名为盖伊吕萨克集团。
即使是这样也难不倒人类,在盖伊吕萨克去世9年以后,英国一个管道工人科洛弗提出,在炉子与铅室间加一个塔,这个塔也被称为科洛弗塔。科洛弗塔的原理是,从盖伊吕萨克塔里出来的是稀硫酸同时里面有氮氧化物,我们在科洛弗塔里让这股液体与燃烧生成的二氧化硫,氮氧化物接触,这个过程中二氧化硫发生反应生成一部分硫酸,增加了酸液的浓度,使其成为产品级的浓硫酸。而氮氧化物却由于同高温燃烧气接触释放出来,与未吸收的二氧化硫一同进入铅室。
最终成型的铅室法硫酸工艺,硫化与硝石燃烧生成的混合气在科洛弗塔中与来自盖伊吕萨克塔中的稀硫酸接触,发生一部分反应使稀硫酸增浓,同时蒸出其中的氮氧化物,进入铅室反应,反应后的气体送入盖伊吕萨克塔内用稀硫酸吸收,然后送入科洛弗塔。
此外对于铅室本身也有一系列的改进,首先填料塔技术开始出现,实际上盖伊吕萨克塔就是填料塔,里面采用煤渣作为填料。为了增强气液接触效果,铅室内不再空空如也,而被装填上了陶瓷填料。同时由于钢材的大规模生产,我们可以用钢结构替代木头支撑铅板。随着这一系列的技术改进,到了19世纪末期,欧洲的硫酸产量已经达到百万吨每年。
催化剂的变革——接触法制硫酸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
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。
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。