不過(guò),瓦德制造硫酸的設(shè)備和操作方法很快被另一位英國(guó)人羅布克(roebu1718—1794)創(chuàng)造的鉛室法取代。
羅布克是一位醫(yī)學(xué)博士、醫(yī)生,1764年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員。他在18世紀(jì)4o年代里居住在英國(guó)工業(yè)城市伯明翰(birmingham),私人開(kāi)業(yè)行醫(yī),并創(chuàng)建鐵工場(chǎng),還經(jīng)營(yíng)從珠寶飾件廢料中回收金、銀業(yè)務(wù)。1746年和他的合作人加貝特(garbett,samue11717~18o5)在回收金、銀中需要硫酸溶解雜質(zhì),從化學(xué)教科書(shū)中了解到鉛能抵抗硫酸的腐蝕,于是用木料做成框架,用鉛板作為墻壁,造成每邊6英尺(英國(guó)長(zhǎng)度單位,1英尺=o.3o48m)的立方形鉛室。操作時(shí)將硫黃和硝石放置在一鐵勺中,點(diǎn)燃后放進(jìn)鉛室內(nèi)一鐵盤(pán)中,使產(chǎn)生的硫的氧化物氣體被預(yù)先噴灑在鉛室內(nèi)壁的水吸收,形成硫酸,并不斷添加硫黃和硝石,大約每隔4個(gè)星期取出一次酸,再放進(jìn)玻璃容器中加熱濃縮。
到1749年,羅布克在蘇格蘭普雷斯頓潘(prestonpans)創(chuàng)建“普雷斯頓潘硫酸公司”(prestonpansvitrio1co.),建造了更大更多的鉛室,雇用了5o位工人,分日夜班操作,使硫酸的產(chǎn)量從成磅到成噸,不僅供英國(guó)使用,而且遠(yuǎn)銷(xiāo)到歐洲大6。
羅布克也為了保守生產(chǎn)技術(shù)的秘密,在他的工場(chǎng)四周建造了高墻,要求每個(gè)工人宣誓保密。但是在金錢(qián)的誘惑下,沖垮了高墻,廢棄了宣誓。波德利(bed1ey)的一位富有的化學(xué)品制造商人斯基()買(mǎi)通了一位工人,得知鉛室的構(gòu)造和操作過(guò)程,建造了每邊長(zhǎng)1o英尺立方形的鉛室制造硫酸。接著,在倫敦或其它一些地方以及法國(guó)一些地方也相繼建造起鉛室。鉛室建造得越來(lái)越大,數(shù)量越來(lái)越多。18o5年,英國(guó)布恩特島(burntis1and)上一家硫酸制造場(chǎng)建有36o個(gè)鉛室,每個(gè)鉛室體積達(dá)192立方英尺。法國(guó)蒙特利埃(montpe11ier)大學(xué)化學(xué)教授、富有的工業(yè)家夏普塔爾(ec1aude1756~1832)提出最大的鉛室以每邊25英尺和高15英尺為宜,但是他曾建了一個(gè)8o英尺長(zhǎng)、4o英尺寬和5o英尺高的大鉛室,在使用了18個(gè)月后倒塌了。
為降低硫酸生產(chǎn)成本,一些制造廠家逐漸用黃鐵礦或黃銅礦和其它含硫礦物代替硫黃。一些廠家在生產(chǎn)設(shè)備方面也在不斷改進(jìn),例如采用噴水蒸氣進(jìn)入鉛室,代替向鉛室內(nèi)壁噴灑水,另置燃燒硫黃或其它含硫礦物的爐子,而不是在鉛室內(nèi)燃燒。這樣,使硫酸生產(chǎn)逐漸由間歇式轉(zhuǎn)向連續(xù)式,使硫酸產(chǎn)量大增。到1878年,歐洲硫酸的年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)百萬(wàn)噸。
一段時(shí)期里硫酸制造者們認(rèn)為制造硫酸過(guò)程中燃燒硫黃時(shí)添加硝石的目的是產(chǎn)生氧氣,以氧化二氧化硫?yàn)槿趸?,因而不再向鉛室供應(yīng)空氣。18o6年法國(guó)德索梅(desorard1777~1862)和克萊門(mén)(ico1as1779~1841)翁婿兩位化學(xué)家觀察到,將二氧化硫與二氧化氮的混合氣體通入鉛室中形成白色晶體,將此白色晶體用水處理,形成硫酸并重新放出一氧化氮?dú)怏w,因而確定二氧化硫在鉛室中并非直接被氧氣氧化,而是與氮的氧化物形成中間產(chǎn)物,形成硫酸的整個(gè)過(guò)程是一個(gè)循環(huán)過(guò)程。這引起不少化學(xué)家們的研究,經(jīng)過(guò)多人多次研究確定,鉛室中二氧化硫和一氧化氮、氧氣以及水形成亞硝基硫酸(onoso2h),亞硝基硫酸再與水反應(yīng),形成硫酸并釋放出氮的氧化物,可以用下列化學(xué)方程式表示:
2no+o2→2no2
2so2+3no2+h2o→2onoso2oh+no
