硫酸(高職院校上課課件1)

硫酸工業(yè)硫酸工業(yè)硫酸工業(yè)在國民經(jīng)濟中的重要地位硫酸是化學工業(yè)中的重要產(chǎn)品之一，被廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個部門。在化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)；在有機合成工業(yè)中，硫酸用于各種磺化反應和硝化反應；在無機化學工業(yè)中；在冶金工業(yè)中；在國防工業(yè)中；在石油精煉、染料、人造纖維、食品、電池、搪瓷、醫(yī)藥、機械加工工業(yè)等許多工業(yè)部門；

(NH4)2SO4H2CO2SO2等制氣體金屬除銹硫酸的消費量是一個國家工業(yè)發(fā)達水平的一種標志硫酸工業(yè)用途及歷史基本無機化工之一。主要產(chǎn)品有濃硫酸、稀硫酸、發(fā)煙硫酸、液體三氧化硫、蓄電池硫酸等，也生產(chǎn)高濃度發(fā)煙硫酸、液體二氧化硫、亞硫酸銨等產(chǎn)品。硫酸廣泛用于各個工業(yè)部門，主要有化肥工業(yè)、冶金工業(yè)、石油工業(yè)、機械工業(yè)、醫(yī)藥工業(yè)、洗滌劑的生產(chǎn)、軍事工業(yè)、原子能工業(yè)和航天工業(yè)等。還用于生產(chǎn)染料、農(nóng)藥、化學纖維、塑料、涂料，以及各種基本有機和無機化工產(chǎn)品。素有“工業(yè)之母”美譽。在我國，其中60%的硫酸產(chǎn)量用于生產(chǎn)磷肥和復肥。硫酸的性質(zhì)

物理性質(zhì)：相對分子質(zhì)量為98.078，硫酸是指SO3與H2O摩爾比等于1的化合物，或指100%H2SO4，濃硫酸是一種無色透明的油狀液體，20℃時密度為1.8305g/cm3，難揮發(fā)，密度大，極易溶于水，能與水以任意比混溶，溶解稀釋時，會放出大量的熱。

化學性質(zhì)：腐蝕性，脫水性，磺化，氧化性等商品型號：工業(yè)上使用的硫酸是硫酸的水溶液，即SO3與H2O摩爾比≤1的物質(zhì)。發(fā)煙硫酸是SO3與H2O摩爾比>1，也為無色油狀液體，因其暴露于空氣中，逸出SO3與空氣中的水分結(jié)合形成白色煙霧，故稱為發(fā)煙硫酸。硫酸或發(fā)煙硫酸的濃度均可用H2SO4質(zhì)量分數(shù)來表示。但發(fā)煙硫酸的濃度常用其中所含的游離SO3（即除H2SO4以外的SO3）或全部SO3質(zhì)量分數(shù)來表示。1.一千多年前的波斯人用煅燒綠礬（FeSO4.7H2O)方法制硫酸當時的人稱之為“綠礬油”反應過程可以表示為：

煅燒

2（FeSO4.7H2O)==Fe2O3+SO2+SO3+14H2O

2.1740年英國人在陶器中加熱硫磺和硝酸的混合物制硫酸后來在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的各種方法都叫做硝化法或鉛室法。反應過程可以表示為：

