خام الكبريت وحمض الكبريتيك

أولا: الخصائص الأساسية للبيريت وأساسه كمادة خام لحامض الكبريتيك

البيريت (الصيغة الكيميائية: FeS₂)، والمعروف أيضًا باسم البيريت الحديدي، يتكون أساسًا من FeS₂ (محتوى الكبريت فيه يتراوح بين 40% و50% تقريبًا)، وغالبًا ما يحتوي على شوائب مثل الزرنيخ والفلور والرصاص والزنك. وتتمثل وظيفته الأساسية كمواد خام لإنتاج حمض الكبريتيك في: تحويل عناصر الكبريت إلى ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) من خلال تفاعلات الأكسدة، والتي تتم معالجتها بعد ذلك إلى حمض الكبريتيك (H₂SO₄) في الخطوات اللاحقة.

II. تطبيق البيريت الكامل في إنتاج حمض الكبريتيك

العملية الأساسية لإنتاج حمض الكبريتيك هي "التحميص ← التنقية ← التحويل ← الامتصاص". ويشارك البيريت في جميع المراحل، كما هو موضح أدناه:

1. المعالجة المسبقة: التحضير للتفاعلات الفعالة

يخضع البيريت للمعالجة المسبقة لضمان التحميص الكافي:

• السحق والغربلةيُسحق الخام إلى جزيئات بحجم 3-5 مم (قد تحترق الجزيئات كبيرة الحجم بشكل غير كامل، بينما قد تُجرف الجزيئات صغيرة الحجم بفعل تدفق الهواء). يضمن الفرز تجانس حجم الجزيئات.
• تجفيف: تتم إزالة الرطوبة من الخام (الرطوبة تُخفّض درجة حرارة التحميص وتزيد من استهلاك الطاقة). عادةً، تُستخدم حرارة غازات المداخن المُهدرة للتجفيف حتى يصبح محتوى الرطوبة أقل من 1%.

2. التحميص: توليد "غاز التغذية" (SO₂) لحامض الكبريتيك

التحميص هو الخطوة الأولى الحاسمة في تحويل البيريت إلى حمض الكبريتيك. جوهره هو أكسدة عناصر الكبريت إلى SO₂ عند درجات حرارة عالية، ويحدث التفاعل في فرن السرير المميع (التكنولوجيا السائدة الحديثة).

• مبدأ التفاعل:يتفاعل FeS₂ في البيريت مع الأكسجين لإنتاج SO₂ وأكسيد الحديد (بقايا النفايات): \(4FeS₂ + 11O₂ \xlongequal{درجة حرارة عالية} 2Fe₂O₃ + 8SO₂ + حرارة\) يحافظ التفاعل الطارد للحرارة (حوالي 1670 كيلو جول / مول) على درجة حرارة الفرن عند 850-950 درجة مئوية دون تسخين إضافي.
• مزايا فرن السرير المميعتحترق جزيئات البيريت في حالة مُعلقة (حالة مُميَّعة) في تيار هواء عالي السرعة، مما يُنتج مساحة تلامس كبيرة جدًا مع الأكسجين. يتراوح معدل تحويل الكبريت بين 95% و98%.
• معلمات التحكم الرئيسية:
  • يجب التحكم في تركيز SO₂ في غاز الفرن عند 10%-14% (المستويات المرتفعة بشكل مفرط تسبب نقص الأكسجين، في حين أن المستويات المنخفضة بشكل مفرط تقلل من كفاءة التحويل اللاحقة).
  • يجب تثبيت درجة الحرارة عند 850-950 درجة مئوية (أقل من 800 درجة مئوية، يكون التفاعل غير مكتمل؛ وفوق 1000 درجة مئوية، يتشكل Fe₃O₄، مما يغطي سطح جسيم الخام ويعيق التفاعل).

3. التنقية: إزالة الشوائب لحماية العمليات اللاحقة

تدخل شوائب البيريت (الزرنيخ، الفلور، الرصاص، الغبار، إلخ) إلى غاز الفرن (المحتوي على ثاني أكسيد الكبريت، والأكسجين، والنيتروجين، وبخار الماء، والشوائب) أثناء التحميص. تؤثر الشوائب غير المعالجة بشدة على الخطوات اللاحقة:

• يؤدي الزرنيخ (As₂O₃) والسيلينيوم (SeO₂) إلى تسمم المحفزات في مرحلة التحويل.
• يتسبب الفلور (HF) في تآكل المعدات (مثل الزجاج والمعادن).
• يتسبب الغبار في انسداد الأنابيب أو تغطية أسطح المحفز.