2onoso2oh+h2o→2h2so4+no+no2
也就是說(shuō)氧化氮實(shí)際上是氧氣氧化so2為so3的催化劑。
于是在鉛室法制硫酸中減少了昂貴的硝石用量,增加供應(yīng)空氣的量,使成本再次降低。到2o世紀(jì)初,硝石基本上不再使用,而使用氨,因?yàn)榘痹阢K等催化劑存在下,能同空氣中氧氣作用,生成氮的氧化物。這個(gè)反應(yīng)是:
4nh3+5o2→4no+6h2o
由于氮的氧化物可以反復(fù)使用,于是出現(xiàn)如何回收這些氮的氧化物問(wèn)題。法國(guó)著名化學(xué)家蓋呂薩克(gay-lussac,josephlouis1778~185o)在1827年提出在鉛室后設(shè)置一塔,塔內(nèi)充填焦炭,將鉛室中釋放的氣體從塔底通入,上升后遇到從鉛室中通入塔頂而下淋的硫酸,被溶解吸收。但是氮的氧化物卻不能完全被吸收,因?yàn)橐谎趸灰兹芙庠诹蛩嶂校膊黄鸹瘜W(xué)反應(yīng),而二氧化氮不易溶于濃硫酸,只溶于較稀的硫酸中。要使氮的氧化物再重新釋放出來(lái),使它們?cè)倩氐姐U室被利用,最初只是用水稀釋這種吸收氮的氧化物的酸,這將使生成的硫酸被稀釋?zhuān)贊饪s是不經(jīng)濟(jì)的。因此蓋呂薩克設(shè)計(jì)的塔遲遲未投入實(shí)際應(yīng)用。這個(gè)塔后來(lái)被命名為蓋呂薩克塔。
1859年,英國(guó)一位管道工人格洛弗(g1over,john1817~19o2)提出在燃燒硫黃的爐子和鉛室之間設(shè)置一塔,使高溫二氧化硫氣體向上流,遇到塔頂從蓋呂薩克塔送來(lái)的含氮硫酸,使其中氮的氧化物受熱釋放出來(lái),進(jìn)入鉛室。這樣不僅充分回收了氮的氧化物,也使在蓋呂薩克塔中被吸收的氮的氧化物又重新釋放出來(lái)。這個(gè)塔后來(lái)被命名為格洛弗塔,很快用于實(shí)際生產(chǎn)中,一位普通的工人完善了一位著名化學(xué)家的設(shè)計(jì),在硫酸制造中同享盛名。
此后硫酸制造者們又對(duì)鉛室進(jìn)行一系列改進(jìn)。
鉛室不再是立方形的了,因?yàn)榱⒎叫螘?huì)形成角,物料在這些角落中可能停滯不動(dòng),氣流的流動(dòng)度很慢,氣相和微小霧滴的液相反復(fù)接觸效率很差,于是逐漸改造成圓筒形或截頭圓錐形,使外形變成了塔形。
鉛室不再是空空的了,而是填滿(mǎn)了瓷珠。這樣可以加大反應(yīng)物的接確面。
框架不再是木材了,而是鋼鐵,甚至鉛板也被鐵和鋼代替,它們和鉛一樣可以耐硫酸腐蝕,再加上用耐酸磚或正長(zhǎng)石砌成襯里,更加強(qiáng)了耐腐蝕性能。
這樣鉛室法變成了塔式法,不過(guò)硫酸制造的化學(xué)原理還是一樣的。
接觸法制造硫酸的化學(xué)原理卻不同。接觸法也就是觸媒法或催化法,是從1831年開(kāi)始。這一年英國(guó)英格蘭西南部港口城市布里斯托爾(bristo1)的一位制醋商菲列普(phi11ips,peregrine)向政府提交一份專(zhuān)利申請(qǐng),項(xiàng)目是“節(jié)省硝石和礬鉛室的成本”,內(nèi)容是利用鉑粉作催化劑,使二氧化硫直接被氧氣氧化成三氧化硫,然后使三氧化硫溶于水形成硫酸。但是這種方法一時(shí)沒(méi)有立即投入實(shí)際生產(chǎn),因?yàn)殂K粉很快受二氧化硫中夾帶的雜質(zhì)而失效。直到1875年,一位出生在德國(guó)和長(zhǎng)期居住在英國(guó)的化學(xué)家麥塞爾(messe1,rudo1ph1848—192o)提出先凈化二氧化硫和氧氣,可以使鉑粉在一定期限內(nèi)保持有效,使二氧化硫和氧氣在鉑石棉催化下制成so3,并以普通硫酸吸收而制成煙硫酸。1881年英國(guó)硫酸制造商斯奎爾(squire.s.)申請(qǐng)這一方法的專(zhuān)利,并建廠生產(chǎn)。麥塞爾參與了工作。
現(xiàn)元素鍺的德國(guó)化學(xué)家溫克勒(ink1er,der1838~19o4)在1875年間也曾進(jìn)行過(guò)so2在鉑存在下和氧氣化合成so3的實(shí)驗(yàn)。
但是鉑的價(jià)值昂貴和易中毒,促使硫酸制造者們和化學(xué)家們尋找更便宜的催化劑。到本世紀(jì)2o年代,出現(xiàn)了釩的氧化物、氧化鐵等催化劑。現(xiàn)代接觸法硫酸制造中幾乎都使用釩催化劑了。
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