NO2

+SO2＝NO+SO3

SO3+H2O＝H2SO4

3.1831年英國人又發(fā)明了接觸法。目前，硫酸有80%以上都是用這種方法生產(chǎn)。

硫酸生產(chǎn)發(fā)展簡史和我國硫酸工業(yè)的現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展歷史1.1874年，天津機械局淋硝廠建成中國最早的鉛室法裝置1876年投產(chǎn)，日產(chǎn)硫酸約2t，用于制造無煙火藥。2.1934年，中國第一座接觸法裝置在河南鞏縣兵工廠分廠投產(chǎn)。3.1949年以前，中國硫酸最高年產(chǎn)量為180kt(1942)。1983年硫酸產(chǎn)量達8.7Mt（不包括臺灣?。?僅次于美國、蘇聯(lián)，居世界第三位。4.1951年，研制成功并大量生產(chǎn)釩催化劑，此后還陸續(xù)開發(fā)了幾種新品種。5.1956年，成功地開發(fā)了硫鐵礦沸騰焙燒技術(shù)，并將文氏管洗滌器用于凈化作業(yè)。6.1966年,建成了兩次轉(zhuǎn)化的工業(yè)裝置,成為較早應用這項新技術(shù)的國家。在熱能利用、環(huán)境保護、自動控制和裝備技術(shù)等方面，也取得了豐碩成果。7.80年代后，引進了一批大型生產(chǎn)裝置，截止1998年（20.495Mt，以100%硫酸計），中國硫酸生產(chǎn)量躍居世界第2位，僅次于美國。我國在1867年上海建成第一座硫酸廠。到1949年產(chǎn)僅4萬噸，而到2010年時我國的硫酸產(chǎn)量就已達到7120萬噸。2002～2006年我國各原料制酸生產(chǎn)能力情況單位：kt/a項目2002年2003年2004年2005年2006年硫磺制酸1350014600177002330028700硫鐵礦制酸1650016800168001880020700煙氣制酸7900830093001100012600其它550550550550550總計3845040250443505365062550我國的硫酸工業(yè)一、接觸法制硫酸的化學反應原理說明：選擇制取硫酸的原料應從實際出發(fā),世界上主要用硫磺作原料，而我國主要用黃鐵礦作原料。FeS2H2SO4SO3SO21.造氣2.接觸氧化

3.三氧化硫的吸收S+O2SO2點燃SO3+H2OH2SO42SO2+O22SO3催化劑加熱反應原理：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2高溫生產(chǎn)原料：硫磺或黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的含二氧化硫煙氣、空氣、水工業(yè)生產(chǎn)途徑生產(chǎn)硫酸須先制得含二氧化硫的原料氣，原料氣制備的工藝視原料不同而異。原料包括硫鐵礦、硫磺、冶煉煙氣、硫化氫、石膏和廢硫酸等。以硫鐵礦為原料制酸

硫鐵礦是硫化鐵礦物的總稱，它包括黃鐵礦與白鐵礦（分子式均為FeS2），以及成分相當于FenSn+1的磁硫鐵礦，三者中以黃鐵礦為主。硫鐵礦經(jīng)焙燒后制得含二氧化硫的氣體。歷史上曾采用過塊礦爐、機械爐、回轉(zhuǎn)爐、懸浮爐進行硫鐵礦的焙燒，現(xiàn)均使用沸騰焙燒爐。含硫30％的硫鐵礦已能滿足硫酸生產(chǎn)工藝的要求，但為了礦渣能用于煉鐵，要求硫鐵礦的含硫量應大于45％。使用含硫高的硫鐵礦，還能減少原料運輸費用，提高熱能利用效率。為保證正常生產(chǎn)和硫鐵礦渣的利用，對原料礦中的有害雜質(zhì)如砷、氟等的含量也都有相應的限制。硫鐵礦:浮選硫鐵礦、普通硫鐵礦、含煤硫鐵礦流程：礦石的破碎→配料→礦石的干燥→礦石的焙燒→煙氣的凈化→煙氣的干燥→轉(zhuǎn)化→吸收→尾氣的處理（破碎、篩分、配礦、脫水）

硫鐵礦焙燒時的反應為：

4FeS2+11O2─→2Fe2O3+8SO2+3415.7kJ(1)當過剩氧量較少時，反應按下式進行：

3FeS2+8O2─→Fe3O4+6SO2+2438.2kJ(2)

通常希望反應按(2)進行，以利礦渣利用，并減少三氧化硫的生成。控制沸騰層焙燒溫度在850～950℃，爐內(nèi)設置廢熱鍋爐的受熱元件，以回收多余的反應熱。

以硫磺為原料制酸

當原料為液態(tài)硫磺時，可直接用液硫泵將其輸入焚硫爐；若原料為固態(tài)硫磺，則需在熔硫槽中以蒸汽間接加熱熔融，濾除雜質(zhì)后，用泵送入焚硫爐。

硫磺燃燒時的反應為：S+O2─→SO2+297kJ焚硫爐操作的關(guān)鍵是應保證液態(tài)硫充分霧化并與空氣均勻混合，以確保硫磺燃燒完全。為此，發(fā)展了多種類型的焚硫爐與液態(tài)硫噴槍。

