【鼎尖教案】高中化学(大纲版)第三册第五单元硫酸工业第一节接触法制硫酸(备课资料).pdf
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1、 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、三氧化硫的吸收和硫酸的生成。2.三原理:(三方程):4FeS211O2高温2Fe2O38SO2 SO3H2O=H2SO4 3.三设备:结合三个阶段,有三种设备:沸腾炉(为使硫铁矿充分和迅速地燃烧,把硫铁矿粉碎成细小的矿粒后,放在特制的炉子里燃烧。当燃烧的时候,从炉底通入强大的空气流,把矿粒吹得在炉内一定空间里剧烈沸腾,好像“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混合气体加热到一定温度 400500,通入装有催
2、化剂的接触室,因为催化剂又称触媒,所以该设备称接触室);吸收塔(通过接触室出来的 SO3直接送入吸收塔,以便形成硫酸。SO3和 H2O 直接化合制得硫酸,但在吸收塔里不是直接用水来吸收 SO3,因为用水作吸收剂时,容易形成酸雾并放出大量的热,吸收速度慢,不利于吸收SO3。在吸收塔中,是用 98.3%的浓硫酸来吸收 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,主要在接触室中体现);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
3、、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,所以生产比较简单,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 年才开始用硫作原料,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用冶金废气,从国外进口的硫已逐年减少,1986 年仅占4%。硫铁矿 硫铁矿也是
4、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:普通硫铁矿、浮选硫铁矿和含煤硫铁矿。普通硫铁矿呈金黄色,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%。为了提高使用硫铁矿的经济效益,许多国
5、家都在矿山进行选矿,使矿石含硫量达到50%。这样不仅可以节省运输费用,而且还可以节省操作费用,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,这时发生下列反应:2CaSO4C2CaOSO2CO2 由此产生的 SO2可以用来生产 H2SO4,CaO 则与其他成分如 Al2O3、Fe2O3、SiO2等结合成水泥。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
6、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非常重大的意义,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发展很快。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,究竟应该采用哪种原料进行生产,主要决定于该原料是否可以经济地大量获得。在我国,主要原料仍然是硫铁矿,但随着工业的发展,其他原料
7、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该采用一次通过流程,未转化的尾气如不进行综合利用,势必排放,这样既浪费了资源,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,因为还需兼顾反应速率以免投资和操作费用过大。1.反应温度 优化的反应温度必须在催化剂活性范围以内
8、。根据可逆、放热反应的特点,反应开始时,反应温度应该高些例如 580,以争取获得较大的反应速率,反应后期反应温度应该低一些,例如 430440,以获得较高的转化率。图 1 为不同转化率时的最优反应温度线和平衡温度线。图 1 平衡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,转化率应该越大越好。转化率越大,原料利用率越高,许多设备的生产能力越大,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
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