Длительное время лучшим катализатором считался платиновый, однако с 1932 г. его вытеснили ванадиевые. До конца 70-х гг. применялся катализатор БАВ (контактная масса, состоящая их бария, алюминия, ванадия). Чистый пятиоксид ванадия обладает слабой каталитической активностью, резко возрастающей в присутствии солей щелочных металлов. Применяется катализатор СВД (сульфо-ванадато-диатомовая контактная масса), изготавливающийся путем смешения кремнеземистого носителя – диатомита с содержанием не более 3% Al2O3, тонко измолотого пятиоксида ванадия и раствора KHSO4, последующего гранулирования и прокаливания гранул.

Стремление повысить активность при низких температурах привело к разработке катализатора СВС и катализатора Института катализа (ныне Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН). Они производятся с использованием в качестве носителя охлажденного силикагеля при применении гидратированного пятиоксида ванадия по несколько отличающимся между собой технологическим схемам. Применение этих катализаторов при концентрации газа 8 – 9% SO2 позволяет снизить температуру на входе в I катализатора до 405 – 410 0С. Там же были разработаны катализаторы ИК-1-6, МСВ – с малым содержанием ванадия. Сейчас для окисления сернистого ангидрида в серный в производстве серной кислоты применяются катализаторы ИК-1-6М, также разработанные Институтом катализа. (ИК-1-6М - семейство новых катализаторов, являющихся модернизированными аналогами катализатора ИК-1-6; работают в широком диапазоне температур - от 380 до 640 °С в системах одинарного и двойного контактирования, а также в аппаратах нестационарного окисления SO2)[4]. Для переработки газов повышенной концентрации (10 – 11% SO2) был разработан катализатор ТС (термостабильный), более устойчивый к термической инактивации, чем СВД. В качестве носителя используется модифицированный диатомит. Также применяют шариковый износоустойчивый катализатор для работы во взвешенном слое, разработанный в ЛТИ (СПбГТИ (ТУ)). Его получают пропиткой растворами ванадата и сульфата калия шарикового алюмосиликагеля с определенным содержанием Al2O3 и последующей термообработкой, при которой, в зависимости от температуры и содержании вводимого KNO3, создается определенная пористая структура. Для переработки газов с повышенной концентрацией SO2 и под давлением были созданы ванадиевые катализаторы, обладающие повышенной термостабильностью или повышенной температурой зажигания. Существует трубчатый катализатор СВД с пониженным гидравлическим сопротивлением. Иностранные фирмы – поставщики катализаторов для серной кислоты: BASF (ФРГ), Monsanto Environmental Chemical Systems (США), American Cyanamid Co (США), Catalyst and Chemicals Inc (США), Haldor Topsoe (Дания), Saint Gobein and Krebs (Франция), Kemira (Финляндия) и др.

Механизм и кинетика окисления серы[5].

Катализаторы окисления диоксида серы в триоксид имеют различный состав. Так, в СВД установлено присутствие трех соединений: 3K2S2O7*V2O5, 2K2S2O7*V2O5 и K2S2O7*V2O5, разлагающихся при температурах соответственно 315 – 330, 365 – 380 и 405 – 400 0С. Активный компонент ванадиевых катализаторов в температурной области их применения находится в расплавленном состоянии, возникает специфическая особенность в механизме их действия. Катализаторы работают как абсорбционные и процесс окисления протекает внутри слоя активного компонента. В области высоких значений поверхности реакция протекает во всем объеме расплава вследствие его малой величины, со снижением поверхности катализатора толщина пленки расплава увеличивается и скорость реакции лимитируется диффузией газообразных компонентов в объеме расплава.

Схема процесса может быть сформулирована следующим образом:

1) 2V5+ + O2- + SO2 2V4+ + SO3

2) 2V4+ + 1/2O2 2V5+ + O2- А

В первой стадии достигается равновесие, вторая стадия является медленной и определяет скорость процесса.

В области температур выше 4200С скорость каталитической реакции много больше скорости восстановления катализатора. В связи с этим вероятен механизм, в котором процесс протекает по пути, не связанному с изменением валентного состояния ванадия. Схема такого процесса:

1) V2O5*nSO3 + SO2 V2O5*(n - 1)SO3*SO2 + SO3

2) V2O5*(n - 1)SO3*O2 V2O4*nSO3 Б

3) V2O5*(n - 1)SO3*SO2 + O2 + SO2 V2O5*nSO3 + SO3

В случае Б скорость каталитической реакции пропорциональна доле активного компонента в окисленной форме. По этому механизму реакция протекает в присутствии триоксида серы в газовой фазе.

Скорости окисления ванадия (IV) кислородом и каталитической реакции в присутствии SO3 близки и при малых степенях превращения процесс протекает по окислительно-восстановительному механизму, который может быть представлен схемой:

1) V2O4*nSO3 V2O4*(n - 2)SO3 + 2SO2

2) V2O4*(n - 2)O3 + 1/2O2 V2O5*(n - 2)SO3 В

3) V2O5*(n - 2)SO3 + SO2 + SO3 V2O4*nSO3

Скорость реакции определяет стадия (2).

Таким образом, кинетические закономерности достаточно сложны.

На скорость реакции влияет также внутренняя диффузия. В реальных условиях контактного процесса влияние внешнедиффузионных факторов составляет менее 3%. Диффузионное сопротивление уменьшается с ростом массовой скорости газового потока при высоких парциальных давлениях реагентов, при малых значениях скоростей реакции и размера зерна катализатора.

Влияние давления на процесс окисления диоксида серы.

Повышение давления влияет как на скорость процесса, так и на состояние равновесия. Скорость реакции и выход продукта с повышением давления увеличиваются за счет повышения действующих концентраций SO2 и O2 и увеличения движущей силы процесса. Начальная температура (температура газа на входе в I слой катализатора) понижается с увеличением давления.

Температура газа на входе в I слой:

Значения температур, соответствующих равновесной степени превращения 0,998 при давлении в системе 1,0 МПа: