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第五单元硫酸工业用本讲稿第一页，共二十九页硫酸的消费量是一个国家工业发达水平的一种标志硫酸的消费量是一个国家工业发达水平的一种标志(NH4)2SO4O2NNO2NO2CH3H2CO2SO2等等金属除锈金属除锈制气体制气体本讲稿第二页，共二十九页用硫燃烧生成二氧化硫，这固然是一用硫燃烧生成二氧化硫，这固然是一种方法，但根据种方法，但根据我国我国资源情况，实际资源情况，实际生产中通常用生产中通常用燃烧黄铁矿燃烧黄铁矿的方法来制的方法来制取二氧化硫，二氧化硫转化为三氧化取二氧化硫，二氧化硫转化为三氧化硫，是在接触室内进行的，因此，称硫，是在接触室内进行的，因此，称为接触法制硫酸。为接触法制硫酸。硫酸有那么多用途，工业上是如何生产硫酸有那么多用途，工业上是如何生产的呢？请同学们根据所学过的硫及其氧化物的呢？请同学们根据所学过的硫及其氧化物知识，讨论生产硫酸的原理。知识，讨论生产硫酸的原理。本讲稿第三页，共二十九页阅读教材阅读教材P5861并思考并思考1、工业制硫酸的原料有哪些？、工业制硫酸的原料有哪些？2、工业制硫酸分几个阶段？、工业制硫酸分几个阶段？每个阶段的反每个阶段的反应原理是什么？用到什么典型设备？应原理是什么？用到什么典型设备？3、工业制硫酸生产流程？、工业制硫酸生产流程？本讲稿第四页，共二十九页第一节第一节接触法制硫酸接触法制硫酸 接触法制硫酸分三个阶段，第一阶段是二氧化硫的制取接触法制硫酸分三个阶段，第一阶段是二氧化硫的制取和净化，第二阶段是二氧化硫氧化成三氧化硫，第三阶段是和净化，第二阶段是二氧化硫氧化成三氧化硫，第三阶段是三氧化硫的吸收和硫酸的生成三氧化硫的吸收和硫酸的生成.本讲稿第五页，共二十九页4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 高高温温氧化剂：氧化剂：还原剂：还原剂：氧化产物：氧化产物：还原产物：还原产物：O2FeS2Fe2O3、SO2Fe2O3、SO2如果有如果有4摩尔的摩尔的FeS2参加反应，电子转移为参加反应，电子转移为摩尔。摩尔。44一、硫酸工业生产的原理一、硫酸工业生产的原理第一步：造气第一步：造气本讲稿第六页，共二十九页4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 高高温温一、硫酸工业生产的原理一、硫酸工业生产的原理SO3+H2OH2SO4第一步：造气第一步：造气第二步：接触氧化第二步：接触氧化第三步：三氧化硫的吸收第三步：三氧化硫的吸收沸腾炉沸腾炉接触室接触室吸收塔吸收塔2SO2+O22SO3催化剂催化剂加加热热S+O2SO2 点燃点燃本讲稿第七页，共二十九页空气空气炉气炉气矿矿渣渣1、造气、造气主要设备：主要设备：沸沸腾腾炉炉二、硫酸工业生产的流程二、硫酸工业生产的流程主要反应：主要反应：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 高高温温思考：思考：焙烧黄铁矿的炉子为什焙烧黄铁矿的炉子为什么叫沸腾炉？黄铁矿为什么要么叫沸腾炉？黄铁矿为什么要粉碎？为什么通入强大的空气粉碎？为什么通入强大的空气流？燃烧黄铁矿为什么不要多流？燃烧黄铁矿为什么不要多加燃料？加燃料？扩大反应物的接触面，通扩大反应物的接触面，通入强大的空气流可以加快入强大的空气流可以加快反应，提高原料利用率，反应，提高原料利用率，这种方法常用于工业生产这种方法常用于工业生产中中,黄铁矿燃烧反应是放热黄铁矿燃烧反应是放热的，故燃烧的黄铁矿不需的，故燃烧的黄铁矿不需要多加燃料要多加燃料。本讲稿第八页，共二十九页空气空气炉气炉气矿矿渣渣1、造气、造气主要设备：主要设备：沸沸腾腾炉炉二、硫酸工业生产的流程二、硫酸工业生产的流程主要反应：主要反应：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2 高高温温思考：思考：炉气的炉气的主要成主要成分是分是什什么？为么？为什么对什么对炉气进炉气进行净化行净化和干燥和干燥处理？处理？炉气的主要成分是炉气的主要成分是SO2、O2、N2、H2O（g）以及一些以及一些杂质，如砷、硒等杂质，如砷、硒等的化合物和矿尘等。的化合物和矿尘等。（1）杂质和矿尘都）杂质和矿尘都会使催化剂中毒会使催化剂中毒（2）水蒸气对设备和）水蒸气对设备和生产有不良影响生产有不良影响本讲稿第九页，共二十九页讨论、讨论、SO2转化成转化成SO3的反应特点是什么？第二生产阶的反应特点是什么？第二生产阶段的反应条件是什么？为什么采用这个条件呢？段的反应条件是什么？为什么采用这个条件呢？反应条件：反应条件：反应特点：可逆反应；正反应为放热的、气反应特点：可逆反应；正反应为放热的、气体体积缩小的反应体体积缩小的反应2SO2(g)+O2(g)2SO3(g);H=-196.6kJ/mol催化剂催化剂高温高温低温、低温、高压、高压、催化剂催化剂400-500、常压常压、催化剂：五氧化二矾（V2O5）温度：400至500摄氏度压强：常压本讲稿第十页，共二十九页N2接接触触室室思考：思考：接触室中热交换器的作用接触室中热交换器的作用?从接触从接触室出来的气体成分是什么？室出来的气体成分是什么？2、接触氧化接触氧化 主要设备：主要设备：接触室接触室主要反应：主要反应：2SO2+O22SO3催化剂催化剂加加热热热交换原理：热交换原理：热交换气中冷热气体的流热交换气中冷热气体的流向是相反的，冷的气体向是相反的，冷的气体（SO2、O2、N2）被预热，而热的气体被预热，而热的气体（SO3、SO2、O2、N2）被冷却，这种方式能够节约能源，在被冷却，这种方式能够节约能源，在工业生产中广泛采用。工业生产中广泛采用。二氧化硫与氧气生成三氧化硫的反应是可二氧化硫与氧气生成三氧化硫的反应是可逆反应，因此从接触室出来的气体为逆反应，因此从接触室出来的气体为三氧三氧化硫、二氧化硫、氧气和氮气化硫、二氧化硫、氧气和氮气的混合气。的混合气。本讲稿第十一页，共二十九页练习练习1、CuFeS2是黄铁矿的另一成分，煅烧时转化为是黄铁矿的另一成分，煅烧时转化为CuO、Fe2O3和和SO2，由硫酸，由硫酸厂沸腾炉排出的矿渣中含有厂沸腾炉排出的矿渣中含有CuO、Fe2O3和和CuSO4（CuSO4由由CuO与与SO3在沸腾炉中化合而成），在沸腾炉中化合而成），其中硫酸铜的质量分数随沸腾炉温度不同而变化（见下表）其中硫酸铜的质量分数随沸腾炉温度不同而变化（见下表）沸腾炉温度沸腾炉温度/600620640660矿渣中矿渣中CuSO4的的质量分数质量分数/%9.39.29.08.4已知已知CuSO4在低于在低于660时不会分解，请用平衡移时不会分解，请用平衡移动原理分析硫酸铜的质量分数随温度升高而降低的原因动原理分析硫酸铜的质量分数随温度升高而降低的原因？因为因为SO2转化为转化为SO3的反应是可逆的，随着温度升高，的反应是可逆的，随着温度升高，平衡向生成平衡向生成SO2的方向移动，所以升温，的方向移动，所以升温，SO3的含量减少，的含量减少，CuSO4的含量也随之减少。的含量也随之减少。本讲稿第十二页，共二十九页3、SO3的的吸收吸收 主要设备：主要设备：吸收塔吸收塔主要反应：主要反应：SO3+H2OH2SO4吸吸 收收 塔塔思考：思考：吸收三氧化硫为什么不用水和稀吸收三氧化硫为什么不用水和稀硫酸，而用硫酸，而用98.3%的浓硫酸？浓硫酸为的浓硫酸？浓硫酸为什么必须从塔顶喷下？什么必须从塔顶喷下？逆流原理：逆流原理：三氧化硫与水反应，放出三氧化硫与水反应，放出大量的热，用水或稀硫酸吸收三氧化大量的热，用水或稀硫酸吸收三氧化硫易形成酸雾，酸雾的形成不利于气硫易形成酸雾，酸雾的形成不利于气体三氧化硫被进一步吸收，吸收速度体三氧化硫被进一步吸收，吸收速度慢，且吸收不完全，慢，且吸收不完全，98.3%的浓硫酸从的浓硫酸从塔顶淋下，气体由下往上，流向相反，塔顶淋下，气体由下往上，流向相反，充分接触，吸收更完全，充分接触，吸收更完全，由此看来工由此看来工业生产上特别重视生产的速度及原料业生产上特别重视生产的速度及原料的利用率。的利用率。本讲稿第十三页，共二十九页二、硫酸工业生产的流程二、硫酸工业生产的流程沸沸腾腾炉炉接接触触室室吸吸收收塔塔净净化化冷冷却却尾尾气气空气空气本讲稿第十四页，共二十九页讨论讨论一、在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学一、在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学反应速率知识？反应速率知识？1、硫磺或黄铁矿在送入沸腾炉之前要经过粉碎。、硫磺或黄铁矿在送入沸腾炉之前要经过粉碎。2、从沸腾炉底部鼓入强大空气流。、从沸腾炉底部鼓入强大空气流。3、二氧化硫的氧化过程中使用催化剂。、二氧化硫的氧化过程中使用催化剂。4、采用、采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。的浓硫酸吸收三氧化硫。5、三氧化硫的吸收采用逆流原理、三氧化硫的吸收采用逆流原理。6、在吸收塔中填入了大量瓷环。、在吸收塔中填入了大量瓷环。本讲稿第十五页，共二十九页二、在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学平二、在硫酸工业生产中哪些地方涉及到了化学平衡知识？衡知识？1、经过净化、干燥的炉气中，氧气的、经过净化、干燥的炉气中，氧气的含量相对要多。含量相对要多。2、选择适宜的反应温度。、选择适宜的反应温度。3、选择适宜的反应压强。、选择适宜的反应压强。本讲稿第十六页，共二十九页练习练习2、在硫酸的工业制法中，下列生产操作与、在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因说明生产操作的主要原因两者都正确的是：两者都正确的是：A、硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿、硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能沸腾燃烧不能沸腾燃烧B、从沸腾炉出来的气体需要净化，因为炉气中、从沸腾炉出来的气体需要净化，因为炉气中二氧化硫会与杂质反应二氧化硫会与杂质反应C、二氧化硫氧化成三氧化硫进需要使用催化剂，、二氧化硫氧化成三氧化硫进需要使用催化剂，这样可以提高二氧化硫的转化率这样可以提高二氧化硫的转化率D、三氧化硫用、三氧化硫用98.3%的浓硫酸吸收，目的是的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，以便使三氧化硫吸收完全防止形成酸雾，以便使三氧化硫吸收完全D本讲稿第十七页，共二十九页1用三句话概括反应原理：用三句话概括反应原理：燃烧硫磺或黄铁矿石制取燃烧硫磺或黄铁矿石制取SO2；SO2在适当温度和催化剂在适当温度和催化剂作用下氧化成作用下氧化成SO3；SO3与水化合生成与水化合生成H2SO4。