第五單元硫酸工業(yè)

1、硫酸是根底化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品。它是許多化學(xué)工業(yè)的原料，大量用于制造化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、炸藥、化學(xué)纖維等。它還廣泛應(yīng)用于石油煉制、冶金、機(jī)械制造、紡織印染 .&第五單元 硫酸工業(yè) 硫酸是根底化學(xué)工業(yè)的重要產(chǎn)品。它是許多化學(xué)工業(yè)的原料，大量用于制造化肥、農(nóng)藥、醫(yī)藥、染料、炸藥、化學(xué)纖維等。它還廣泛應(yīng)用于石油煉制、冶金、機(jī)械制造、紡織印染等國(guó)民經(jīng)濟(jì)部門。因此，有人認(rèn)為硫酸的消費(fèi)量可視為一個(gè)國(guó)家工業(yè)興旺水平的一種標(biāo)志，可見硫酸工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。解放前，我國(guó)的硫酸工業(yè)十分落后，1949年產(chǎn)量只有四萬噸。新中國(guó)成立后，硫酸工業(yè)得到快速開展，目前年產(chǎn)量已達(dá)一千多萬噸，位居世界前列。第一節(jié)

2、接觸法制硫酸接觸法制硫酸可以用硫黃、黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的煙氣含有一定量的SO2等作原料。世界上主要用硫黃作原料制硫酸，是因?yàn)橛昧螯S作原料本錢低，對(duì)環(huán)境的污染少。我國(guó)由于硫黃礦產(chǎn)資源較少，主要用黃鐵礦作原料，局部工廠用有色金屬冶煉廠的煙氣、礦產(chǎn)硫黃或從石油、天然氣脫硫獲得的硫黃作原料。工業(yè)制造硫酸的生產(chǎn)過程主要分三個(gè)階段。一、造氣將硫黃或經(jīng)過粉碎的黃鐵礦，分別放在專門設(shè)計(jì)的燃燒爐中，利用空氣中的氧氣使其燃燒，就可以得到SO2。H297 kJmolH853kJmol燃燒黃鐵礦是在沸騰爐中進(jìn)行的。當(dāng)黃鐵礦礦粒燃燒的時(shí)候，從爐底通入強(qiáng)大的空氣流，在爐內(nèi)一定空間里把礦粒吹得劇烈翻騰，好似“沸騰

3、著的液體。因此，人們把這種燃燒爐叫做沸騰爐如圖51。由于礦粒在沸騰爐中燃燒得比擬完全，從而可提高原料的利用率。從燃燒爐中出來的氣體叫做爐氣。用燃燒黃鐵礦制得的爐氣含有SO2、O2、N2、水蒸氣以及一些雜質(zhì)，如砷、硒等的化合物和礦塵等。雜質(zhì)和礦塵都會(huì)使催化劑中毒，水蒸氣對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)也有不良影響。因此，在進(jìn)行下一步氧化反響以前，必須對(duì)爐氣進(jìn)行凈化和枯燥處理。用燃燒硫黃制得的爐氣除含有SO2、O2和N2外，雜質(zhì)較少，不需要經(jīng)過凈化和枯燥處理。二、接觸氧化經(jīng)過凈化、枯燥的爐氣其成分的體積分?jǐn)?shù)分別約為：SO27，O211，N282進(jìn)入接觸室如圖51，發(fā)生氧化反響，生成SO3。SO2跟O2是在催化劑如V2

4、O5等外表上接觸時(shí)發(fā)生反響的，所以，這種生產(chǎn)硫酸的方法叫做接觸法。SO2接觸氧化反響在什么條件下進(jìn)行最為有利呢？1溫度SO2接觸氧化是一個(gè)放熱的可逆反響，根據(jù)化學(xué)平衡理論判斷，此反響在溫度較低的條件下進(jìn)行最為有利。表51列出的一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。表51 不同溫度下SO2的平衡轉(zhuǎn)化率原料氣成分(體積分?jǐn)?shù))：SO27，O211，N282；壓強(qiáng)：0.1Mpa溫度4004504755005255505756006501000轉(zhuǎn)化率%99.297.595.893.590.585.679.973.758.55.0但是，溫度較低時(shí)催化劑活性不高，反響速率低，從綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮，對(duì)生產(chǎn)不利。在實(shí)際生

