2022年高中化学第三册第五单元硫酸工业第一节接触法制硫酸.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载 备课资料一、接触法制硫酸的五个“ 三”1.三阶段：利用的原料为黄铁矿FeS2和空气,反应中其分三个阶段,二氧化硫的制取、二氧化硫氧化成三氧化硫、三氧化硫的吸取和硫酸的生成；2.三原理： 三方程 ：4FeS2 11O2高温2Fe2O38SO2SO3H2O=H 2SO4 3.三设备：结合三个阶段,有三种设备：沸腾炉 细小的矿粒后, 放在特制的炉子里燃烧；为使硫铁矿充分和快速地燃烧,把硫铁矿粉碎成 当燃烧的时候, 从炉底通入强大的空气流,把矿粒吹得在炉内肯定空间里猛烈沸腾,似乎“ 沸腾的液体” 一样,因此,此种炉子称沸腾炉 ；接触室 把生成的 SO2 和 O2 混合气体加热到肯定温度 400500,通入装有催化剂的接触室,由于催化剂又称触媒,所以该设备称接触室 ；吸取塔 通过接触室出来的 SO3 直接送入吸取塔,以便形成硫酸；SO3 和 H 2O 直接化合制得硫酸,但在吸取塔里不是直接用水来吸收 SO3,由于用水作吸取剂时,简洁形成酸雾并放出大量的热,吸取速度慢,不利于吸取SO3；在吸取塔中,是用98.3%的浓硫酸来吸取SO3的；4.三原理热交换原理 把在反应中放出的热量传递给原料,使之预热,主要在接触室中表达 ；逆流生产原理 反应物固体从上往下运动、气体从下往上运动,逆向进料,充分反应 ；连续生产原理 自开工之日起到炉子报废止不得停工,连续生产 ；5.三净化除去炉气中含有的水及砷、硒的化合物、矿尘等；净化时通过三种装置：除尘室、洗涤塔、干燥塔；二、生产硫酸的原料生产硫酸所用原料主要有：硫、硫铁矿、硫酸盐和含硫工业废物；硫硫是生产硫酸所用的主要原料之一；用硫作原料时由于杂质少,所以生产比较简洁,基建费、操作费比用其他原料要低得多；在资本主义国家以硫为原料的硫酸产量已超过60%美国占 82%；以日本为例,从 1971 年才开头用硫作原料,至 1977 年,以硫为原料的硫酸产量已达 16%以上； 我国过去很少用硫作原料,1957 年仅 1.8%,1982 年达到 16%；近年来,由于硫铁矿的大量开采和采纳冶金废气,从国外进口的硫已逐年削减,1986 年仅占4%；硫铁矿 硫铁矿也是生产硫酸所用的主要原料；我国、西德、苏联都用它作主要原料；在我国用硫铁矿生产的硫酸约占总产量的70%；硫铁矿有三种：一般硫铁矿、浮选硫铁矿和含煤硫铁矿；一般硫铁矿呈金黄色,有金属光泽,含硫 2552%,铁 3544%；其余是杂质如铜、锌、铅、砷、镍、钴、碲等的硫化物,钙、镁的硫酸盐、碳酸盐以及石英等；生产硫酸用的硫铁矿含硫一般不少于30%；广东云浮硫铁矿是我国最大的矿山,硫铁矿含硫约 37%；浮选硫铁矿是浮选铜或锌的硫化物矿所选出的废物,所以又称尾砂,其含硫量一名师归纳总结 般为 3040%；含煤硫铁矿是采煤或选煤时得到的废物,一般含硫3540%,含碳 1020%；第 1 页,共 5 页为了提高使用硫铁矿的经济效益,很多国家都在矿山进行选矿,使矿石含硫量达到50%；- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载这样不仅可以节约运输费用,而且仍可以节约操作费用,便于对矿渣和能量进行综合利用；硫酸盐 自然界的石膏 CaSO4、芒硝 Na2SO4可以作为生产硫酸的原料；如以石膏为原料可以与水泥联合生产；生产时向石膏中掺粘土以及其他水泥所需的成分,混合后在炉中灼烧,这时发生以下反应：2CaSO4C2CaOSO2 CO2Al 2O3、Fe2O3、SiO2等结合由此产生的SO2 可以用来生产H 2SO4,CaO 就与其他成分如成水泥；含硫工业废物有色冶金厂副产大量含SO2 的废气,低品位燃料燃烧后废气中也含有SO2；某些工厂的废液、污泥如金属加工厂的酸洗液、石油炼厂的废酸、污泥等都可以用来生产硫酸； 利用工业废物制造硫酸具有特别重大的意义,它不仅处理了有害废物,而且使制酸成本大为降低； 目前使用较多的废气主要是治金厂废气,用冶金废气生产的硫酸占总产量的比例：全世界为 15%,日本和加拿大为 60%和 59%；我国近年来使用冶金废气生产硫酸进展很快； 例如江西贵溪冶炼厂,利用炼铜废气生产硫酸,已成为我国单系列产量最大的硫酸厂；我国利用冶炼废气生产硫酸的比重已从1983 年的 11%上升到 1986 年的 