工业上如何脱硫?制硫酸

Question

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.