第6章 硫酸分析

第6章硫酸6.1 硫酸的性质硫酸，化学式为H2SO4，分子量98.08，是三氧化硫（SO3）和水（H2O）的化合物，硫酸在生产中来源于干吸工段，转化工段反应生成的SO3进入吸收工序中间吸收塔、最终吸收塔，由浓硫酸吸收加水配制成96%～98%的成品酸。

6.1.1物理性质可以任何比例溶解于水，伴随大量的热产生。

纯净的硫酸是清澈、无色透明的油状液体，但不纯时为棕色或灰白色液体，无气味但有明显的酸味，此外，硫酸的密度，结晶温度，沸点及稀释热等物化性质与硫酸的工业生产有密切的关系，故一般称它们为硫酸的工业性质，了解这些性质对控制硫酸的生产操作有及其重要的意义。

例如硫酸的密度随其浓度的增加而增加，当浓度达到97%时密度达到最大值，过此则逐渐减小，同一浓度的硫酸，它的密度随温度的升高而降低，下图6-1就是硫酸的密度与浓度之间的关系曲线图。

图6-1 硫酸和发烟硫酸的密度与浓度的关系曲线硫酸的结晶温度，随着硫酸含量的不同而在一个极广阔的范围内变化，充分了解硫酸的结晶温度，对于在寒冷季节搞好硫酸生产，贮存和运输等工作具有重要意义。

例如，为了防止硫酸冻结，不少厂在冬季将产品酸浓度由98%（结晶温度为-0.7℃）改为93%（结晶温度为-27℃）。

下图6-2所示为硫酸液体浓度和结晶温度的关系曲线图6-2 H2O-H2SO4系统结晶图掌握了硫酸结晶温度具有下述意义：(1)为硫酸贮存输送提供了防止发生冻酸的温度控制依据。

(2)为确定产品浓度范围提供了依据。

(3)对处于不正常情况下发生的酸冻结原因分析提供了理论依据。

其他物理性质，如：当硫酸浓度在98.3%以下时，它的沸点随浓度的升高而增加，浓度为98.3%的硫酸沸点最高，以后则开始下降，100%硫酸的沸点为296.2℃。

硫酸水溶液上面的总蒸汽压随其浓度的增加而逐渐下降，其中水蒸汽分压小是硫酸的重要性质，温度越低，浓度越高，酸液面上的水蒸汽平衡分压也越小。

用浓硫酸来干燥气体就是利用了这一性质；硫酸能以任何比例与水混合，硫酸中加入水就有热量放出，用水稀释的浓度越低，放出的热量越多，由于浓硫酸的稀释热很大，同时由于酸，水密度的差异，因此，在实验室中稀释浓硫酸时，不能将水注入硫酸，而必须将硫酸慢慢注入水中，同时不断搅拌，以防止反应过剧时生成酸沫飞溅伤人。

在生产过程中需要往浓硫酸中加入水时应当用密闭设备，上面有足够大的水汽排出口，而且加水速度不可太快。

硫酸的浓度通常用其中所含硫酸的重量百分数来表示，如98%硫酸，就是指其中含有98%重量的硫酸和2%重量的水。

习惯上把浓度≥75%的硫酸叫做浓硫酸，而把75%以下的硫酸叫做稀硫酸。

下表6-1是工业硫酸的组成：表6-1 工业硫酸的组成名称H2SO4重量% SO3/H2O组成，% 名称H2SO4重量%SO3/H2O组成，% SO3H2O SO3H2O93%硫酸98%硫酸无水硫酸93.0098.00100.000.7130.9031.0075.9280.0081.6324.0820.0018.3720%发烟硫酸65%发烟硫酸104.50114.621.303.2985.3093.5714.706.436.1.2化学性质硫酸是最重要的无机强酸之一，浓硫酸具有强酸性、强氧化性、强的吸水性、强的磺化性等。