20%；对于一个硫酸厂来讲,到底应当采纳哪种原料进行生产,主要打算于该原料是否可以经济地大量获得； 在我国, 主要原料仍旧是硫铁矿,但随着工业的进展,其他原料如工业废物及硫由于生产成本较低,所占的比重将越来越大；三、生产硫酸工艺条件的优化反应的物理化学基础说明,二氧化硫的氧化是一个可逆、放热、体积变小、活化能较大的反应；在催化剂的作用下, 可以有实际意义的反应速率；催化剂的活性温度为 430600,在 430时, 可以获得 96%以上的实际转化率；既然转化率已相当高就应当采纳一次通过流程,未转化的尾气如不进行综合利用,势必排放,这样既铺张了资源,又污染了环境；因此从提高经济效益和社会效益这一目标考虑,工艺条件应当适当提高实际转化率；但实际转化率又不能太高,由于仍需兼顾反应速率以免投资和操作费用过大；1.反应温度 优化的反应温度必需在催化剂活性范畴以内；依据可逆、 放热反应的特点, 反应开头时,反应温度应当高些例如 580,以争取获得较大的反应速率,反应后期反应温度应当低一些,例如 430440,以获得较高的转化率；图 度线；1 为不同转化率时的最优反应温度线和平稳温图 1 平稳温度线与最优反应温度线2.最终转化率提高转化率是优化的主要目标,转化率应当越大越好；转化率越大,原料利用率越高,名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 优秀学习资料 欢迎下载很多设备的生产才能越大,环保费用越少, 生产成本越低； 但是转化率越大, 反应速率越小,所需催化剂和反应器的设备费也越大 见图 2；既然转化率对生产成本有双重的、相反的影响,当生产成本对转化率作图时,必将会有一个最低点 图 3；这个最低点就是最优转化率；在二氧化硫的初始浓度为 8%以及其他生产条件下,最优转化率是 97.7%；假如二氧化硫的初始浓度为 8%,转化率为 97.7%；这时尾气所含的二氧化硫的浓度将超过排放标准, 必定另外实行废气治理措施；新建工厂常采纳两次转化的方法；它采纳的初始浓度为 10%,第一次转化率为 95%左右,反应生成的三氧化硫被吸取为硫酸,然后再进行其次次转化； 假如其次次的转化率也是 95%,就总转化率将达到 99.75%；转化率为 99.75%的尾气含二氧化硫的浓度是低于排放标准的；综上所述,两次转化法的优点是特别突出的：初始浓度大,反应速率快 转化率为 95%时的反应速率比 97.7%差不多快一倍 ,生产才能大 差大多要增产 30%,不需治理废气； 当然两次转化法也有缺点,例如需要增加一套吸取装置,需要较大的换热器,由于流程加长,动力费也必需有所增加等,但与优点相比, 这到底是次要的,因此新建硫酸厂一般都采纳两次转化法；图 2 转化率与催化剂用量图 3 转化率与成本不过当原料气的二氧化硫的浓度很低时,两次转化法并不适用,由于反应放出的热量太少,吸取时由于冷却缺失的热量较多,不足以使气体再次升温进行其次次转化；两次转化法是提高可逆反应转化率的一种特别有效的方法；两次转化法可以应用于类似的生产中 例如油脂的水解 ；不过,它必需以第一次转化与其次次转化之间的未反应物与产物的分别比较完全且简洁进行为前提；3.反应压强加压虽然可以提高平稳转化率,但实际转化率已很高,加压需要增加动力,经济上并不合算, 一般工厂都是常压法生产；但是加压可以提高转化率,使尾气达到排放标准,而且仍可以提高产量,使投资费降低,目前仅法国,加拿大,日本有少数工厂采纳加压法,压强为0.53 MPa；4.原料气组成常压两次转化法所用的原料气含 SO2 一般为 1012%；与此相对应 O2 的浓度为 86%,这是用硫铁矿和空气为原料,采纳沸腾炉所能够得到的浓度；为了提高 SO2 转化率和加快反应速率,原料气掺入少量空气,使 SO2 降为 810%,氧上升为 108%；近年来,有色冶炼厂采纳富氧、纯氧冶金法；烟气含二氧化硫的浓度可达到 20%,甚至 40%；采纳这种烟气制酸,可以大幅度地提高反应速率和设备的生产才能,这是硫酸生产的新动向；5.