焚硫爐通常為臥式圓筒形、鋼殼襯耐火磚結(jié)構(gòu)，有的內(nèi)設擋墻或在爐體設置二次風分布管，爐子一端設置液態(tài)硫噴槍，為液態(tài)硫與空氣入口；另一端設原料氣出口，通向廢熱鍋爐。液態(tài)硫噴槍按其作用原理分為壓力噴嘴型、空氣霧化型與旋轉(zhuǎn)杯型三類。以冶煉煙氣為原料制酸

有色金屬硫化礦的火法冶煉過程中排出的含二氧化硫煙氣，早期因濃度較低，利用困難，常直接排入大氣。隨著環(huán)境保護法規(guī)日趨嚴格及冶煉工藝不斷改進，冶煉煙氣中二氧化硫濃度已提高，能夠經(jīng)濟地用于硫酸生產(chǎn)。但是，由于有色冶煉裝置爐型繁多，煙氣條件多變，故對硫酸生產(chǎn)工藝也有相應要求。

目前，用煙氣制硫酸的主要有色金屬冶煉設備有閃速爐、沸騰焙燒爐、密閉鼓風爐、轉(zhuǎn)爐、燒結(jié)機等。在制酸的冶煉煙氣中，以煉銅煙氣所占比例最大，閃速爐及轉(zhuǎn)爐煙氣二氧化硫含量最高。近年來，在閃速爐中使用富氧空氣，大大提高了冶煉的生產(chǎn)強度和煙氣中的二氧化硫濃度，進轉(zhuǎn)化器二氧化硫濃度最高已達13.5％。

以硫化氫為原料

從天然氣或石油中回收的大量硫化氫氣體通常用于克勞斯法制取硫磺。而由焦爐氣或煤氣精制過程中得到的硫化氫，由于數(shù)量較小，將其燃燒生成二氧化硫，用于生產(chǎn)硫酸。

H2S+3/2O2─→SO2+H2O+518kJ原料氣中的二氧化硫濃度，由原始氣體中的硫化氫濃度和空氣用量決定。由于反應本身生成水，故原料氣中水分含量高，這決定了以硫化氫為原料生產(chǎn)硫酸的重要特征。

以石膏（磷石膏）為原料

將石膏、焦炭和其他輔料在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)于約1400℃下煅燒，同時制得水泥熟料和含二氧化硫的氣體。窯中發(fā)生的主要反應為：

2CaSO4+C─→2CaO+2SO2+CO2-566.2kJ

生成的氧化鈣與物料中的氧化硅成分在窯中反應生成水泥熟料，通常煙氣中的二氧化硫濃度為7％～10％，生產(chǎn)每噸硫酸可同時制得水泥熟料1t。20世紀60年代后期，奧地利首先開發(fā)了以濕法磷酸生產(chǎn)中的副產(chǎn)物磷石膏制取硫酸和水泥的工藝。由于石膏（磷石膏）制硫酸的工廠基建投資大，耗能高，故通常只是在別無其他原料或為處理磷石膏廢渣的情況下才作為一種選擇方案。世界上僅有奧地利、波蘭、德國、中國等國家和南非地區(qū)建有少數(shù)以石膏（磷石膏）為原料的硫酸廠。各種焙燒爐制得的原料氣，溫度常高達800～1000℃，通常采用熱能回收裝置回收高溫原料氣中的余熱，同時將原料氣冷卻至下道工序所需溫度。最常用的熱能回收裝備是各種火管式或水管式鍋爐，產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電、驅(qū)動風機或其他生產(chǎn)過程。某些石膏（磷石膏）制酸廠用出回轉(zhuǎn)窯的高溫氣體預熱進窯的生料。