当加热到30℃以上放出蒸汽，加热到200℃以上，散发出三氧化硫。

（1）硫酸是一种强酸，具有酸的特性，它的化学性质非常活泼，根据硫酸的浓度和温度及金属的种类不同，而生成H2、H2S、SO2、S及金属的硫化物和硫酸盐。

①稀硫酸能与有些金属直接反应，放出氢气，所以它对某些金属具有强烈的腐蚀性。

Fe + H2SO4 →FeSO4 + H2↑②与金属氧化物作用，生成硫酸盐。

Fe2O3 + 3H2SO4 →Fe2（SO4）3+ 3H2O（2）浓硫酸具有强的氧化性。

Cu + 2H2SO4（浓）→CuSO4 + SO2↑ + 2H2O（3）浓硫酸具有强的吸水性。

浓硫酸对水有亲和力，吸收大气水分，从有机物中提取水分导致碳化。

利用其这一性质可用来作干燥剂，如硫酸生产中用其干燥湿的SO2炉气。

浓硫酸不仅能够吸收游离水分，而且可以把碳水化合物中的氢和氧按2:1的比例以水的形式脱下，这是硫酸伤人的主要途径。

（4）浓硫酸具有强的磺化性。

C6H6 + H2SO4（浓）→C6H5SO3H + H2O6.2 硫酸的用途6.2.1工业用途1.冶金及石油工业冶金工业和金属加工，特别是有色金属的生产过程需要使用硫酸。

例如用电解法精炼铜、锌、镉、镍时，电解液就需要使用硫酸，某些贵金属的精炼，也需要硫酸来溶解其他夹杂金属。

在钢铁工业中进行冷轧、冷拔及冲压加工之前，都必须用硫酸清除钢铁表面的氧化铁，在轧制薄板、冷拔无缝钢管和其他质量要求较高的钢材，都必须每轧一次用硫酸洗涤一次，另外，有缝钢管、薄铁皮、铁丝等在进行镀锌之前，都要用硫酸进行酸洗。

在某些金属机械加工过程中，例如镀镍、镀铬等金属制件，也需用硫酸来洗净表面的锈。

在黑色冶金企业部门里，需要酸洗的钢材一般约占钢总产量的5%～6%，而每吨钢材的酸洗，约消费98%的硫酸30kg～50kg。

在石油工业的汽油、润滑油等石油产品的生产过程中，都需要用浓硫酸精炼，以除去其中的含硫化合物和不饱和碳氢化合物。

每吨原油精炼需要硫酸约24kg，每吨柴油精炼需要硫酸约31kg。

石油工业所使用的活性白土的制备，也消耗不少硫酸。

在浓缩硝酸中，以浓硫酸为脱水剂；氯碱工业中，以浓硫酸来干燥氯气、氯化氢气体等；无机盐工业中，如冰晶石(Na3AlF6)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)、磷酸三钠(Na3PO4)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、硫酸铅(PbSO4)、硫酸锌、硫酸铜、硫酸亚铁以及其他硫酸盐的制备都要用硫酸。

许多无机酸如磷酸、硼酸、铬酸(H2CrO4，有时也指CrO3)、氢氟酸、氯磺酸(ClSO3H)，有机酸如草酸[(COOH)2]、醋酸(CH3COOH)等的制备，也常需要硫酸作原料。

此外炼焦化学工业（用硫酸来同焦炉气中的氨起作用副产硫酸铵）、电镀业、制革业、颜料工业、橡胶工业、造纸工业、油漆工业（有机溶剂的制备）、工业炸药和铅蓄电池制造业等等，都消耗相当数量的硫酸。

2.解决人民衣食住行的用途(1)用于化学纤维的生产。

为人民所熟悉的粘胶丝，它需要使用硫酸、硫酸锌、硫酸钠的混合液作为粘胶抽丝的凝固液。

每生产1t粘胶纤维，需要消耗硫酸1.2t～1.5t，每生产1t维尼龙短纤维，就要消耗98%硫酸230kg，每生产1t卡普纶单体，需要用1.6t20%发烟硫酸。

此外，在尼龙、醋酸纤维、聚丙烯腈纤维等化学纤维生产中，也使用相当数量的硫酸。

(2)用于化学纤维以外的高分子化合物生产。

塑料等高分子化合物，在国民经济中越来越占有重要的地位。

每生产1t环氧树脂，需用硫酸2.68t，号称“塑料王”的聚四氟乙烯，每生产1t，需用硫酸1.32t；有机硅树胶、硅油、丁苯橡胶及丁腈橡胶等的生产，也都要使用硫酸。