5、產(chǎn)中，選定400500作為操作溫度，因?yàn)樵谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)，反響速率和SO2的平衡轉(zhuǎn)化率93.599.2都比擬理想。2壓強(qiáng)SO2的接觸氧化也是一個(gè)總體積縮小的氣體反響。表52列出了壓強(qiáng)對(duì)SO2平衡轉(zhuǎn)化率影響的一系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表52 壓強(qiáng)對(duì)SO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響 (原料氣成分同表51) 壓強(qiáng)/Mpa轉(zhuǎn)化率/%溫度/0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.996.4討論根據(jù)化學(xué)平衡理論和表52的數(shù)據(jù)，考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益，你認(rèn)為SO2的接觸氧化反響在什么壓強(qiáng)下進(jìn)行最為有利？表52的數(shù)據(jù)說明，增大氣體壓強(qiáng)，能相應(yīng)提高SO2的

6、平衡轉(zhuǎn)化率，但提高得并不多?？紤]到加壓必須增加設(shè)備，增大投資和能量消耗，而且常壓下400500時(shí)，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，所以硫酸工廠通常采用常壓操作，并不加壓。由于SO2的氧化反響需在400500條件下進(jìn)行，因此，反響前必須把爐氣預(yù)熱到這個(gè)溫度；又由于此反響是放熱反響，隨著反響的進(jìn)行，反響環(huán)境的溫度會(huì)不斷升高，這不利于SO3的生成。所以在接觸室的兩層催化劑之間裝上一個(gè)熱交換器，用來把反響生成的熱，傳遞給進(jìn)入接觸室需要預(yù)熱的爐氣，還可以冷卻反響后生成的氣體。三、氧化硫的吸收從接觸室出來的氣體，主要是SO3、N2以及剩余的未起反響的O2和SO2。SO3與H2O化合生成H2SO4。SO3gH2

7、Ol=H2SO4l；H130.3 kJmolH2SO4雖然是由SO3跟H2O化合制得的，但工業(yè)上并不直接用H2O或稀硫酸來吸收SO3。因?yàn)槟菢尤菀仔纬伤犰F，不利于對(duì)SO3的吸收。為了盡可能提高吸收效率，工業(yè)上用H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3的硫酸作吸收劑。吸收過程是在吸收塔如圖51里進(jìn)行的。為了增大SO3跟98.3的硫酸的接觸面積，強(qiáng)化吸收過程，在吸收塔里裝填了大量瓷環(huán)。吸收操作采取逆流的形式，SO3從塔的下部通入，98.3的硫酸從塔頂噴下，供稀釋用的硫酸從塔底放出。98.3的硫酸吸收SO3后濃度增大，可用H2O或稀硫酸稀釋，制得各種濃度的硫酸。從吸收塔上部導(dǎo)出的是N2、沒有起反響的O2和少量S

8、O2，如果把它們當(dāng)作尾氣直接排入大氣，既會(huì)造成原料浪費(fèi)，又會(huì)造成環(huán)境污染。因此，應(yīng)將上述氣體再次通入接觸室，進(jìn)行第二次氧化，然后再進(jìn)行一次吸收。這樣經(jīng)過兩次氧化和吸收的氣體，剩余SO2的含量已經(jīng)很少了。最后再將這種尾氣加以凈化回收處理，既可消除SO2對(duì)大氣的污染，又可充分利用原料。資料熱交換器是化學(xué)工業(yè)里廣泛應(yīng)用的熱交換設(shè)備，它有多種形式。在多數(shù)熱交換器內(nèi)部，裝有許多平行的管道或蛇管，以擴(kuò)大傳熱面，提高熱交換效果。一種流體在管道內(nèi)流動(dòng)。兩種流體通過管壁進(jìn)行熱交換，熱的流體得到冷卻，冷的流體得到加熱。圖52是一種常見的熱交換器。 習(xí)題一、填空題根據(jù)接觸法制硫酸的簡(jiǎn)單流程圖，填寫空白。1設(shè)備A是_

9、，在設(shè)備A中進(jìn)行的反響化學(xué)方程式是_；設(shè)備B是_，在設(shè)備B中進(jìn)行反響的化學(xué)方程式是_；設(shè)備C是_，在設(shè)備C中進(jìn)行反響的化學(xué)方程式是_。2圖中標(biāo)號(hào)處通入或放出的物質(zhì)是：_，_，_，_，_，_，_，_，_。3在設(shè)備A里，礦石燃燒前要粉碎成細(xì)小礦粒的原因是_。4從設(shè)備A里放出的氣體必須經(jīng)過_、_處理后，才能進(jìn)入設(shè)備B，其原因是_。5設(shè)備B中部的裝置叫_器，其作用是_。6設(shè)備C中用H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98.3的硫酸吸收SO3的原因是_。7尾氣在排放到空氣之前必須經(jīng)過_，其原因是_。二、選擇題1以下反響能用勒沙特列原理解釋的是 。A由SO2和O2反響制SO3需使用催化劑B燃燒粉碎的黃鐵礦礦石有利于SO2

10、的生成C硫酸生產(chǎn)中用98.3的硫酸吸收SO3，而不用H2O或稀硫酸吸收SO3D用N2和H2合成氨需采用高壓2反響2SO2O2 2SO3是在恒溫條件下的密閉容器中進(jìn)行的，能夠充分說明此反響已到達(dá)平衡的標(biāo)志是 。A容器中SO2、O2、SO3共存B容器中SO2、O2、SO3的濃度相同C容器中SO2、O2、SO3的物質(zhì)的量為212D容器中壓強(qiáng)不隨時(shí)間的變化而改變?nèi)?、問答題為什么SO2氧化成SO3的反響采用常壓和較高的溫度400500？這與平衡移動(dòng)原理是否矛盾？四、計(jì)算題1生產(chǎn)H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98的硫酸1000t，如果S的利用率為95，需耗用硫黃多少噸？2燃燒1t含硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48的黃鐵礦礦石，在理

11、論上能生產(chǎn)多少噸H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98的硫酸設(shè)還有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5的硫留在爐渣里？第二節(jié) 關(guān)于硫酸工業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益的討論 化工生產(chǎn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)不同。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，為了探索某個(gè)重要的原理或?qū)崿F(xiàn)某個(gè)重要的反響，有時(shí)可以不惜花費(fèi)大量時(shí)間和資金。而化工生產(chǎn)那么必須在遵循科學(xué)原理、實(shí)現(xiàn)某個(gè)反響的根底上，著重考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益，即要求最大限度地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低本錢，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的化工產(chǎn)品，以滿足不同的需要。下面以硫酸工業(yè)為例對(duì)化工生產(chǎn)如何考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益問題進(jìn)行討論。一、環(huán)境保護(hù)與綜合利用原料在化工生產(chǎn)中，某一生產(chǎn)部門產(chǎn)生的三廢廢氣、廢液、廢渣，往往可能是其他生產(chǎn)部門有用的

12、原料。如果讓“三廢自由排放，既會(huì)污染環(huán)境，影響人民身體健康，也會(huì)造成某些原料的浪費(fèi)，不利于降低生產(chǎn)本錢。因此在建設(shè)化工廠的生產(chǎn)車間時(shí)，必須同步建設(shè)處理“三廢的設(shè)施，嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家關(guān)于“三廢的排放標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，還應(yīng)盡可能地把“三廢變成有用的副產(chǎn)品，實(shí)行綜合利用。根據(jù)可持續(xù)開展的要求，一個(gè)現(xiàn)代的化工企業(yè)，應(yīng)該朝著無廢物排出的“封閉式生產(chǎn)的方向努力。對(duì)硫酸生產(chǎn)中產(chǎn)生的“三廢，根據(jù)上述要求，一般按以下方法處理。1尾氣吸收對(duì)于尾氣中含有的少量SO2，可用氨水吸收，使其生成NH42SO3，然后再用硫酸處理，便生成SO2和NH42SO4。SO22NH3H2ONH42SO3NH42SO3H2SO4NH42SO4S

13、O2H2O這樣得到的SO2氣體含量較高，可返回車間作生產(chǎn)硫酸的原料，或作他用；同時(shí)得到的NH42SO4，可作肥料。2污水處理生產(chǎn)過程中的污水，含有硫酸等雜質(zhì)，可用石灰乳中和處理。CaOH2H2SO4CaSO42H2O3廢渣的利用黃鐵礦礦渣一般可作為制造水泥的原料或用于制磚。含鐵品位高的礦渣，經(jīng)處理后可以煉鐵。二、能量的充分利用許多化學(xué)反響是放熱反響，化工生產(chǎn)中應(yīng)充分利用反響熱，這對(duì)于降低生產(chǎn)本錢具有重要的意義。硫酸生產(chǎn)過程中要消耗大量的能量。例如，開動(dòng)機(jī)器設(shè)備礦石粉碎機(jī)、運(yùn)輸裝置、鼓風(fēng)機(jī)、泵等需要電能，維持接觸氧化適宜的溫度400500就需要熱能。由于硫酸生產(chǎn)過程中三個(gè)化學(xué)反響都是放熱反響，可

14、以充分利用這些反響放出的熱能工廠里把它們叫做“廢熱來降低生產(chǎn)本錢。例如，在沸騰爐旁設(shè)置“廢熱鍋爐，產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電；在接觸室中設(shè)熱交換裝置，利用SO2氧化為SO3時(shí)放出的熱來預(yù)熱即將參加反響的SO2和O2，使其到達(dá)適宜于反響的溫度。據(jù)測(cè)算，生產(chǎn)1t硫酸約需消耗100 kwh的電能，而相應(yīng)量反響物在生產(chǎn)過程中放出的反響熱相當(dāng)于200 kWh的電能。也就是說，生產(chǎn)中如能充分利用這些“廢熱，那么不僅不需要由外界向硫酸廠供給能量，而且還可以由硫酸廠向外界輸出大量的能量。三、生產(chǎn)規(guī)模和廠址選擇現(xiàn)代化工生產(chǎn)一般要求有較大的規(guī)模。這是因?yàn)榇笮凸S的投資較大，便于采用先進(jìn)的技術(shù)以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且有關(guān)“廢熱利

15、用、環(huán)境保護(hù)等輔助設(shè)施也便于處理。例如，據(jù)報(bào)道，國(guó)外一套年產(chǎn)40萬噸的硫黃制硫酸裝置比年產(chǎn)20萬噸的裝置本錢低14；我國(guó)一套年產(chǎn)10萬噸的黃鐵礦制硫酸裝置比年產(chǎn)3萬噸的裝置本錢低23。考慮我國(guó)的實(shí)際情況，有關(guān)部門主張，在一般情況下，應(yīng)開展年產(chǎn)4萬噸以上的制硫酸裝置?；S廠址選擇是一個(gè)復(fù)雜的問題，它涉及原料、水源、能源、土地供給、市場(chǎng)需求、交通運(yùn)輸和環(huán)境保護(hù)等諸多因素。應(yīng)對(duì)這些因素全面綜合地考慮，權(quán)衡利弊，才能作出正確的選擇。硫酸廠廠址的選擇是一個(gè)典型的例子。硫酸是一種腐蝕性液體，不能像普通固體化工產(chǎn)品那樣可以較多地貯存，需要隨產(chǎn)隨銷。硫酸的運(yùn)輸價(jià)格比擬貴。據(jù)估算1t H2SO4的運(yùn)價(jià)約為同質(zhì)

16、量黃鐵礦礦石的三倍。這樣就決定了硫酸廠靠近消費(fèi)中心比靠近原料產(chǎn)地更為有利。因此，考慮到綜合經(jīng)濟(jì)效益，硫酸廠廠址離硫酸消費(fèi)中心不能太遠(yuǎn)。在決定建廠規(guī)模時(shí)，可以考慮在消費(fèi)中心建廠規(guī)模大些，在遙遠(yuǎn)或硫酸用量不多的地區(qū)，建廠規(guī)模小些。環(huán)保問題是硫酸廠選址的另一個(gè)重要因素。硫酸廠對(duì)環(huán)境的污染是比擬嚴(yán)重的。限于當(dāng)前的技術(shù)水平，即使十分注意“三廢處理，也難以到達(dá)較高的環(huán)保要求。因此，硫酸廠不應(yīng)建在人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū)。討論1在以下條件下，你認(rèn)為A城市該不該建硫酸廠？1A城市郊區(qū)有豐富的黃鐵礦資源，水源、能源充足，交通方便。2A城市需使用硫酸的工業(yè)不多，而離它遠(yuǎn)的B城市卻是一個(gè)消耗硫酸甚多的工業(yè)