تتضمن عملية التنقية عادةً ثلاث خطوات:

• إزالة الغبار:يقوم جهاز الفصل الإعصاري + جهاز الترسيب الكهروستاتيكي بإزالة ما يزيد عن 90% من الغبار (حجم الجسيمات >1 ميكرومتر).
• غسل:يغسل غاز الفرن بحمض الكبريتيك المخفف (أو الماء) لامتصاص مركبات الزرنيخ / السيلينيوم (تكوين حمض الزرنيخ وحمض السيلينيك) والفلوريدات (HF→H₂SiF₆).
• تجفيف:يمتص حمض الكبريتيك المركز (93%-98%) الرطوبة الموجودة في غاز الفرن (مما يمنع "رطوبة" المحفز وفشله أثناء التحويل اللاحق).

4. التحويل: SO₂→SO₃ (المنتج شبه النهائي لحمض الكبريتيك)

يدخل غاز الفرن المُنقى (المحتوي على SO₂ وO₂ وN₂) إلى مُحوِّل، حيث يُؤكسد SO₂ إلى ثالث أكسيد الكبريت (SO₃) تحت تأثير مُحفِّز. هذا هو التفاعل الأساسي في إنتاج حمض الكبريتيك:

• مبدأ التفاعل: \(2SO₂ + O₂ \xrightleftharpoons[Δ] محفز 2SO₃ + حرارة\) التفاعل عكسي وطارد للحرارة. لتحسين كفاءة التحويل، يُستخدم محفز (يتكون أساسًا من محفز الفاناديوم مع المكون النشط V₂O₅) ووحدة تحكم في درجة الحرارة (400-600 درجة مئوية).
• التأثير غير المباشر للبيريتيؤثر تركيز ثاني أكسيد الكبريت (SO₂) الناتج أثناء التحميص بشكل مباشر على كفاءة التحويل (التركيزات العالية جدًا تمنع التفاعل الأمامي). لذلك، يتم التحكم في معدل تغذية البيريت ونسبة الهواء لتثبيت تركيز ثاني أكسيد الكبريت عند 8%-10% (بعد التنقية). عند دمجه مع عملية "تحويل متعدد المراحل + تبادل حراري بين المراحل" (مثل تحويل ثلاثي أو رباعي المراحل)، يتجاوز معدل التحويل الإجمالي 99.5%.

5. الامتصاص: SO₃→H₂SO₄ (المنتج النهائي)

التفاعل المباشر لغاز SO₃ مع الماء يُنتج كمية كبيرة من الضباب الحمضي (يصعب جمعه). لذلك، 98.3% حمض الكبريتيك المركز يتم استخدامه كمادة ماصة (لتقليل الضباب الحمضي عند هذا التركيز)، مع التفاعل على النحو التالي: \(SO₃ + H₂O \xlongequal{} H₂SO₄\)

يحدث الامتصاص في "برج امتصاص": يُرشّ حمض الكبريتيك المركز 98.3% من أعلى البرج، ملامسًا غاز ثاني أكسيد الكبريت المتدفق لأعلى في اتجاه معاكس. بعد امتصاص ثاني أكسيد الكبريت، يزداد تركيز الحمض (مثلًا إلى 99.5%)، والذي يمكن استخدامه مباشرةً كمنتج (حمض كبريتيك مركز) أو تخفيفه إلى التركيز المطلوب (مثلًا 93%، 50%).

• الصلة بالبيريت: انخفاض كفاءة تحويل الكبريت أثناء التحميص (مثل الاحتراق غير الكامل بسبب الشوائب الزائدة) يقلل من كمية SO₂→SO₃، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض إنتاج حمض الكبريتيك. وبالتالي، فإن جودة البيريت (محتوى الكبريت >45% للجودة العالية) تؤثر بشكل مباشر على إنتاجية المنتج.

ثالثًا. استخدام مُنتجات البيريت الثانوية

في إنتاج حمض الكبريتيك، لا يوفر البيريت مصدرًا للكبريت فحسب، بل يمكن أيضًا الاستفادة من بقايا نفاياته المحمصة بشكل شامل لتحقيق أقصى قدر من كفاءة الموارد:

• المواد الخام لصناعة الحديد:المكون الرئيسي للبقايا هو Fe₂O₃ (محتوى الحديد ~40%-50%)، والذي يمكن استخدامه كمادة مساعدة لصناعة الحديد بعد إزالة الشوائب عن طريق الفصل المغناطيسي.
• مادة مضافة للأسمنت:يمكن استخدام مكونات مثل SiO₂ و Al₂O₃ الموجودة في البقايا في إنتاج الأسمنت لتقليل استهلاك الحجر الجيري.
• إنتاج صبغة أكسيد الحديد:يمكن استخدام Fe₂O₃ النقي من البقايا لإنتاج أكسيد الحديد الأحمر (صبغة).