(3)用于染料工业。

几乎没有一种染料（或其中间体）的制备不需使用硫酸。

偶氮染料中间体的制备需要进行磺化反应，苯胺染料中间体的制备需要进行硝化反应，两者都需使用大量浓硫酸或发烟硫酸。

所以有些染料厂就设有硫酸车间，以配合需要。

(4)用于日用品的生产。

合成洗涤剂需要用发烟硫酸和浓硫酸，塑料的增塑剂（如苯二甲酸酐和苯二甲酸酯）、赛璐珞制品所需的原料硝化棉，都需要硫酸来制备。

玻璃纸、羊皮纸的制造，也需要使用硫酸。

此外，纺织印染工业、搪瓷工业、小五金工业、肥皂工业、人造香料工业等生产部门，也都需要使用硫酸。

(5)用于制药工业磺胺药物的制备过程中的磺化反应。

强力杀菌剂呋喃西林的制备过程中的硝化反应，都需用硫酸。

此外，许多抗生素的制备，常用药物如阿斯匹林、咖啡因、维生素B2、B12及维生素C、某些激素、异烟肼、红汞、糖精等的制备，无不需用硫酸。

3.巩固国防的用途某些国家硫酸工业的发展，曾经是和军用炸药的生产紧密连结在一起的。

无论军用炸药（发射药、爆炸药）或工业炸药，大都是以硝基化物或硝酸酯为其主要成分，主要的有硝化棉、三硝基甲苯(TNT)、硝化甘油、苦味酸等，虽然这些化合物的制备是依靠硝酸，但同时必须使用浓硫酸或发烟硫酸。

4.原子能工业及火箭技术的用途原子反应堆用的核燃料的生产，反应堆用的钛、铝等合金材料的制备，以及用于制造火箭、超声速喷气飞机和人造卫星的材料的钛合金，都和硫酸有直接或间接的关系。

从硼砂制备硼烷的过程需要大量硫酸，硼烷的衍生物是最重要的一种高能燃料，硼烷又用做制备硼氢化铀用来分离铀235的一种原料。

由此可见，硫酸与国防工业和尖端科学技术都有着密切的关系。

6.2.2农业用途1.土壤改良在农业生产中，越来越多的土地采用硫酸改良了的高pH值的石灰质土壤。

过去20年来，尿素-硫酸肥料的产量大幅度提高并在美国西部诸州的土壤中广泛使用。

将硫酸注入牛奶场湖泊，改变湖水pH值，可解决圈养牲畜过程产生的若干空气和水质问题，将硫酸施入农用土壤和水中，其主要作用是溶解钙、镁的碳酸盐和碳酸氢盐，这些钙、镁盐然后取代可交换的钠盐，钠盐随后用水浸洗除去。

当碳酸盐和碳酸氢盐被分解后，硫酸与更惰性的物质反应，释放出磷、铁等植物养分。

简单地降低土壤的pH值可引起许多元素溶解度的变化，提高它们对植物的效力。

在高pH值的石灰质土壤上施用硫酸，可使植物更加健壮，收成增加。

2.化肥生产(1)用于肥料的生产。

硫酸铵（俗称硫铵或肥田粉）和过磷酸钙（俗称过磷酸石灰或普钙）这两种化肥的生产都要消耗大量的硫酸。

2NH3+H2SO4→(NH4)2SO4每生产一吨硫酸铵，就要消耗硫酸（折合成100%计算）760kg，每生产一吨过磷酸钙，就要消耗硫酸360kg。

(2)用于农药的生产。

许多农药都要以硫酸为原料，如硫酸铜、硫酸锌可作植物的杀菌剂，硫酸铊可作杀鼠剂，硫酸亚铁、硫酸铜可作除莠剂。

最普通的杀虫剂，如1059乳剂(45%)和1605乳剂(45%)的生产都需用硫酸。

前者每生产1t，需消耗20%发烟硫酸1.4t，后者每生产1t，需消耗硫酸36kg。

3.日常家居用途世界各地大多数酸性化学通渠用品均含有浓硫酸，这一类的通渠用品就和碱性的通渠用品一样，可以溶解淤塞在渠道里的油污及食物残渣等。

不过，由于浓硫酸会与水发生高放热反应，故建议在使用前尽量保持渠道干爽，并慢慢倒入有关化学用品，另需佩戴手套。

6.3用硫磺生产硫酸6.3.1原材料及其规格要求硫磺是世界硫酸生产的主要原科，国内硫磺制酸的产量近年来有了很大的增长，其来源主要是天然气净化、石油制炼中副产品的回收硫。

有关部门详细分析并讨论了硫磺中主要杂质如灰分、有机物、水分、酸度和砷等对制酸工艺的影响及其允许含量，提出了据有机物(以C计)含量推算出炉气中水分含量的方法，指出以达到《工业硫磺及其试验方法》(GB2449-92)中一等品规定的有机物含量和砷含量指标要求的硫磺作为热气体装置用的原料时，仍无法避免产生严重的酸雾和催化剂砷中毒问题，为了正确指导硫磺制酸对原料的选择，建议制订《硫酸工业用硫磺》的专业标准。