Das Kontaktverfahren ist ein bedeutendes technisches Verfahren zur Herstellung von Schwefelsäure, einer der wichtigsten Chemikalien weltweit. Dieses Verfahren, das in der Industrie großtechnisch angewendet wird, hat sich im Laufe der Zeit zum rentableren und umweltfreundlicheren Doppelkontaktverfahren weiterentwickelt.
Historische Entwicklung des Kontaktverfahrens
Während das ältere Bleikammerverfahren bereits aus dem 18. Jahrhundert stammt, wurde das Kontaktverfahren im Jahr 1831 von Peregrine Phillips in Bristol patentiert. Die erste industrielle Umsetzung dieses Verfahrens erfolgte jedoch erst rund 50 Jahre später, im Jahr 1875, in Freiberg durch Clemens Winkler. Anfänglich wurde Platin als Katalysator eingesetzt, doch der eigentliche Durchbruch gelang erst mit der Einführung von Vanadiumpentoxid als Katalysator, was etwa 1927 geschah. Der Marktanteil des Bleikammerverfahrens sank dadurch signifikant: von etwa 75 % im Jahr 1910 auf nur noch rund 15 % im Jahr 1960.
Der Prozess des Kontaktverfahrens
Das Kontaktverfahren zur Herstellung von Schwefelsäure umfasst im Wesentlichen drei Schritte, die kontinuierlich ablaufen:
1. Herstellung von Schwefeldioxid (SO₂)
Im ersten Schritt wird Schwefeldioxid durch die Verbrennung von Schwefel oder sulfidischen Erzen gewonnen. Die Verbrennung von Schwefel erfolgt im Überschuss von Luft in einem Ofen mit feuerfester Ausmauerung. Dabei entsteht ein Gasgemisch mit einem Schwefeldioxidanteil von etwa 10 bis 11 %. Die Umgebungsluft während der Verbrennung muss sehr trocken sein, um Korrosion und unerwünschte Reaktionen zu vermeiden. Alternativ kann Schwefeldioxid auch durch das Abrösten sulfidischer Erze wie Pyrit (FeS₂) gewonnen werden. Auch beim Recycling von industriell gebrauchter, verunreinigter Schwefelsäure, sogenannter Dünnsäure, erhält man Schwefeldioxid.
2. Oxidation zu Schwefeltrioxid (SO₃)
Der wesentliche Reaktionsschritt ist die Oxidation von Schwefeldioxid mit Luftsauerstoff zu Schwefeltrioxid unter Zuhilfenahme eines Katalysators. Technisch wird hierfür meist Vanadiumpentoxid (V₂O₅) auf einem Kieselgur-Träger eingesetzt. Dieses Verfahren findet im sogenannten Kontaktofen statt. Die Reaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion, die exotherm verläuft:
2 SO₂ + O₂ ⇌ 2 SO₃
Die Reaktionstemperatur im Kontaktofen ist entscheidend. Sie liegt optimal zwischen 420 und 440 °C. Bei höheren Temperaturen verschiebt sich das Gleichgewicht zugunsten der Ausgangsstoffe (Prinzip von Le Chatelier), während niedrigere Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit verlangsamen. Um die optimale Betriebstemperatur zu halten und die entstehende Wärme zu nutzen, sind Wärmetauscher integriert. Diese leiten die überschüssige Energie durch das Gegenstromprinzip an den kalten Ausgangsstoffen vorbei, wodurch diese vorgewärmt werden.
Vanadiumpentoxid ist im aktiven Zustand nicht als Feststoff, sondern in einer Alkali-Sulfat-Schmelze gelöst, die sich in den Poren des Kieselgur-Trägers befindet. Die reaktive Spezies bei der Katalyse ist ein Komplex mit der Zusammensetzung [(VO)₂O(SO₄)₄]⁴⁻. An diesen Komplex lagert sich zunächst Sauerstoff, anschließend Schwefeldioxid an, was die Bildung von Schwefeltrioxid beschleunigt.
Die Anlage ist oft in mehrere Horden unterteilt, zwischen denen das Gasgemisch gekühlt wird, um die optimale Temperatur für die nachfolgende Kontaktschicht zu gewährleisten. In modernen Anlagen können Umsätze von über 99,6 % erreicht werden.
