接触法制硫酸基础知识精讲【基础知识精讲】一、制硫酸的原料、原理、设备和生产流程（1）四个“三”① 三种主要原料 黄铁矿（或硫黄），空气，98.3％的硫酸．② 三个阶段 造气阶段（制SO2），接触氧化阶段（SO2转化为SO3），三氧化硫吸收阶段（SO3转化为H2SO4或发烟硫酸）.FeS (s) + 11O (g)高温1242③ 三个反应Fe2O3(S)+ 2SO2(g)；^H=-853kJ/m01或S(s) + O2(g)点燃SO2(g) ；AH=—297kJ/molIII.巴@) + H2O(1)—巴辽⑴；^H=—130・3501④ 三种设备 沸腾炉，接触室（含热交换器），吸收塔． 每一个阶段发生一个反应和对应一种设备.（2）生产过程中采取的措施和理由（原理） ①将黄铁矿粉碎和在沸腾炉中通入过量的空气 增大黄铁矿和氧气的接触面，使燃烧得更快，更充分•保证接触室中氧化SO的用氧.2② 炉气的净化和干燥在沸腾炉中燃烧黄铁矿制得的炉气中含有SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质，如砷、硒化合物和矿尘（Fe2O3粉末）等等.矿尘的沉积会阻塞输送气体的 管道；杂质和矿尘都会使催化剂中毒而失去催化作用；水蒸气在高温下会腐蚀设备 ［即高温4HO（g）+ 3Fe Fe O + 4H 仁危险］.因此从沸腾炉出来的炉气在进入接触室前，2 3 4 2必须净化和干燥，除去矿尘、砷硒化合物和水蒸气.这样处理过的混合气体主要含SO （体2积分数7％）， O2（11％）， N2（82％）.③ 在接触室中使用热交换器 由于SO的氧化反应需在400°C〜500°C条件下进行.因2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SO的生成.所以在接触室的两层催化剂之间装上一个 3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.④ 用98・3%的浓硫酸代替水吸收SO 由于水面上存在水蒸气，水蒸气与SO生成硫 酸酸雾将水与SO隔开了，故不能用水或稀硫酸吸收SO . 98.3%的浓硫酸的表面上不存在33水蒸气，用它吸收so3不会生成硫酸酸雾，又由于so3能溶于硫酸中(即得发烟硫酸)，所以，用98・3%的浓硫酸吸收SO的效率高，能完全吸收.从吸收塔出来的硫酸是比98・3%的硫 3酸还浓的硫酸或发烟硫酸．再根据需要，用水或稀硫酸稀释这些浓硫酸，而制得各种浓度的 硫酸．在吸收塔中，气液逆流，即 98・3%的浓硫酸由上向下流， SO 气体由下向上升，两者 3在逆流过程中充分反应，完全溶解．⑤ 尾气循环氧化和用氨水吸收将尾气中未氧化的SO再次进入接触室氧化，可以提2高原料的利用率.由于SO氧化是可逆反应，SO不可能100%的转化为SO ，所以需要处2 2 3理尾气．用氨水吸收尾气可以消除环境污染．SO + 2NH - H O ==== (NH ) SO + H O2 3 2 4 2 3 2再让 (NH ) SO 和硫酸反应：4 2 3(NH ) SO + H SO ==== (NH ) SO + SO T+ H O4 2 3 2 4 4 2 4 2 2得到较为纯净的SO2又成为制硫酸的原料，(NH4)2SO4是化肥•(3)制硫酸的生产过程例 在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明操作的主要原因都正确的是( )A. 硫铁矿燃烧前需要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧B. 从沸腾炉出来的气体需净化，以提高产品纯度C. 二氧化硫氧化为三氧化硫时需用催化剂，这样可以提高反应速率D. 用98・3%的浓硫酸代替水去吸收三氧化硫，目的是防止酸雾，以便三氧化硫完全吸 收分析与解答矿石粉碎的主要目的是使燃烧得更快更充分.净化沸腾炉中出来的气体是除去有害物 质，避免矿尘阻塞管道、矿尘和杂质使接触室中的催化剂中毒和水蒸气腐蚀设备.答案 CD二、 SO 氧化成 SO 的条件选择23在化工生产上，要求又快又多地获得产品．光快不多不行，光多不快也不行．这里的“快” 指的是化学反应速率大，这里的“多”指的是原料的转化率大．故我们必须同时研究外界条 件对 SO 的氧化反应速率和化学平衡的影响．并注意这些条件与综合经济效益的关系．2根据氧化反应化学方程式：SQ( g) + (刃厂催化齐LsC>3 (g) ； AH = — 98.3 kJ /mol从加快氧化反应速率的角度考虑，可以采用升高反应的温度、增大压强和使用催化剂． 从提高 SO 的转化率的角度考虑，可以采用降低温度和增大压强．催化剂对此无影响．2化学家们和工程师们通过实验探索，并结合综合经济效益进行分析研究，找出的SO氧2化反应的合适条件是：400°C〜500°C的温度、常压、使用催化剂和使用过量的氧气(不要花 钱买的原料)．由于在400C〜500C时，催化剂的活性最好，能保证有大的氧化反应速率；使用过量 氧气能增大SO2的转化率[V(SO2)：V(O2)= 7:11].由于使用上述条件后，常压下SO2已有 快的氧化反应速率和高的转化率，基于降低生产成本和提高经济效益，故就采用常压．三、关于制硫酸中的计算关于制硫酸中的计算通常遇到两种情况：第一由原料计算产品硫酸的质量；第二由产品 硫酸计算需要原料的质量.都属于多步反应一次计算.在计算中，理解好两种关系：① 原料的利用率有传递关系.如SO的利用率可视为S的利用率，也视为FeS的利用22率.② 产物的产率等于反应物的利用率.如SO的产率可视为SO的利用率，也可视为S32或FeS的利用率.2例 燃烧500t含硫48%的黄铁矿，若在沸腾炉中有2%的FeS损失，在接触室中SO23的产率为96%，计算生成98%的浓硫酸的质量.分析与解答硫第一次(沸腾__炉__中__)_利__用__了_98%，第二次(接触室中)利用96%.故有：S H SO24 30 98500t x 48% x 98% x 96% 一 x x 98%x=705・6t答案 生成705・6t 98%的浓硫酸.【重点难点提示】 1．化学反应原理及综合经济效益原则 2．SO2 的接触氧化(条件分析)．3．SO2 (尾气)的吸收．【典型例题分析】例 1 接触法制 H SO 的尾气中 SO 可用碱性溶液氨水吸收，吸收达到饱和后的溶液 2 4 2再与93%的硫酸反应，可放出SO并得(NH ) SO溶液.此法可制得较纯SO .将2 4 2 4 2(NH ) SO 溶液结晶、分离、干燥后可制得固体硫酸铵肥料.4 2 4(1) 写出有关反应的化学方程式；(2) 某厂每天排放含SO2体积分数为0.2%的尾气1000m3，问每天要消耗同温同压下(设标准状况)的氨气多少立方米？可得硫酸铵多少千克？分析与解答(1)SO2 + 2NH3 -h2o^=(nh4)2so3 + H2O(NH ) SO + SO + H O^=2NH HSO4 2 3 2 2 4 3(NH ) SO + H SO (NH ) SO + SO T+ H O4 2 3 2 4 4 2 4 2 22NH4HSO3 + H2SO4=(NH4)2SO4 + 2SO2 "叫。
2) 由上述反应可得1000m3 x 0.2%V(NH3)SO ~21NH31解得 V(NH3)= 20m32SO2 ~ (NH4 )2SO42x 64 1321000 x 0.2%22.4 x 10 -3x 64kg m[(NH4 )2SO4 ]m[(NH4)2SO4]=132 x 103 x 0.2%22.4 x 2 x 64 x 10 -3x 64=5.89(kg)答：每天消耗氨气20m3，可生成硫酸铵5・89kg.例2 接触法制硫酸的简单流程，如图5－1 所示，试填写：(1) 主要设备的名称： A 、B 、C D ．B D图5-1c__(2)分别写出af h各主要物质的化学式：a 、 b__ 、_ 、 d _ 、 e___ 、 f___ 、g___、 h ．(3)从设备A中导出的气体若不净化而直接导入B设备，则会使 ，这种现象叫做 ．(4)设备 D上顶喷入的是 而不是 ， 这是因为(5)从设备D上部导出的气体g,工业上叫做 ，其中的 用加以回收利用以防止_____．分析与解答(1)A:沸腾炉 B：接触室C：热交换器D：吸收塔(2)a：FeSb：空气(O、N )c： Fe Od： SO 、 Oe： SO 、 O f：222232222SOg：SO32h： H SO ．24(3) 从沸腾炉中导出的气体若不净化直接导入接触室，则会使催化剂作用减弱或失去作 用，这种现象叫催化剂中毒．(4) 吸收塔上顶喷入的是98・3%的H2S°4，而不是水或稀H2SO4，这是因为用水或稀H2SO4 作吸收剂时，容易形成酸雾．(5) 从吸收塔上部导出的气体，工业上叫尾气，其中的SO?需用碱液吸收，以防大气污染．例3 图 5－2为我国东部季风区某新建城市分布图，城市的四周都有广阔地带．现要在城市附近建一座106 kW 以重油或煤炭为燃料的火力发电厂．(1) 若该厂以含硫质量分数为2%的重油为燃料，设1dm3重油(密度为0.95 - cm-3)燃烧生 成14m3标准状况下的烟道气，计算烟道气中SO的体积分数.2(2) 请在图5—2中A、B、C、D、E、F处选一最佳建厂处，说明理由.(3) 请你预测此工厂将有哪些方面对环境造成污染？(4) 请你用物理、化学、生物等方面的知识设计一个保护环境、控制污染的方案．(5) 以含硫3・5%的重油为燃料，重油使用量为0.18dm3 • kW-1 • h-1，该厂开工率为(每年 实际运转天数)为80%，对烟道气的脱硫回收的SO能生产多少千克(NH ) SO ?或生产石2 4 2 4膏(CaSO • 2H O)多少千克？若将这些SO制成70%的浓H SO，可生产这种浓硫酸多少4 2 2 2 4千克？分析与解答 ⑴n(SO ) = 1 *103曲* °95g °曲* 2%2 32g • mol-1V(SO ) = V • n(SO ) = 22.4L • mol-1 • n(SO )2 m 2 2=0.095%V(SO2) 22.4L • mol • n(SO2)V(总)』14 *103L 2(2) 应选在D处建厂.原因：①在季风区，工厂应建在位于垂直于盛行风向的郊外，可 尽量减少粉尘、有毒气体对居民区的污染.②在河的下游，水源充足.③紧靠铁路和公路, 交通便利．(3) 有废气、废渣和废水．(4) ①在附近建一个矿渣水泥厂或砖厂，变废为宝.②根据所产生废水的情况，在建厂 的同时，建一个利用化学分解和生物降解的废水处理设备•③根据该厂将产生粉尘和有毒气 体较严重的情况，在厂区里多栽一些如美人蕉、月季、丁香、菊花等能吸收有毒气体的植物， 搞好厂区绿化保护．在工厂周围和居民区之间建立森林防护林带，尽量选一些生长快、能吸 收粉尘和有毒气。