리드 챔버 프로세스

납실 공정은 황산을 대량으로 생산하기 위해 사용되는 공업적인 방법이었다. 그것은 접촉 과정에 의해 대체되어 왔다.

1746년 영국 버밍엄에서 존 로벅은 납으로 된 방에서 황산을 생산하기 시작했는데, 이것은 이전에 사용되었던 유리 용기보다 훨씬 더 크고 튼튼했다. 이를 통해 황산 생산의 효과적인 산업화가 가능했고, 여러 차례의 정련과 함께 이 과정은 거의 2세기 동안 표준 생산 방식으로 남아 있었다. 그 과정은 매우 견고해서, 1946년까지만 해도 챔버 공정은 여전히 제조된 황산의 25%를 차지했다.^[1]

역사

이산화황은 증기와 이산화질소와 함께 증기와 질소가 가스가 물과 챔버산(62~70% 황산)으로 분사되는 시트 리드가 줄지어 있는 대형 챔버로 유입된다. 이산화황과 이산화질소는 용해되고, 약 30분 동안 이산화황은 황산으로 산화된다. 이산화질소의 존재는 반응이 합리적인 속도로 진행되기 위해 필요하다. 이 과정은 매우 발열성이 높으며, 챔버의 설계에 대한 주요 고려사항은 반응에서 형성된 열을 발산하는 방법을 제공하는 것이었다.

초기 식물들은 주변 공기에 의해 냉각된 매우 큰 납으로 된 나무 직사각형 방(Faulding box chamber)을 사용했다. 내부 납 피복은 부식성 황산을 함유하고 목재 챔버를 방수하는 역할을 했다. 19세기 무렵, 그러한 식물들은 불에 탄 유황 1킬로그램에 해당하는 아황산가스를 처리하는 데 약 0.5입방미터의 부피가 필요했다.^{[citation needed]} 19세기 중반 프랑스의 화학자 조셉 루이스 게이-루삭은 석기 포장 석조 원통으로 방을 새롭게 디자인했다. 20세기에 밀스패커드 챔버를 사용하는 식물들은 이전의 디자인을 대체했다. 이들 챔버는 외부로 흘러내려온 물에 의해 외부로 냉각된 높은 테이퍼형 실린더였다.

이 공정을 위한 아황산가스는 원소 황을 태우거나 황 함유 금속 광석을 용광로의 공기 흐름에서 구워서 제공되었다. 제조 초기에는 산성이 있는 고온에서 niter가 분해되어 질소산화물이 생성되었으나, 촉매제가 있는 곳에서 암모니아에서 질소산화물로 공기 산화되면서 이 공정이 점차 대체되었다. 질소산화물의 회수 및 재사용은 실내 공정 공장의 운영에 있어 중요한 경제적 고려사항이었다.

반응실에서 산화질소는 산소와 반응하여 이산화질소를 생성한다. 챔버 바닥의 액체를 희석하여 챔버 상단으로 펌핑한 후 미세한 안개 속에서 아래쪽으로 분사한다. 이산화황과 이산화질소는 액체에 흡수되며, 황산과 산화질소를 형성하기 위해 반응한다. 해방된 산화질소는 물에 거의 녹지 않고, 공기 중의 산소와 반응하여 이산화질소를 개혁하는 실내의 기체로 되돌아간다. 질소산화물의 일부 퍼센트는 반응주에 니트로실술푸르산, 질산 등으로 격리되므로 과정이 진행될수록 신선한 질소산화물을 첨가해야 한다. 이후 버전의 챔버 플랜트에는 챔버 주류에서 질소산화물을 회수하기 위한 고온의 글로버 타워가 포함되었고 챔버산은 78% HSO로₂₄ 농축되었다. 챔버의 배기 가스는 그것들을 탑으로 통과시켜 문질러지고, 그 사이로 글루버산의 일부가 부서진 타일 위로 흐른다. 질소산화물은 니트로실술푸르산을 형성하기 위해 흡수되며, 이후 글루버 타워로 반환되어 질소산화물을 회수한다.

반응실에서 생성되는 황산은 약 35%의 농도로 제한된다. 고농도에서는 니트로실술푸르산이 '챔버 결정'의 형태로 납벽에 침전되어 산화반응을 더 이상 촉매할 수 없게 된다.^[2]

화학

아황산가스는 원소 황을 연소시키거나 공기 흐름에서 피리틱 광석을 구워 생성된다.

S₈ + 8 O₂ → 8 SO₂

4 FeS₂ + 11 O₂ → 2 Fe₂O₃ + 8 SO₂

질소산화물은 황산이 존재하는 곳에서 niter를 분해하거나 니트로실술푸르산을 가수분해하여 생성된다.

2 NaNO₃ + HSO₂₄ → NaSO₂₄ + HO₂ + NO₂₂ + O

2 노소₄ + HO₂ → 2 HSO₂₄ + NO + NO₂

반응실에서는 아황산가스와 이산화질소가 반응주에 용해된다. 이산화질소는 수분을 공급하여 아산화질소를 생성하며, 아황산 및 아산화질소로 산화시킨다. 그 반응은 잘 특징지어지지는 않지만, 니트로실술푸르산은 적어도 하나의 통로에서 중간인 것으로 알려져 있다. 전반적인 주요 반응은 다음과 같다.

2 NO₂ + H₂O → HNO₂ + HNO₃

SO₂ (aq) + HNO₃ → 노소₄

노소₄ + HNO₂ → HSO₂₄ + NO₂ + NO

SO₂ (aq) + 2 HNO₂ → H₂SO₄ + 2 NO

산화질소는 반응주로부터 탈출하여 분자 산소에 의해 이산화질소로 재산화된다. 이것은 이 과정에서 전반적인 요율 결정 단계다.^[3]

2 NO + O₂ → 2 NO₂

질소산화물은 그 과정에서 흡수되어 재생되기 때문에, 다음과 같은 전반적인 반응의 촉매 역할을 한다.

2 SO₂ + 2 H₂O + O₂ → 2 H₂SO₄

참조

추가 읽기

• Derry, Thomas Kingston; Williams, Trevor I. (1993). A Short History of Technology: From the Earliest Times to A.D. 1900. New York: Dover.
• Kiefer, David M. (2001). "Sulfuric Acid: Pumping Up the Volume". American Chemical Society. Retrieved 2008-04-21.

외부 링크

• 납 챔버 공정에 의한 황산 제조 공정 흐름표