3. Absorption von Schwefeltrioxid zu Schwefelsäure (H₂SO₄)
Das im Kontaktofen gebildete Schwefeltrioxid wird im letzten Schritt in konzentrierter Schwefelsäure absorbiert. Dabei entsteht zunächst Oleum (auch rauchende Schwefelsäure genannt), eine Lösung von Schwefeltrioxid in Schwefelsäure, die Dischwefelsäure (H₂S₂O₇) enthält.
SO₃ + H₂SO₄ → H₂S₂O₇
Die höhere Löslichkeit von SO₃ in H₂SO₄ im Vergleich zu Wasser macht die Verwendung von konzentrierter Schwefelsäure (üblicherweise 97-99 %) als Absorptionsmittel vorteilhaft. Durch die Zugabe von Wasser wird die Konzentration der Schwefelsäure auf den gewünschten Wert eingestellt, um die Entstehung von rauchender Schwefelsäure zu kontrollieren. Das entstehende Oleum wird dann mit Wasser zu etwa 96%iger Schwefelsäure verdünnt.
Der Prozess findet in sogenannten Absorbertürmen statt, in denen Schwefeltrioxid von unten eingeleitet und mit Schwefelsäure, die von oben zugeführt wird, zur Reaktion gebracht wird (Gegenstromprinzip). Dies gewährleistet eine effektive Durchmischung der Reaktanten und eine vollständige Absorption des Schwefeltrioxids.
Das Doppelkontaktverfahren
Das Doppelkontaktverfahren stellt eine Weiterentwicklung des einfachen Kontaktverfahrens dar und ist heute der Standard in der industriellen Schwefelsäureproduktion. Der Hauptunterschied liegt in der Einführung eines zusätzlichen Kontaktschritts und eines Zwischenabsorbers. Nach dem ersten Durchgang durch den Kontaktofen wird das noch nicht umgesetzte Schwefeldioxid in einem Zwischenabsorber von Schwefeltrioxid getrennt. Das verbleibende Schwefeldioxid wird dann in einem zweiten Kontaktofen weiter zu Schwefeltrioxid oxidiert, welches anschließend im Endabsorber in Schwefelsäure gelöst wird. Dieses Verfahren ermöglicht höhere Gesamtausnutzungsgrade des Schwefeldioxids und ist somit rentabler und umweltfreundlicher, da weniger Schwefeldioxid in die Atmosphäre emittiert wird.
Katalyse im Kontaktverfahren
Die Katalyse spielt im Kontaktverfahren eine zentrale Rolle. Katalysatoren sind Stoffe, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöhen, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Im Kontaktverfahren beschleunigt das Vanadiumpentoxid die Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid erheblich. Ohne Katalysator würde diese Reaktion bei technisch relevanten Geschwindigkeiten nicht ablaufen. Die Katalyse ermöglicht es, die Reaktion bei moderaten Temperaturen und Drücken durchzuführen, was den Prozess wirtschaftlich macht. Die Wertschöpfung durch Katalyse in der chemischen Industrie ist enorm, da über 80 % aller Chemieerzeugnisse mit katalytischen Prozessen hergestellt werden.
Doppelkontaktverfahren einfach erklärt│Chemie Lernvideo [Learning Level Up]
Bedeutung und Anwendungen von Schwefelsäure
Schwefelsäure ist eine der meistproduzierten Chemikalien weltweit. Mit einer Jahresproduktion von rund 150 Millionen Tonnen ist sie eine unverzichtbare Grundchemikalie für zahlreiche Industriezweige:
- Düngemittelproduktion: Die Hauptmenge (ca. 50-60 %) wird zur Herstellung von Superphosphat und anderen Düngemitteln verwendet.
- Erzaufschluss: Sie ist essentiell für die Gewinnung von Metallen und die Herstellung von Pigmenten wie Titandioxid.
- Chemische Synthesen: Schwefelsäure ist Bestandteil der Nitriersäure zur Herstellung von Sprengstoffen und vielen anderen organischen und anorganischen Verbindungen.
- Batterien: Verdünnte Schwefelsäure dient als Elektrolyt in Bleiakkumulatoren.
- Weitere Anwendungen: Herstellung von Kunststoffen, Fasern, Reinigungsmitteln, Pharmazeutika und in der Erdölraffination.
