Elemente und Moleküle, Schulbuch

88 5 GRoSSteCHNISCHe CHeMIe Herstellung der Schwefelsäure in 3 Schritten 1. Schritt: Bildung von Schwefeldioxid Schwefeldioxid wird heute fast ausschließlich durch Verbrennen von Schwefel her- gestellt. Elementarer Schwefel kommt in der Natur in unterirdischen Lagerstätten vor und wird vor allem in den USA ähnlich wie Erdöl mittels Bohrtechnik gewonnen. Elementarer Schwefel besteht aus ringförmigen, unpolaren S 8 -Molekülen. Da im Molekülgitter nur schwache van-der-Waals-Kräfte wirken, liegt sein Schmelzpunkt relativ niedrig (119 °C). Die Bohrtechnik zur Schwefelgewinnung heißt Frasch-Verfahren . Im Bohrloch be- finden sich drei ineinandergeschobene Rohre. In ein Rohr wird überhitzter Wasser - dampf eingeblasen, der den Schwefel in der Lagerstätte aufschmilzt, in ein anderes Druckluft. Durch den so in der Lagerstätte entstehenden Druck wird der Schwefel im mittleren Rohr flüssig nach oben gepresst. Man gewinnt dabei Schwefel mit ho - hem Reinheitsgrad (Abb. 88.2). Eine weitere, heute immer wichtigere Quelle für Elementarschwefel ist die Ent- schwefelung von Erdgas und Erdölprodukten nach dem Claus-Verfahren. Erdöl und Erdgas können in Form von organischen Schwefelverbindungen bis zu 5 % Schwefel enthalten. Dieser muss aus Umweltschutzgründen entfernt werden. Das Verfahren ist keineswegs wirtschaftlich, da der Preis für eine Tonne Erdöl weit höher liegt als für eine Tonne Schwefel. Immer strengere gesetzliche Auflagen sowie der riesen- große Verbrauch an Erdgas und Erdöl machen das Verfahren aber heute zur men- genmäßig wichtigsten Gewinnungsmethode für Schwefel. Beim Claus-Verfahren wird das schwefelhältige Erdölprodukt bei hoher Temperatur über Katalysatoren mit Wasserstoff umgesetzt. Dabei wandeln sich die organischen Schwefelverbindungen in Kohlenwasserstoffe und Schwefelwasserstoff um. Man setzt Schwefeldioxid zu, das mit dem Schwefelwasserstoff zu Wasserdampf und elementarem Schwefel reagiert. Der Elementarschwefel wird abgetrennt, ein Teil davon wird zur SO 2 -Gewinnung verbrannt. Nur bei nicht verdampfbaren Erdölbe- standteilen, wie zB bei schwerem Heizöl, ist eine ausreichende Entschwefelung nach diesem Verfahren nicht möglich. Claus-Verfahren anhand des Beispiels CH 3 SH, einer Schwefelverbindung, die im Erd- gas vorkommt: CH 3 SH + H 2 → CH 4 + H 2 S 2 H 2 S + SO 2 → 2 H 2 O + 3 S S + O 2 → SO 2 2. Schritt: Oxidation von Schwefeldioxid zu Schwefeltrioxid Der für die Weiteroxidation von Schwefeldioxid notwendige Sauerstoff ist im Gas- gemisch aus der Schwefelverbrennung in genügenden Mengen vorhanden, da der Schwefel mit starkem Luftüberschuss verbrannt wird. Der Prozess ist exotherm. Bei Zimmertemperatur liegt das Gleichgewicht sehr deut- lich auf der Seite der Produkte, die Reaktion ist aber für einen Produktionsprozess viel zu langsam. Bei 1000 °C wäre die Reaktion rasch genug, allerdings liegt dann das Gleichgewicht der Reaktion aufseiten der Ausgangsstoffe (Prinzip vom kleinsten Zwang). Das ist auch der Grund, weshalb die Schwefelverbrennung nicht direkt zu SO 3 führt. In der heißen Flamme bei der Verbrennung ist SO 3 nicht stabil. Je tiefer die Temperatur für den Prozess gehalten werden kann, desto günstiger ist die Gleichgewichtslage für die SO 3 -Produktion. Daher benötigt man einen Katalysa - tor zur Herabsetzung der Aktivierungsenthalpie. Das bei der Verbrennung entstandene Schwefeldioxid wird einem Reaktor zugeführt. Auf dessen Horden (Reaktionsetagen) befindet sich Vanadium(V)-oxid auf einem Trägermaterial als Katalysator. Mit überschüssiger Luft reagiert das Schwefeldioxid am Katalysator zu Schwefeltrioxid. Um hohen Umsatz zu erreichen, muss wegen der exothermen Reaktionswärme nach jeder Stufe gekühlt werden. Auch bei diesem Prozess wird mit Luftüberschuss gearbeitet, um die Ausbeute zu optimieren. (Je höher die Sauerstoffkonzentration im Gleichgewicht ist, desto geringer ist die übrig bleibende SO 2 -Konzentration.) S SO 2 SO 3 H 2 SO 4 O 2 O 2 H 2 O Schwefellagerstätte Schwefelhältige Erdölprodukte Sulfidische Erze Frasch- Verfahren Claus- Verfahren Rösten Pressluft Wasser- dampf S Dampf Pressluft geschmolzener Schwefel Deckschicht schwefel- hältige Schicht Abb. 88.3: Struktur des Schwefelmoleküls Abb. 88.2: Frasch-Verfahren Abb. 88.1: Schema der Schwefelsäureerzeugung Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv