工业上如何脱硫？制硫酸

Answer 1

接触法制硫酸

　接触法制硫酸可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气（含有一定量的SO₂）等作原料。世界上主要用硫黄作原料制硫酸，是因为用硫黄作原料成本低，对环境的污染少。我国由于硫黄矿产资源较少，主要用黄铁矿作原料，部分工厂用有色金属冶炼厂的烟气、矿产硫黄或从石油、天然气脱硫获得的硫黄作原料。

　　工业制造硫酸的生产过程主要分三个阶段。

　　一、造气

　　将硫黄或经过粉碎的黄铁矿，分别放在专门设计的燃烧炉中，利用空气中的氧气使其燃烧，就可以得到SO₂。

ΔH＝－297 kJ／mol

ΔH＝－853kJ／mol

　　燃烧黄铁矿是在沸腾炉中进行的。当黄铁矿矿粒燃烧的时候，从炉底通入强大的空气流，在炉内一定空间里把矿粒吹得剧烈翻腾，好像“沸腾着的液体”。因此，人们把这种燃烧炉叫做沸腾炉（如上图）。由于矿粒在沸腾炉中燃烧得比较完全，从而可提高原料的利用率。

　　从燃烧炉中出来的气体叫做炉气。用燃烧黄铁矿制得的炉气含有SO₂、O₂、N₂、水蒸气以及一些杂质，如砷、硒等的化合物和矿尘等。杂质和矿尘都会使催化剂中毒，水蒸气对设备和生产也有不良影响。因此，在进行下一步氧化反应以前，必须对炉气进行净化和干燥处理。用燃烧硫黄制得的炉气除含有SO₂、O₂和N₂外，杂质较少，不需要经过净化和干燥处理。

　　二、接触氧化

　　经过净化、干燥的炉气（其成分体积分数分别约为：SO₂7％，O₂11％，N₂82％）进入接触室（见“接触法制硫酸流程图”），发生氧化反应，生成SO₃。

　　SO₂跟O₂是在催化剂（如V₂O₅等）表面上接触时发生反应的，所以，这种生产硫酸的方法叫做接触法。

　　SO₂接触氧化反应在什么条件下进行最为有利呢？

　　1．温度

　　SO₂接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断可知，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。表1列出的一系列实验数据也证明了这一点。

_表1 不同温度下SO₂的平衡转化率

　　但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益来考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400℃～500℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO₂的平衡转化率（93.5％～99.2％）都比较理想。

　　2．压强

　　SO₂的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。表2列出了压强对SO₂平衡转化率影响的一系列实验数据。

　　讨论1 根据化学平衡理论和表2的数据，考虑综合经济效益，你认为SO₂的接触氧化反应在什么压强下进行最为有利？

　　表2的数据说明，增大气体压强，能相应提高SO₂的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，而且常压下400℃～500℃时，SO₂的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压进行操作，并不加压。

　　由于SO₂的氧化反应需在400℃～500℃条件下进行，因此，反应前必须把炉气预热到这个温度；又由于此反应是放热反应，随着反应的进行，反应环境的温度会不断升高，这不利于SO₃的生成。所以在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换器，用来把反应生成的热，传递给进入接触室需要预热的炉气，还可以冷却反应后生成的气体。

　　三、三氧化硫的吸收
　　从接触室出来的气体，主要是SO₃、N₂以及剩余的未起反应的O₂和SO₂。SO₃与H₂O化合就生成了H₂SO₄。

SO₃（g）＋H₂O（l）====H₂SO₄（l）
ΔH＝－130.3 kJ／mol

　　H₂SO₄虽然是由SO₃跟H₂O化合制得的，但工业上并不直接用H₂O或稀硫酸来吸收SO₃。因为那样容易形成酸雾，不利于对SO₃的吸收。为了尽可能提高吸收效率，工业上用H₂SO₄质量分数为98.3％的硫酸作吸收。
吸收过程在吸收塔里进行。为了增大SO₃跟98.3％的硫酸的接触面积，强化吸收过程，在吸收塔里装填了大量瓷环。吸收操作采取逆流的形式，SO₃从吸收塔的下部通入，98.3％的硫酸从吸收塔顶喷下，供稀释用的硫酸从吸收塔底放出。98.3％的硫酸吸收SO₃后浓度增大，可用H₂O或稀硫酸稀释，制得各种浓度的。

　　从吸收塔上部导出的是N₂、没有起反应的O₂和少量SO₂，如果把它们当作尾气直接排入大气，既会造成原料浪费，又会造成环境污染。因此，应将上述气体再次通入接触室，进行第二次氧化，然后再进行一次吸收。这样经过两次氧化和吸收的气体，剩余SO₂的含量已经很少了。最后再将这种尾气加以净化回收处理，既可消除SO₂对大气的污染，又可充分利用原料。

　　资料

　　热交换器是化学工业里广泛应用的热交换设备，它有多种形式。在多数热交换器内部，装有许多平行的管道或蛇管，以扩大传热面，提高热交换效果。一种流体在管道内流动。两种流体通过管壁进行热交换，热的流体得到冷却，冷的流体得到加热。