2三个主要反应：三个主要反应：4FeS2(s)11O2(g)2Fe2O3(s)+8SO2(g)；H=-3412kJ/mol2SO2(g)O2(g)2SO3(g)；H-196.6kJ/mol；SO3(g)H2O(l)H2SO4(l)；H=-130.3kJ/mol。3 3三个生产阶段：造气；接触氧化；三个生产阶段：造气；接触氧化；SOSO3 3的吸收。的吸收。4 4三种设备：沸腾炉；接触室；吸收塔。三种设备：沸腾炉；接触室；吸收塔。5 5三种杂质：矿尘；砷、硒等化合物；水蒸气。三种杂质：矿尘；砷、硒等化合物；水蒸气。硫酸工业总结硫酸工业总结三原料：三原料：黄铁矿，空气，水黄铁矿，空气，水本讲稿第十八页，共二十九页6三种净化方法：洗涤；除尘；干燥。三种净化方法：洗涤；除尘；干燥。7 7接触氧化的三个适宜条件：压强用常压；温度接触氧化的三个适宜条件：压强用常压；温度为为400400500500；催化剂主要为；催化剂主要为V V2 2O O5 5。8三废：废气三废：废气(主要为主要为SO2)；废水；废水(主要含硫酸主要含硫酸)；废；废渣渣(含铁量较高含铁量较高)。本讲稿第十九页，共二十九页三三阶阶段段造气造气接触氧化接触氧化SO3的吸收的吸收三原料三原料三反三反应应（均放（均放热热）4FeS2 +11 O2=2Fe2O3+8SO2 催化剂催化剂2SO2+O2 2SO3 400-500 SO3+H2O=H2SO4三三设备设备沸腾炉沸腾炉接触室接触室吸收塔吸收塔工工艺艺要求要求黄铁矿黄铁矿(硫磺硫磺)、空气、空气98.3%浓硫酸浓硫酸铁矿粉碎，铁矿粉碎，炉气净化炉气净化用两层催化剂用两层催化剂用热交换器用热交换器用用98.3%的浓硫的浓硫酸吸收酸吸收SO3-高温高温小结小结四、环保四、环保本讲稿第二十页，共二十九页H2SO4SO3SO2SFeS2SO3+H2O=H2SO4S+O2=SO2点燃4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2高温三个反应原理三个反应原理催化剂2SO2+O22SO31、SSO2SO3H2SO42、FeS22SO22SO32H2SO4三、涉及三、涉及硫酸工业的计算硫酸工业的计算本讲稿第二十一页，共二十九页物质纯度、转化率、产率的计算方法物质纯度、转化率、产率的计算方法 一种化合物中，一种元素的转化率等于该化合物的转化率，例如在一种化合物中，一种元素的转化率等于该化合物的转化率，例如在FeS2向向SO2转化的过转化的过程中，若硫元素的转化率为程中，若硫元素的转化率为99%，则，则FeS2的转化率也为的转化率也为99%。在一种组成固定的混合物中，一种组分的转化率等于该混合物的转化率，例如在一种组成固定的混合物中，一种组分的转化率等于该混合物的转化率，例如在含在含FeS230%的黄铁矿向的黄铁矿向SO2转化的过程中，若转化的过程中，若FeS2的转化率为的转化率为85%，则该黄铁，则该黄铁矿石的转化率也为矿石的转化率也为85%。在同一个化学反应或多个相关联的化学反应中，具有个别元素质量守恒关系的反应在同一个化学反应或多个相关联的化学反应中，具有个别元素质量守恒关系的反应物和生成物，反应物的转化率等于生成物的产率，例如在物和生成物，反应物的转化率等于生成物的产率，例如在FeS2向向SO2转化的过程中，转化的过程中，FeS2的转化率必等于的转化率必等于SO2的产率，在的产率，在FeS2向向H2SO4转化的过程中，转化的过程中，FeS2的转化率等的转化率等于于H2SO4的产率。的产率。本讲稿第二十二页，共二十九页例例1:含含FeS S2 280%的硫铁矿，煅烧时损失硫的硫铁矿，煅烧时损失硫5%，SO O2 2氧化时损失氧化时损失20%硫，求制取硫，求制取1吨吨98%的的浓硫酸需这种矿石浓硫酸需这种矿石_吨。