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焦点快播:【种花家务·化学】2-2-05硫酸的工业制法——『数理化自学丛书6677版』

发布时间:2023-01-30 10:04:34 来源:哔哩哔哩

【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』,此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版,并于1977年正式再版的基础自学教材,本系列丛书共包含17本,层次大致相当于如今的初高中水平,其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材,很多概念已经与如今迥异,因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外,黑字是教材原文,彩字是我写的备注。


【资料图】

【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版,即80年代的改开版,改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容,直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版,首先是因为6677版保留了很多古早知识,让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小,即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材,不该被埋没在故纸堆中,是故才打算利用业余时间,将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。  

第二章硫,氧族元素

§2-5硫酸的工业制法

【01】工业上制造硫酸有两种方法:一种叫做接触法,一种叫做铅室法。现在看来,铅室法已经是比较陈旧了,没有多大发展前途。下面我们只介绍接触法生产硫酸的概要情况。

【02】接触法制造硫酸的主要过程有:

【03】(1)二氧化硫的制造;

【04】(2)二氧化硫催化氧化成三氧化硫;

【05】(3)三氧化硫的吸收和硫酸的生成

【06】其中,由二氧化硫催化氧化成三氧化硫是整个生产过程里最主要的部分。

1、二氧化硫的制造

【07】前面讲过,二氧化硫可以从燃烧硫黄而制得,但一般以黄铁矿为生产二氧化硫的原料。

【08】黄铁矿在特制的燃烧炉里燃烧时,就有二氧化硫气体产生。反应的化学方程式是:

【山注,4FeS_2+11O_2\mathop{=\!=}\limits^{燃烧}2Fe_2O_3+8SO_2↑,原书此处没有注明条件“燃烧”】

【09】黄铁矿燃烧炉(图2-13)是用耐火砖砌成的一个巨大的圆筒,炉外包有钢皮,炉内有用耐火砖砌成的平坦的炉拱8~9层(图2-13只画了六层),上数第一、三、五等奇数层炉拱的中心部分有一个围绕中心转轴的环形开口,第二、四、六等偶数层炉拱的外围靠近炉壁处有数个开口,因此,各拱层是相连通着的,在各层炉拱间都有两个连结在中心转轴上的铁耙,奇数层铁耙的耙齿稍向内斜,偶数层铁耙耙齿稍向外斜.将预先压碎的黄铁矿矿石从入口5处加入炉中,被最上层炉拱中的铁耙的耙齿(铁耙随着中心转轴缓缓地转动)拨到中心开口处而落入第二层;然后又被第二层炉拱中的铁耙的耙齿拨到外围,经边缘开口处落入第三层。其后依次逐层下落。供燃烧用的空气自入口3处送入,和矿石下落相逆的方向渐次上升(逆流)。矿石在炉里一边移动,一边燃烧产生二氧化硫气体(称为炉气),最后由出口4处导出。矿石燃烧后剩下的废矿渣,由出口处排出炉外。燃烧炉中心的转轴和多层铁耙的内部,都用空气来冷却。燃烧炉中部的第四、第五层附近的温度最高,一般控制在850℃左右,最高不应超过900℃。炉气出口温度约为500℃。

2、二氧化硫催化氧化成三氧化硫

【10】从燃烧炉出来的炉气中,除含有二氧化硫外,还含有没有用尽的空气(氧气和氮气)、水蒸气、砷的化合物(砷音“申”,是一种化学元素,在黄铁矿里常含有少量的砷的化合物,因此炉气里也常有神的化合物)和灰尘(飞散的黄铁矿粉和炉渣等)。为了保证二氧化硫催化氧化的正常进行,必须先经过一系列的精制系统:

【11】(1)除尘:把燃烧炉里出来的炉气经过除尘室,除去其中大部分的灰尘。【工业上用的除尘器有好多种,例如旋风除尘器、文丘里除尘器、电除尘器等,这些除尘器的结构,要在专门书籍里讨论,此处不作介绍。】