二、接觸法制硫酸的生產(chǎn)工藝【問題1】為什么要將黃鐵礦粉碎成細小礦粒？【問題2】為什么要從爐底通入強大空氣流？4FeS2+11O2===2Fe2O3+8SO2高溫粉碎的黃鐵礦鼓入強大空氣流沸騰爐流程1：造氣【問題3】試分析黃鐵礦燃燒后從沸騰爐中出來的爐氣中含有哪些物質(zhì)？SO2、O2、N2、水蒸氣以及一些雜質(zhì)，如As、Se等的化合物和礦塵等等。酸洗干燥除塵SO2、O2、N2容易使催化劑中毒腐蝕設備，影響生產(chǎn)除礦塵除As、Se化合物除水蒸氣【討論】根據(jù)反應速率和化學平衡理論,考慮綜合經(jīng)濟效益，你認為采取哪些措施(催化劑、濃度、溫度、壓強)可以提高SO2的利用率?濃度：增大廉價原料的用量以增大O2的濃度，可以提高SO2的利用率，從而降低生產(chǎn)成本。溫度：從平衡角度看，此反應在較低溫度下進行最為有利，但溫度低時催化劑活性不高，反應速率低，從綜合經(jīng)濟效益考慮，對生產(chǎn)不利。故在實際生產(chǎn)中，選定400℃～500℃壓強：考慮到加壓對設備的要求高，投資大和能耗大，且常壓下400℃～500℃時，SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，從綜合經(jīng)濟效益考慮，在實際生產(chǎn)中，通常采用常壓操作。并不加壓。2SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)

△H=-196.6kJ/molV2O5流程2：接觸氧化接觸室熱交換器釩催化劑【問題】SO2的接觸氧化需在400℃～500℃條件下進行：①反應前要把低溫的爐氣預熱到這個溫度？②該反應放熱，環(huán)境溫度會升高，不利于SO3生成？溫度較低氣體甲熱氣體乙熱交換原理一種流體在管道內(nèi)流動，另一種流體在管道外流動。兩種流體通過管壁進行熱交換冷的流體被加熱；熱的流體被冷卻。冷氣體乙溫度較高氣體甲熱交換原理：熱交換氣中冷熱氣體的流向是相反的，冷的氣體（SO2、O2、N2）被預熱，而熱的氣體（SO3、SO2、O2、N2）被冷卻，這種方式能夠節(jié)約能源，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛采用。二氧化硫與氧氣生成三氧化硫的反應是可逆反應，因此從接觸室出來的氣體為三氧化硫、二氧化硫、氧氣和氮氣的混合氣。思考：接觸室中熱交換器的作用?從接觸室出來的氣體成分是什么？沸騰爐接觸室沸騰爐SO2、N2、O2；

<600C5000C8500CSO3、SO2、N2、O22SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)

△H=-196.6kJ/molV2O5流程3：三氧化硫的吸收SO3(g)+H2O(l)=H2SO4(l);△H＝－130.3kJ/mol【問題】為什么不用水或稀硫酸來吸收三氧化硫？常用98.3%的硫酸作吸收劑?。?！三氧化硫如用水或稀硫酸作吸收劑時，易形成酸霧，吸收速度減慢，不利于三氧化硫的吸收。吸收塔98.3%H2SO4尾氣逆流吸收：(SO3從塔的下部通入,98.3%的硫酸從塔頂噴下):增大SO3和H2SO4的接觸面積,強化吸收過程.SO3、SO2、N2、O2發(fā)煙硫酸【問題】吸收過程在吸收塔中進行。采取何種方式可以保證SO3被98.3%的濃硫酸完全吸收？吸收塔內(nèi)填充有大量瓷管，以增大被吸收氣體與吸收液的接觸面積。思考：吸收三氧化硫為什么不用水和稀硫酸，而用98.3%的濃硫酸？濃硫酸為什么必須從塔頂噴下？逆流原理：三氧化硫與水反應，放出大量的熱，用水或稀硫酸吸收三氧化硫易形成酸霧，酸霧的形成不利于氣體三氧化硫被進一步吸收，吸收速度慢，且吸收不完全，98.3%的濃硫酸從塔頂淋下，氣體由下往上，流向相反，充分接觸，吸收更完全，由此看來工業(yè)生產(chǎn)上特別重視生產(chǎn)的速度及原料的利用率?！締栴}】尾氣的組成：SO2、O2、N2。由于含有二氧化硫，如直接排入大氣，會造成污染；同時也會造成原料的浪費。如何處理尾氣？氨水法：NH3·H2O2NH3·H2O+SO2＝(NH4)2SO3+H2ONH3·H2O+SO2＝NH4HSO31.將尾氣再次通入到接觸室，進行再次氧化，吸收；2.將再次氧化吸收后的尾氣進行回收處理；(NH4)2SO3+H2SO4==(NH4)2SO4+SO2↑+H2O黃鐵礦空氣流礦渣SO2、O2、N2、水蒸氣以及一些雜質(zhì)