空速为了提高转化率,空速不宜太大,一般的采纳不循环流程的气固催化反应的空速为名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 2001000 h优秀学习资料欢迎下载600 1；详细的挑选取决于催化剂的活性,对于二氧化硫的催化氧化,空速约700 h1；四、硫酸的用途硫酸是化学工业中重要产品之一,是很多工业生产所用的重要原料；硫酸常列为国家主要重工业产品之一；硫酸的用途特别广泛,主要有以下几方面：化肥工业：硫酸与氨反应生成硫酸铵肥田粉 ,与磷矿粉反应生成过磷酸钙,每生产一吨硫酸铵要消耗750 kg 硫酸；一吨过磷酸钙要消耗360 kg 硫酸；近年来,已逐步用其他氮肥如尿素、碳酸氢铵、氨水、硝酸铵等代替硫酸铵,使硫酸用于生产氮肥的用量有所削减,但硫酸用于磷肥仍在增长；目前化肥工业主要是磷肥 仍旧是硫酸的最大用户,国外化肥用酸约占硫酸总消费量的40%,我国化肥用酸约占60%；有机合成工业： 在有机合成工业中要用硫酸生产各种磺化产品、吨锦纶需发烟硫酸 1.7 吨；一吨 TNT 消耗 360 kg 硫酸；硝化产品, 如每生产一石油工业：石油产品精炼时要用硫酸除去产品中的不饱和烃等,例如每吨柴油要消耗31 kg 硫酸；金属工业：金属铜、锌、镉、镍的精炼,其电解液需用硫酸配制；电镀、搪瓷工业需用酸洗去其表面的铁锈和氧化铁；无机盐工业：在无机盐工业中,硫酸作为一种最易大量获得、价格低廉的酸,用以生产各种硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等；原子能工业：大量硫酸用于离子交换法提取铀；五、工业上制备硫酸,为什么要用98.3%的硫酸来吸取SO3,而不是用水或其他浓度的硫酸？由于工业上对三氧化硫的吸取,或发烟硫酸；既要速度快, 又要使 SO3 吸取完全, 仍期望得到浓硫酸当用水或稀硫酸来吸取 SO3 时,由于在水 或稀硫酸 表面上有大量水蒸气, 它立刻与 SO3分子化合成气态硫酸分子；它们来不及被水吸取就相互凝结成雾滴酸雾；它比三氧化硫的颗粒大,扩散速度慢,不易被水吸取,使吸取不完全；为了不使三氧化硫在吸取过程中形成酸雾应当采纳液面上不含水蒸气或少含水蒸气的硫酸；又为了使三氧化硫尽可能吸取完全,仍应当采纳不含三氧化硫蒸气或三氧化硫蒸气最少的硫酸；通过试验测得 98.3%的浓硫酸兼有以上二个特点；浓度大于 98.3%的硫酸,虽然液面上基本没有水蒸气,但有三氧化硫；浓度小于98.3%的硫酸,液面上虽然基本没有三氧化硫但有水蒸气；硫酸浓度越大,三氧化硫就越多；硫酸浓度越小,水蒸气就越多,只有98.3%的硫酸液面上水蒸气和三氧化硫都很少；所以用98.3%的硫酸吸取三氧化硫；六、发烟硫酸、纯硫酸、浓硫酸、稀硫酸有何区分和联系？将 SO3 气体溶解在浓硫酸中所成的溶液称为发烟硫酸；发烟硫酸暴露在空气中时,挥发出的 SO3 气体和空气中的水蒸气形成硫酸的小液滴而发烟；发烟硫酸的脱水性、吸水性和氧化性都比浓硫酸更强；在硫酸工业上常用 98.3%的硫酸来吸取 SO3,得到发烟硫酸,再用92.3%硫酸来稀释发烟硫酸,得到市售的 98.3%浓硫酸；纯硫酸是无色油状液体,100%的纯硫酸几乎不导电；加热纯硫酸放出 SO3 直至酸的浓度降低至 98.3%,此时沸点为 法得到无水硫酸；338,再连续加热,硫酸的浓度不变,所以不能用蒸发的方市售的浓硫酸一般含有H2SO4 为 9698%,比重 1.84 克/毫升,相当于18 摩/升；具有强烈的吸水性、氧化性、脱水性,能把铁、铝钝化；通常用来制取氢气的稀硫酸其浓度约为34 摩/升,具有酸的通性, 无吸水性、 脱水性,名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 能和铁、铝猛烈反应放出H2；优秀学习资料欢迎下载七、怎样用关系式法解有关接触法生产硫酸的问题？例如：以硫铁矿为原料,用接触法制硫酸,如燃烧硫铁矿中硫的缺失率为 10%,SO 2 氧化时的转化率为 90%,SO3 的吸取率为 95%；生产 20 吨 98%的浓硫酸, 需含 FeS2 75%的硫铁矿多少吨？解由 FeS2 制 H2SO4 的三个反应方程式得出以下关系式：燃烧硫铁矿硫的缺失率10%可视为 FeS2 的利用率为90%,SO2 的转化率、 SO3 的吸取率都可视为 FeS2 的利用率；设：需含 FeS2 75%的硫铁矿为 x 吨；就：FeS22H2SO4120 2× 98 x·75%·90%·90%· 95% 20× 98% 所以 120× 20× 98%=x·75%·90%·90%·95%× 2× 98 所以 x=20.8 吨答：需 75%的 FeS2 的硫铁矿 20.8 吨；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页