Окисление сернистого газа происходит под влиянием нитрозы, которая представляет собой раствор нитрозилсерной кислоты в серной кислоте. Нитрозилсерная кислота содержит азот в трехвалентной форме и является производным серной кислоты.
Эта кислота хорошо растворима в концентрированной серной кислоте. При добавлении к такому раствору воды нитрозилсерная кислота постепенно разлагается:
Как показало изучение процессов, происходящих в башенных системах, окисление сернистого газа происходит главным образом в жидкой фазе, т. е. в виде сернистой кислоты, и окислителем при этом является азотистая кислота, образующаяся из нитрозилсер-ной кислоты по вышеприведенной реакции:
Возможно, что и сама нитрозилсерная кислота (в присутствии воды) принимает участие в окислении сернистого газа. Выделившаяся из жидкой фазы окись азота окисляется избытком кислорода до двуокиси, частично растворяется в серной кислоте и снова принимает участие в окислении сернистого газа.
Скорость окисления сернистого газа растет с повышением содержания нитрозилсерной кислоты в нитрозе, с увеличением содержания в нитрозе воды, сдвигающей равновесие реакции гидролиза в сторону образования азотистой кислоты. Максимальная скорость окисления сернистого газа достигается в 58% серной кислоте, в которой гидролиз нитрозилсерной кислоты особенно велик. На скорость окисления сернистого газа влияет также температура нитрозы и величина поверхности соприкосновения газовой фазы с жидкостью: с повышением температуры и при увеличении поверхности соприкосновения газа с нитрозой скорость окисления возрастает. Однако поскольку с повышением температуры растворимость окислов азота в серной кислоте падает, процесс окисления нужно вести при оптимальных условиях, устанавливаемых опытным путем.
Окисление сернистого газа проводят в продукционных башнях, сделанных из сваренных друг с другом стальных листов 1. Внутри эти башни футерованы кислотоупорным кирпичом или природными минералами вулканического происхождения, например андезитом 2. В качестве связующего материала при кладке футеровки применяется кислотоупорный цемент, изготовляемый из молотого андезита с добавкой кремнефтористого натрия и жидкого стекла. Крышки башен делаются из кислотоупорного армированного сталью бетона.
Для увеличения поверхности соприкосновения реагентов башни внутри заполняются насадкой из кусков кварца или керамических колец. Чаще всего применяется последняя насадка, так как она создает сравнительно небольшое сопротивление проходящим газам и жидкости и мало задерживает загрязнения. Эти кольца укладываются на решетку из андезита 6.
Нитроза разбрызгивается на насадку при помощи специальных устройств, из которых особенно широкое применение нашли так вращающейся металлической звездочки, имеющей лучи разной длины. Сернистый газ поступает в нижнюю часть башни и движется противотоком нитрозе. Поскольку при образовании серной кислоты выделяется довольно много тепла и обжиговые газы, поступающие в башню, V имеют температуру 300— 350°, нитроза нагревается, что ускоряет окисление сернистого газа и облегчает удаление остатков окислов азота из серной кислоты в нижней части башни. Температура серной кислоты, вытекающей из башни, доходит до 125—130°. Дальнейшее повышение температуры кислоты может быть не всегда желательным, так как это приводит к повышению ее концентрации за счет испарения воды; это в свою очередь ухудшает условия денитрации, так как окислы азота лучше растворяются в более концентрированной кислоте. В средней и верхней частях башни окись азота частично окисляется избытком кислорода, растворяется в нитрозе и, как указывалось, частично принимает участие в окислении сернистого газа; некоторая часть двуокиси азота вступает в реакцию в газовой фазе. Однако эта реакция не имеет существенного значения в процессе получения серной кислоты.
Поскольку в производстве серной кислоты наблюдаются небольшие потери окислов азота, то в серную кислоту, поступающую на орошение первой башни, вводят необходимое количество азотной кислоты.
Работу продукционных башен можно интенсифицировать, увеличив концентрацию сернистого газа в обжиговом газе; в этом случае количество сернистого газа, растворяющегося в нитрозе, будет увеличиваться.
Концентрация серной кислоты, получаемой в продукционных башнях, равна 75—76,5% H2S04. Такая кислота замерзает при сравнительно низких температурах, вследствие чего ее можно транспортировать в зимних условиях. Однако наличие в кислоте значительного количества воды удорожает ее стоимость при дальних перевозках. Поэтому некоторые заводы перешли на выпуск более концентрированной кислоты, в которой содержание H2S04 равно 90—92%. Такую кислоту также можно перевозить в зимних условиях. Для получения концентрированной кислоты изменяют режим системы. Особенно благоприятное влияние оказывает повышение температуры обжиговых газов, впускаемых в башню. Это приводит к сильному нагреванию кислоты и испарению из нее воды, что и вызывает повышение ее концентрации. Концентрирование кислоты проводится в I башне, называемой концентратором. Она устанавливается в начале системы и уже не является продукционной. Из этой башни кислоту не берут на орошение других башен, а производят только ее концентрирование; орошается эта башня кислотой, поступающей из башни.