工業(yè)上制造硫酸有兩種方法:一種叫做接觸法,一種叫做鉛室法.現(xiàn)在看來,鉛室法已經(jīng)是比較陳舊了,沒有多大發(fā)展前途.下面我們只介紹接觸法生產(chǎn)硫酸的概要情況.
接觸法制造硫酸的主要過程有:
(1)二氧化硫的制造;
(2)二氧化硫催化氧化成三氧化硫;
(3)三氧化硫的吸收和硫酸的生成
其中,由二氧化硫催化氧化成三氧化硫是整個(gè)生產(chǎn)過程里最主要的部分,
1,二氧化硫的制造前面講過,二氧化硫可以從燃燒硫黃而制得,但一般以黃鐵礦(FES2)為生產(chǎn)二氧化硫的原料。
黃鐵礦在特制的燃燒爐里燃燒時(shí),就有二氧化硫氣體生,反應(yīng)的化學(xué)方程式是:
4FeS2+1102=2Fe2O3+8S02
黃鐵礦燃燒爐(圖2-18)是用耐火成的一個(gè)巨大的圓簡、外包有鋼皮,爐內(nèi)有用甜火醇成的平坦的護(hù)供8~9層(圖213畫t六層),上數(shù)第一、三,五等奇數(shù)層爐共的中心部分有一個(gè)圍繞中心的環(huán)形開口,第二、四、六等偶數(shù)層爐的外圍靠近爐壁處有有數(shù)個(gè)開口,因此,各層是相連通著的,在各層爐拱間都有兩個(gè)連結(jié)在中心轉(zhuǎn)上的鐵把,資數(shù)層鐵把的把齒稍向內(nèi)斜,偶數(shù)層鐵把把齒稍向外斜,先壓辭的黃鐵礦礦石從入口5處加入爐中,被最上層爐拱中的鐵的把邊(鐵把隨著中心轉(zhuǎn)軸緩緩地轉(zhuǎn)動(dòng))撥到中心開口處而落入第層;然后又技第二層爐拱中的鐵把的把齒撥到外圍,經(jīng)邊緣開口處落第三層.其后后依次逐層下落.供燃燒用的空氣自入口3處送入,和石下落相逆的方向漸次上升(逆流).礦石在爐里一邊移動(dòng),一邊燃燒產(chǎn)生二氧化硫氣體(稱為爐氣),最后由出口4處導(dǎo)出,礦石燃燒后菊下的廢礦渣,由出口處排出爐外.燃燒爐中心的轉(zhuǎn)軸和多層鐵把的內(nèi)
部,都用空氣來冷卻,燃燒爐中部的第四、第五層附近的溫度最高,一般控制在850C,最高不應(yīng)超過900C.爐氣出口溫度約為500C。
2.二氧化硫催化氧化成三氧化氣中,除含有二氧化硫外,還含有沒有用盡的空氣(氧氣和氮疏從燃燒爐出來的帥氣)、水蒸氣、砷的化合物(碑音“申”,是一種化學(xué)元素,在黃鐵礦里常含有少量的的化合物,因此爐氣里也常有砷的化合物)和灰塵(飛散的黃鐵礦粉和爐渣等).為了保證二氧化硫催化氧化的正常進(jìn)行,必分先經(jīng)過一系列的精制系統(tǒng)。
(1)除塵:把燃燒爐里出來的爐氣經(jīng)過除塵室①,除去其中大部分的灰塵。
(2)洗滌:經(jīng)過除塵的爐氣,導(dǎo)入洗滌塔用稀硫酸洗滌,洗滌塔是用鉛制成的,,里面填充著瓷環(huán),由除塵室出來
①工業(yè)上用的除塵器有好多種,例如旋風(fēng)除塵器、文丘里除塵器、電除塵器等,這些除塵器的結(jié)構(gòu),要在專門書籍里討論,此處不作介紹。
的氣體從塔底導(dǎo)入,塔頂則有稀硫酸噴下(圖2·14).在洗塔里,可以洗去爐氣中剩余的微量的灰塵和砷的化合物(它催化劑有毒害作用)。
(3)干燥:從洗滌塔出來的氣體,再送入干燥塔干燥,干燥塔是用鋼制成的,內(nèi)対耐酸磚,塔里也填充著瓷環(huán).塔頂用濃硫酸噴下,以吸去氣體中的水蒸氣。(圖214)
爐氣經(jīng)上述一系列的精制系統(tǒng)后,其中有害雜質(zhì)已大部分除去,這時(shí)氣體中除含有二氧化硫外,還含有足夠多量的空氣,先把這種混和氣體導(dǎo)入熱交換器,把氣體預(yù)熱到大約500C左右,然后再引入接觸室,接觸室是一個(gè)用鋼制成的大圓筒(圖2-15),筒里有幾層水平并列著的多孔擱板,催化劑(由于鉑的價(jià)錢很貴圖2-15接觸室簡圖在工業(yè)上一般是用五氧化二釩(V2O3),現(xiàn)做成一段段空心的管狀物,稱做釩催化劑)就推放在擱板上在接觸室里,二氧化硫跟氧氣在催化劑的作用下,迅速反應(yīng)生成三氧化硫:
2S02+O2=(釩催化劑)500度=2S03
這個(gè)反應(yīng)進(jìn)行時(shí),有大量的熱放出.因此,自接觸室出來的三氧化硫氣體的溫度很高,必須經(jīng)過冷卻,然后才能送入吸收塔吸收.三氧化硫氣體冷卻時(shí)放出的熱量,一部分可以通過熱交換器來預(yù)熱二氧化硫和空氣的混和氣體.熱交換器的結(jié)構(gòu)如圖2·16所示,熱的三氧化硫氣體從內(nèi)管流過,把管外自干燥塔導(dǎo)來的二氧化硫和空氣的混和氣體預(yù)熱,發(fā)生熱交換作用.從熱交換器出來的三氧化硫氣體,溫度仍嫌太高,要再經(jīng)空氣冷卻器(它的結(jié)構(gòu)和熱交換器相同),用冷空氣把它進(jìn)一步冷卻,然后導(dǎo)入吸收塔。
3.三氧化硫的吸收經(jīng)冷卻后的三氧化硫氣體,導(dǎo)入吸收塔.吸收塔的結(jié)構(gòu)和前述干燥塔相似.
雖然三氧化硫能夠直接跟水化合生成硫酸:
SO3+H2O=H2SO4
但在吸收塔里,并不用水來吸收三氧化硫.這是因?yàn)樵谧岳鋮s器導(dǎo)來的三氧化硫氣體里,雜有相當(dāng)多的廢氣(主要是氮?dú)?如果用水來吸收,三氧化硫跟水劇烈反應(yīng),生成許多極其微細(xì)的硫酸珠滴(酸霧),隨同廢氣一起上升至塔的上部逸散出去,會(huì)造成大量三氧化硫的損失。
工業(yè)上是用96~98%的濃硫酸來吸收三氧化硫的,當(dāng)這樣的濃硫酸從塔頂噴下時(shí),除一小部分三氧化硫跟濃硫酸里少量的水分(2~4)化合生成硫酸 外,大部分的三氧化硫溶解于硫酸里,生成發(fā)煙硫酸①.稀釋發(fā)煙硫酸,可以得到各種欲度的純凈硫酸。
由接觸法制得的濃硫酸,可以儲(chǔ)存干巨大的耐酸鐵桶里.
由接觸法制造硫酸的生產(chǎn)流程簡圖,如圖2·14所示