吨。解答：解答：解答：解答：1.写出各步反应的化学方程式写出各步反应的化学方程式2.根据化学方程式列出关系式根据化学方程式列出关系式3.3.根据守恒原理进行计算根据守恒原理进行计算根据守恒原理进行计算根据守恒原理进行计算FeS22H2SO4 120 298 120 2984FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO22SO2+O22SO3SO3+H2O=H2SO4FeS22SO22SO32H2SO4x80%(1-5%)(1-20%)1t98%本讲稿第二十三页，共二十九页例例2：燃烧燃烧1吨含二硫化亚铁吨含二硫化亚铁90%的黄铁矿，在理的黄铁矿，在理论上能生产多吨论上能生产多吨98%的硫酸（设有的硫酸（设有1.5%的硫留在炉的硫留在炉渣里）？渣里）？解析：解析：由工业生产硫酸的反应方程式可得下列由工业生产硫酸的反应方程式可得下列关系式。关系式。设：能生成设：能生成98%98%的硫酸的硫酸x x吨吨 FeSFeS2 2 2SO 2SO2 2 2SO2SO3 3 2H 2H2 2SOSO4 4 120 298 120 2981t90%(1-1.5%)xt98%1t90%(1-1.5%)xt98%x=1.478 x=1.478本讲稿第二十四页，共二十九页解答：解答：3.3.根据硫元素守恒可得：根据硫元素守恒可得：根据硫元素守恒可得：根据硫元素守恒可得：SH2SO4例例3：某化工厂设计院承担某硫酸厂的设计任务，：某化工厂设计院承担某硫酸厂的设计任务，该厂要求：控制污染和提高生产效率，不再使该厂要求：控制污染和提高生产效率，不再使用黄铁矿，改用固体硫为原料；每天生产用黄铁矿，改用固体硫为原料；每天生产98%的硫酸的硫酸50吨，其中吨，其中SO2的转化率为的转化率为80%；求每天；求每天消耗含杂质消耗含杂质5%的固体硫多少吨？的固体硫多少吨？32 98 32 98x(1-5%)80%x(1-5%)80%50t98%本讲稿第二十五页，共二十九页1在O2中灼烧0.40g硫和铁的化合物，使其中的硫全部转化为SO2，把这些SO2全部氧化并转化为H2SO4。这些硫酸与20mL、0.50mol/L NaOH溶液完全中和。则原化合物中硫的质量分数为 A30B36.4C40D53.32在FeS2SO2的转化过程中，每转移1mol电子时产生SO2的体积是（折算为标准状况）A0.51LB4.07LC16.3LD22.4LBC练习题练习题本讲稿第二十六页，共二十九页3、黄铜矿（主要成分黄铜矿（主要成分CuFeS2）是提取铜的主要原料。）是提取铜的主要原料。（1）取）取12.5g黄铜矿样品，经测定含黄铜矿样品，经测定含3.60硫（杂质不硫（杂质不含硫），则矿样中含硫），则矿样中CuFeS2的含量为多少？的含量为多少？CuFeS2 -2S 184 64184 64 12.5Xg 3.60gXg 3.60g（2）已知）已知2CuFeS2+4O2=Cu2S+3SO2+FeO（炉渣），产物（炉渣），产物Cu2S在在1200高温下继续反应：高温下继续反应：2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2;2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2,则则由由2摩尔摩尔CuFeS2完全反应生成完全反应生成2摩尔铜时，需消耗氧气的物摩尔铜时，需消耗氧气的物质的量是：质的量是：由已知反应方程式可得：由已知反应方程式可得：2CuFeS2+5O2=2Cu+4SO2+2FeO5摩尔摩尔本讲稿第二十七页，共二十九页本讲稿第二十八页，共二十九页本讲稿第二十九页，共二十九页