6.3 化工生产-讲义

第6章 化学反应速率和化学平衡 6.3化工生产 工业制备硫酸 1．制备过程 （1）三原料 工业上制硫酸所需的原料有硫(S)、空气、水。用硫黄作原料成本低、对环境污染少。我国硫黄资源较少，在早期相当一段时间内，主要用黄铁矿(FeS2)作原料。 （2）三反应 ①制备SO2 S(s)＋O2(g)=SO2(g) (4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2)，（属放热反应） ②利用催化氧化反应将SO2氧化成SO3 2SO2(g)＋O2(g) ( 催化剂 △ )2SO3(g)，（属放热反应）。 ③三氧化硫转化成硫酸 SO3(g)＋H2O(l)=H2SO4(l)，（属放热反应） （3）三个设备(以FeS2为原料)：沸腾炉(造气)、接触室(催化氧化室)、吸收塔。 （4）三原理 ①化学平衡原理：增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。 ②热交换原理：在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。 ③逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。 2．生产中原料的选择 （1）从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用硫黄制硫酸优于用黄铁矿制硫酸。 （2）我国天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂。 （3）我国黄铁矿储量比天然硫黄要大。 （4）硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化。 （5）由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸高。 3．生产中反应条件的控制 （1）从反应原理分析条件选择 ①主要反应原理：2SO2＋O2 ( 催化剂 △ )2SO3，放热反应； ②反应速率要求：高温、高压、使用催化剂； ③化学平衡要求：低温、高压。 （2）从工业生产实际考虑条件选择 ①温度应综合考虑反应速率和实际转化率两个方面；同时还要考虑催化剂的最佳活性。 ②压强除从反应原理考虑外，还要考虑产率、设备条件等。 （3）工业制硫酸的适宜条件 ①温度：400～500 ℃（兼顾反应速率和转化率，同时又能使催化剂达到最佳活性） ②压强：常压（常压下SO2转化率已较高，增压对转化率提高有限，加压增大投资和能量消耗） ③使用催化剂（尽量加大反应速率） ④适当过量的空气，目的是提高SO2的转化率。 【要点诠释】接触法制硫酸应注意： ①送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。 ②通入接触室的混合气体必须预先净化，防止催化剂中毒及水蒸气对生产和设备造成不良影响。 ③吸收塔中用质量分数为98%的浓硫酸吸收SO3，而不用水或稀硫酸，防止形成酸雾，使吸收速率减慢。 4．生产中的三废处理 （1）尾气吸收 H2SO4工业的尾气主要是SO2，采用酸氨法吸收，。 SO2＋2NH3＋H2O ===(NH4)2SO3 SO2＋(NH4)2SO3＋H2O ===2NH4HSO3 2NH4HSO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋2SO2↑＋2H2O （2）污水处理 不同化工生产过程产生的污水，所含杂质不同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物理化学方法，如酸碱中和法（废水用石灰乳中和：Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O），重金属离子沉淀法等。 （3）废渣的利用 用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，会排出一些炉渣和矿灰，可作为炼铁的原料；还可用来提炼贵重的有色金属；另外，这些废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。 5．能量的充分利用 （1）生产1 t硫酸需消耗100 kW·h的电能，硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反应， 生产1 t硫酸放出的反应热相当于200 kW·h的电能。这些废热的利用，可以向外界输出大量能量，大大降低生产成本。 （2）可以利用SO2氧化成SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2等。 6．化工生产过程中应考虑的问题 （1）确定化学反应原理 （2）选择原料 （3）选择设备和工艺流程 （4）三废处理(环境保护) （5）能源的利用(综合经济利益) （6）其它 ... ...