Вильгельм Штрубе - Пути развития химии. Том 2. От начала промышленной революции до первой четверти XX века

В результате после всех усовершенствований процесс получения серной кислоты протекал следующим образом. При 400-500° С происходил обжиг серного колчедана в обжиговых, или "колчеданных", печах. Обжиговый газ, содержавший около 7% диоксида серы, очищался от примесей в пылеуловительных камерах и направлялся в башню Гловера, наполненную шамотом. В башне Гловера обжиговый газ (7% SО 2, 8% О 2, 85% N 2) пропускался противотоком через серную кислоту, насыщенную оксидами азота, т. е. через нитрозил-серную кислоту, поступавшую туда из башни Гей-Люссака. Он насыщался при этом оксидами азота, после чего поступал в свинцовые камеры. Одновременно в эти камеры поступала вода, и благодаря каталитическому действию оксидов азота происходило образование триоксида серы при 80° С в первой камере и при 50° С во второй; растворяясь в воде, триоксид серы превращался в серную кислоту: 2Н 2О + O 2+ 2SO 2= 2H 2SO 4. "Камерная" кислота, собирающаяся в нижней части свинцовых камер, имела концентрацию от 56 до 70% и вытекала через свинцовые трубы. Нитрозные, газы, охлажденные в третьей камере до наружной температуры, направлялись в башню Гей-Люссака, в которой они поглощались движущейся им навстречу серной кислотой, образуя "нитрозную" кислоту. Последняя, разбавленная "камерной" кислотой и смешанная (пропорционально расходу оксидов азота) с азотной кислотой, попадала в башню Гловера. Здесь вновь протекал описанный выше процесс, длящийся непрерывно в течение ряда лет.

"Камерная" кислота использовалась для многих промышленных производств, например для получения суперфосфата, сульфатов аммония и натрия, соляной кислоты. Она служила для процессов осаждения, очистки металлов и частично для получения азотной кислоты из чилийской селитры. Для получения серной кислоты, необходимой при производстве красителей, взрывчатых веществ, нефтяных продуктов, ее концентрацию повышали различными способами до 96% [103, с. 452 и сл.].

Наряду с английской "камерной" кислотой существовала также более концентрированная "саксонская" кислота, или олеум (дымящая концентрированная серная кислота). В начале XIX в. в сернокислотном производстве самой крупной была фирма Иоганна Давида Штарка из Богемии, которая располагала обширными и географически выгодно расположенными месторождениями купороса и до конца XIX в. была в состоянии полностью удовлетворять потребности промышленности в концентрированной серной кислоте.

Производство серной кислоты камерных (А) и контактным (Б) способами (Брокгауз, 1929 г.). А: 1 — печь для обжига колчедана; 2 — камера для очистки газов от пыли; 3 — башня Гловера; 4, 5 — свинцовые камеры; 6 — башни Гей-Люссака; 7-10 — автоклавы; Б: 1 — печь для обжига колчедана; 2 — камера для очистки газов от пыли; 3 — башня для охлаждения газов; 4 — скруббер; 5 — осушительная башня; 6 — насосы; 7 — печь для предварительного обогрева; 8 — контактный аппарат; 9 — поглотительная башня; 10 — резервуар для серной кислоты

Тем не менее уже в течение десятков лет в XIX в. химики искали новые способы получения дымящей серной кислоты. Так, в 1831 г. Перегрин Филипс наблюдал, что диоксид серы мгновенно реагирует с кислородом воздуха, если оба эти газа в соответствующих соотношениях пропускать с помощью воздухонагнетателя через раскаленную трубку из платины, фарфора или другого материала, устойчивого к действию горячего серного ангидрида. Необходимо было только, чтобы в трубке находилась платиновая проволока или маленькие кусочки платины. Образующийся при этом триоксид серы поглощался затем в обшитой свинцом и наполненной шамотом башне, в которой сверху вниз стекала вода.

В лабораторных условиях этот синтез хорошо осуществлялся. Однако попытки провести его в большем масштабе оканчивались неудачей. Кроме того, метод был сложен и дорог и поэтому казался не пригодным для промышленного производства. Несмотря на это, постоянно проводились все новые и новые работы по его совершенствованию. В качестве катализаторов химики испытывали разнообразные контактные массы из платинированного асбеста и пемзы, раскаленные фарфоровые трубки, кремневую кислоту, оксиды меди, железа и другие вещества. Но все было напрасно. Правда, таким образом накапливались данные о природе катализаторов и их свойствах. Было замечено, что некоторые вещества заметно ускоряют взаимодействие диоксида серы с кислородом, однако этот процесс очень быстро останавливался, так что большие технические сооружения могли оказаться нерентабельными [205].

Во второй половине XIX в. потребность в дымящей серной кислоте резко возросла. В 1868 г. Карл Гребе и Карл Либерман открыли синтетический метод получения ализарина из ант-рахинон-2-сульфоновой кислоты; тремя годами позднее Генрих Каро синтезировал красные азокрасители. В это же время стало развиваться производство синтетических красителей, а для проектируемых в большом количестве фабрик понадобилось очень много серного ангидрида. Можно было предвидеть, что если эта потребность в олеуме не сможет быть удовлетворена, то по сравнению с традиционными природными красителями синтетические красители не будут иметь никаких преимуществ.

В 1875 г. К. Винклер, применив в качестве катализатора платину, обнаружил, что действие катализатора зависит от степени разбавления газов. Так, из смеси чистого диоксида серы с кислородом он сумел перевести в триоксид серы 73,3% диоксида серы, из смеси чистого диоксида серы с воздухом — только 47,4% , а из смеси неочищенного диоксида серы с воздухом — всего 11,5% диоксида серы. Отсюда он сделал вывод, что действие платинированного асбеста и других катализаторов ослабляется при разбавлении диоксида серы другими индифферентными газами. Такое разбавление возникает также в случае, если диоксид серы и кислород взяты не в стехио-метрических количествах. Поэтому для получения хороших выходов продукта необходимо вводить в реакции стехио-метрические количества исходных веществ.

Клеменс Винклер (1838-1904)

Этот вывод на первый взгляд противоречил закону действия масс, который был сформулирован Като Максимилианом Гульдбергом и Петером Вааге в 1867 г., т.е. еще до открытия Винклера [206]. Тем не менее данные Винклера легли в основу технологических испытаний: 60%-ную "камерную" кислоту разлагали термическим способом на диоксид серы, кислород и водяной пар и осушенную газовую смесь пропускали над нагретым платинированным асбестом. Выходы серной кислоты, получаемые на заводе, с 1877 г. применявшего метод Винклера, были невелики, и лишь высокие цены на концентрированную серную кислоту оправдывали существование этого завода.