【12】(2)洗涤:经过除尘的炉气,导入洗涤塔用稀硫酸洗涤。洗涤塔是用铅制成的,里面填充着瓷环。由除尘室出来的气体从塔底导入,塔顶则有稀硫酸喷下(图2-14)。在洗涤塔里,可以洗去炉气中剩余的微量的灰尘和砷的化合物(它对催化剂有毒害作用)。

【13】(3)干燥:从洗涤塔出来的气体,再送入干燥塔干燥。干燥塔是用钢制成的,内衬耐酸砖,塔里也填充着瓷环。塔顶用浓硫酸喷下,以吸去气体中的水蒸气(图2-14)。

【14】炉气经上述一系列的精制系统后,其中有害杂质已大部分除去。这时气体中除含有二氧化硫外,还含有足够多量的空气。先把这种混和气体导入热交换器,把气体预热到大约500℃左右,然后再引入接触室。接触室是一个用钢制成的大圆筒(图2-15),筒里有几层水平并列着的多孔搁板,催化剂(由于铂的价钱很贵,现在工业上一般是用五氧化二钒做成一段段空心的管状物,称做钒催化剂)就摊放在搁板上。

【15】在接触室里,二氧化硫跟氧气在催化剂的作用下,迅速反应生成三氧化硫:

【山注,2SO_2+O_2\mathop{=\!=\!=\!=}\limits^{(钒催化剂)}_{500°C}2SO_3】

【16】这个反应进行时,有大量的热放出。因此,自接触室出来的三氧化硫气体的温度很高,必须经过冷却,然后才能送入吸收塔吸收。三氧化硫气体冷却时放出的热量,一部分可以通过热交换器来预热二氧化硫和空气的混和气体。热交换器的结构如图2-16所示,热的三氧化硫气体从内管流过,把管外自干燥塔导来的二氧化硫和空气的混和气体预热,发生热交换作用。从热交换器出来的三氧化硫气体,温度仍嫌太高,要再经空气冷却器(它的结构和热交换器相同),用冷空气把它进一步冷却,然后导入吸收塔。

3、三氧化疏的吸收

【17】经冷却后的三氧化硫气体,导入吸收塔。吸收塔的结构和前述干燥塔相似。

【18】虽然三氧化硫能够直接跟水化合生成硫酸:

【山注,SO_3+H_2O=H_2SO_4】

【19】但在吸收塔里,并不用水来吸收三氧化硫。这是因为在自冷却器导来的三氧化硫气体里,杂有相当多的废气(主要是氮气),如果用水来吸收,三氧化硫跟水剧烈反应,生成许多极其微细的硫酸珠滴(酸雾),随同废气一起上升至塔的上部逸散出去,会造成大量三氧化硫的损失。

【20】工业上是用96~98%的浓硫酸来吸收三氧化硫的,当这样的浓硫酸从塔顶喷下时,除一小部分三氧化硫跟浓硫酸里少量的水分(2~4%)化合生成硫酸外,大部分的三氧化硫溶解于硫酸里,生成发烟硫酸。稀释发烟硫酸,可以得到各种浓度的纯净硫酸。【溶解有三氧化硫的硫酸,会在空气里发“烟”(实际上是其中三氧化硫挥发出来后,跟空气中的水蒸气化合形成的一种酸雾),所以叫做发烟硫酸】

【21】由接触法制得的浓硫酸,可以储存于巨大的耐酸铁桶里。

【22】由接触法制造硫酸的生产流程简图,如图2-14所示。

习题2-5

1、绘图说明热交换器的结构和热交换原理。

2、在接触法制硫酸的生产过程里,哪些地方应用了逆流原理?

3、二氧化硫炉气的精制包括哪些步骤?为什么要净化?

4、为什么三氧化硫在被吸收以前要先经过冷却?

5、为什么浓硫酸的储酸桶是用铁制的?

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