17、城市。3A城市是一個(gè)風(fēng)光秀麗的旅游城市，對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求甚高，而且土地價(jià)格較貴，土地供給緊張。2有人建議在C地建一個(gè)大型磷肥廠，并配套建一個(gè)大型硫酸廠。分析以下情況，判斷此建議是否合理。1C地是重要的農(nóng)業(yè)區(qū)，需消耗大量的肥料。2C地有豐富的磷灰石礦藏，水源、能源充足，土地價(jià)格較低，土地供給充足，交通方便。3磷肥是由磷灰石有效成分是Ca3PO42與H2SO4作用制得的，制造磷肥需消耗大量的硫酸。4C地?zé)o磷肥廠和硫酸廠，在相鄰的D地有豐富的黃鐵礦資源。 習(xí)題一、問答題1充分利用硫酸生產(chǎn)過程的反響熱有什么意義？2環(huán)境保護(hù)與原料的綜合利用有什么意義？硫酸廠的廢氣可如何處理？3化工廠廠址選擇應(yīng)綜合考慮哪

18、些因素？硫酸廠選址和確定建廠規(guī)模有何特殊性？二、計(jì)算題1制造硫酸過程中，進(jìn)入接觸室的氣體體積組成是：SO27，O211，N282?，F(xiàn)有100體積的這種混合氣體在接觸室里反響，一段時(shí)間后總體積變?yōu)?6.7體積。求反響后混合氣體中N2和O2的體積比是多少。2在101 kPa時(shí)完全燃燒1t硫黃，應(yīng)放出多少熱量？可在書中查閱有關(guān)數(shù)據(jù)單元小結(jié)一、接觸法制硫酸1造氣世界上制造硫酸主要以硫黃作原料，我國(guó)由于硫黃資源較少，主要以黃鐵礦作原料。燃燒硫黃或黃鐵礦就可以制得SO2。2接觸氧化SO2在一定溫度400500和催化劑存在的條件下，被空氣中的O2氧化為SO3。由于在常壓下SO2轉(zhuǎn)化為SO3的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，

19、而且催化劑要求較高的反響溫度，所以一般不采用高壓、低溫的反響條件。3三氧化硫的吸收反響的本質(zhì)是SO3與H2O化合生成H2SO4。但由于用H2O吸收SO3會(huì)形成不利于吸收的酸霧，所以工業(yè)上用98.3的硫酸來吸收SO3，然后再稀釋成所需濃度的硫酸。二、關(guān)于硫酸工業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益的討論1環(huán)境保護(hù)與原料的綜合利用化工生產(chǎn)必須保護(hù)環(huán)境，嚴(yán)格治理“三廢，并盡可能把“三廢變?yōu)橛杏玫母碑a(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)原料的綜合利用。硫酸廠的“三廢經(jīng)處理后，不僅消除了污染，而且也使SO2和黃鐵礦礦渣得到合理利用。2能量的充分利用許多化學(xué)反響是放熱反響?；どa(chǎn)中應(yīng)充分利用反響熱，這對(duì)于降低本錢具有重要意義。硫酸生產(chǎn)中的反響熱得到充分利用后，不僅不需要由外界向硫酸廠供給能量，而且還可以由硫酸廠向外界輸出大量能量。3生產(chǎn)規(guī)模和廠址選擇一般說來，現(xiàn)代化工生產(chǎn)要求有較大的生產(chǎn)規(guī)模?；S廠址選擇，涉及原料、水源、能源、土地供給、市場(chǎng)需求、交通運(yùn)輸和環(huán)境保護(hù)等諸多因素，應(yīng)對(duì)這些因素綜合考慮，權(quán)衡利弊，才能作出合理的抉擇。由于硫酸是腐蝕性液體，不便貯存和運(yùn)輸，因此要求把硫酸廠建在靠近硫酸消費(fèi)中心的地區(qū)。工廠規(guī)模的大小，主要由硫酸用量的多少來決定。硫酸廠選址應(yīng)避開人口稠密的居民區(qū)和環(huán)境保護(hù)要求高的地區(qū)。復(fù)習(xí)題 一、填空題1在以下四種情況下，在相同的容器