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化工生产过程中的基本问题

编稿：宋杰 审稿：于冬梅

【学习目标】

1、认识工业上生产硫酸的反应原理；

2、以硫酸生产为例，了解化工生产过程中的一些基本问题；

3、认识平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用。

【要点梳理】

【高清课堂：炔烃和气态烃燃烧#化学性质】

要点一、接触法制硫酸

2．原料：黄铁矿（主要成分是FeS 2）（或者硫）、空气、98.3%的H 2SO 4。

3．主要设备：①沸腾炉（制取SO 2的设备，用硫作原料不用此设备，我国现在还主要用黄铁矿为原料制H 2SO 4）；②接触室（制取SO 3的设备）；③吸收塔（制取H 2SO 4的设备）。

4．生产工艺流程：

要点诠释：硫酸生产过程中三设备的两进两出；每套设备都有两进两出。

（1）沸腾炉

两进：黄铁矿进口和空气进口。

两出：矿渣出口和炉气出口（炉气成分：SO 2、O 2、N 2、水蒸气以及一些杂质，砷、硒等的化合物及矿尘等）。

（2）接触室

两进：冷反应混合气进口（主要成分：SO 2、O 2、N 2等）和经过预热的热反应混合气进口（主要成分：SO 2、O 2、N 2等）。

两出：经过热交换器预热的热反应混合气出口（主要成分：SO 2、O 2、N 2等）和反应后混合气出口（主要成分：SO 3、SO 2、O 2、N 2等）。

（3）吸收塔

两进：混合气进口（主要成分：SO 3、SO 2、O 2、N 2等）和98.3%的H 2SO 4进口。

两出：供稀释用硫酸出口（主要成分：H 2SO 4、SO 3）和尾气出口（主要成分：SO 2、O 2、N 2等）。

5．SO 2接触氧化适宜条件的选择

（

1）温度：SO 2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断可知，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益来考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO 2的平衡转化率（93.5%～99.2%）都比较理想。

（2）压强：SO 2的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。增大气体压强，能相应提高SO 2的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，而且在常压下，400～500℃时，SO 2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压进行操作，并不加压。

（3）催化剂：主要含五氧化二钒（V 2O 5），俗称钒触媒。

接触氧化适宜条件：温度：400～500℃（反应速率快，催化剂活性高）；压强：常压（常压下，SO 2转化率SO 2、O 2、N 2 供稀释用硫酸

已很高，无需加压）；催化剂：五氧化二钒（V2O5）。

要点诠释：催化剂在使用中会因各种因素而失去活性，其中重要的一个因素就是中毒。催化剂中毒的原因有几种可能，原料中所含的少量杂质，或是强吸附（多为化学吸附）在活性中心上，或是与活性中心起化学作用，变为别的物质，都能使活性中心中毒。另外，反应产物中也可能有这样的毒物；在催化剂的制备过程中，载体内所含的杂质与活性组分相互作用，也可能毒化活性中心。中毒不仅影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降，也影响催化剂的选择性。

6．硫酸的用途

硫酸是化学工业中重要产品之一，是许多工业生产所用的重要原料。硫酸常列为国家主要重工业产品之一。

硫酸的用途十分广泛。主要有下列几方面：

化肥工业：硫酸与氨反应生成硫酸铵（肥田粉），与磷矿粉反应生成过磷酸钙，每生产1 t硫酸铵要消耗750 kg硫酸；1 t过磷酸钙要消耗360 kg硫酸。近年来，已逐渐用其他氮肥如尿素、碳酸氢铵、氨水、硝酸铵等代替硫酸铵，使硫酸用于生产氮肥的用量有所减少，但硫酸用于磷肥仍在增长。目前化肥工业（主要是磷肥）仍然是硫酸的最大用户，国外化肥用酸约占硫酸总消费量的40％，我国化肥用酸约占60％。

有机合成工业：在有机合成工业中要用硫酸生产各种磺化产品、硝化产品，如每生产1 t锦纶需发烟硫酸1.7 t；1 t TNT消耗360 kg硫酸。

石油工业：石油产品精炼时要用硫酸除去产品中的不饱和烃等，例如每吨柴油要消耗31 kg硫酸。

金属工业：金属铜、锌、镉、镍的精炼，其电解液需用硫酸配制；电镀、搪瓷工业需用酸洗去其表面的铁锈和氧化铁。

无机盐工业：在无机盐工业中，硫酸作为一种最易大量获得、价格低廉的酸，用以生产各种硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等。

原子能工业：大量硫酸用于离子交换法提取铀。

要点二、化工生产过程中的基本问题

1．依据化学反应原理确定生产过程

化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。

案例：工业制硫酸的反应原理和生产路线。从H2SO4的组成看，原料应是自然界存在的硫黄或硫铁矿。反应过程为：S或FeS2→SO2→SO3→H2SO4。由此可确定生产过程可分为：第一步：以硫黄或硫铁矿为原料制备SO2（造气）；第二步：利用催化氧化反应将SO2氧化为SO3（催化氧化）；第三步：三氧化硫转化为硫酸（吸收）。

2．生产中原料的选择

在工业生产中，选择原料除依据化学反应原理以外，还有许多因素要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存贮、运输、预处理成分及环境保护等。

案例：虽然用硫黄制硫酸的装置优于黄铁矿制硫酸的装置，且硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废处理量小，劳动生产率高，易于设备大型化等。但由于我国硫资源缺乏，黄铁矿储量比天然硫黄要大，所以我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸。

3．生产中反应条件的控制

在工业生产中，常常涉及可逆反应，因此要根据平衡移动原理和化学反应速率原理来选择合适的反应条件，使制备反应进行得尽可能地快，并且反应物的转化率尽可能的高。在实际生产中还要考虑控制某些化学反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。

4．生产中的三废的处理

三废处理或将三废消灭于生产过程中，是近年来化工技术发展的方向之一。

（1）尾气处理

硫酸工业生产的尾气中含有少量的SO2，可用石灰水吸收，使其生成CaSO3，然后再用硫酸处理，生成SO2和CaSO4。

化学方程式为：SO2+Ca(OH)2==CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4==CaSO4+SO2↑+H2O。

（2）污水处理

作劣质硫酸直接使用

废液→

制副产品石膏