硫酸的合成方法
作者:訪客發布時間:2021-08-17分類:催化劑及助劑瀏覽:120
先將硫黃或黃鐵礦在空氣中燃燒或焙燒,以得到二氧化硫氣體.將二氧化硫氧化為三氧化硫是生產硫酸的關鍵,其反應為:2SO2+O2→2SO3
這個反應在室溫和沒有催化劑存在時,實際上不能進行.根據二氧化硫轉化成三氧化硫途徑的不同,制造硫酸的方法可分為接觸法和硝化法.接觸法是用負載在硅藻土上的含氧化鉀或硫酸鉀(助催劑)的五氧化二釩V2O5作催化劑,將二氧化硫轉化成三氧化硫.硝化法是用氮的氧化物作遞氧劑,把二氧化硫氧化成三氧化硫:
SO2+N2O3+H2O→H2SO4+2NO
根據所采用設備的不同,硝化法又分為鉛室法和塔式法,現在鉛室法巳被淘汰;塔式法生產的硫酸濃度只有76%;而接觸法可以生產濃度98%以上的硫酸;采用最多.
接觸法生產工藝:接觸法的基本原理是應用固體催化劑,以空氣中的氧直接氧化二氧化硫.其生產過程通常分為二氧化硫的制備、二氧化硫的轉化和三氧化硫的吸收三部分.
二氧化硫的制備和凈化: 以硫鐵礦等其他原料制成的原料氣,含有礦塵、氧化砷、二氧化硒、氟化氫、等雜質,需經過凈化,使原料氣質量符合轉化的要求.為此,經回收余熱的原料氣,先通過干式凈化設備(旋風除塵器、靜電除塵器)除去絕大部分礦塵,然后再由濕法凈化系統進行凈化.
經過凈化的原料氣,被水蒸氣所飽和,通過噴淋93%硫酸的填料干燥塔,將其中水分含量降至0.1g/m3以下.
二氧化硫的轉化:二氧化硫于轉化器中,在釩催化劑存在下進行催化氧化:
SO2+(1/2)O2 SO3 ΔH=-99.0kJ
釩催化劑是典型的液相負載型催化劑,它以五氧化二釩為主要活性組分,堿金屬氧化物為助催化劑,硅藻土為催化劑載體,有時還加入某些金屬或非金屬氧化物,以滿足強度和活性的特殊需要.通常制成直徑4~6mm、長5~15mm柱狀顆粒.近年來,丹麥、美國和中國相繼開發了球狀、環狀催化劑,以降低催化床阻力,減少能耗.
釩催化劑須在某一溫度以上才能有效地發揮催化作用,此溫度稱為起燃溫度,通常略高于400℃.近年來,研制成功的低溫活性型釩催化劑,其起燃溫度降低到370℃左右,因而提高了二氧化硫轉化率.轉化器進口的原料氣溫度保持在釩催化劑的起燃溫度之上,通常為410~440℃.
由于原料氣經過濕法凈化系統后降溫至40℃左右,所以必須通過換熱器,以轉化反應后的熱氣體間接加熱至反應所需溫度,再進入轉化器.二氧化硫經氧化反應放出的熱量,使催化劑層溫度升高,二氧化硫平衡轉化率隨之降低,如溫度超過650℃,將使催化劑損壞.為此,將轉化器分成3~5層,層間進行間接或直接冷卻,使每一催化劑層保持適宜反應溫度,以同時獲得較高的轉化率和較快的反應速度.
現代硫酸生產用的兩次轉化工藝,是使經過兩層或三層催化劑的氣體,先進入中間吸收塔,吸收掉生成的三氧化硫,余氣再次加熱后,通過后面的催化劑層,進行第二次轉化,然后進入最終吸收塔再次吸收.由于中間吸收移除了反應生成物,提高了第二次轉化的轉化率,故其總轉化率可達99.5%以上,部分老廠仍采用傳統的一次轉化工藝,即氣體一次通過全部催化劑層,其總轉化率最高僅為98%左右.
三氧化硫的吸收:轉化工序生成的三氧化硫經冷卻后在填料吸收塔中被吸收.吸收反應雖然是三氧化硫與水的結合,即:
SO3+H2O→H2SO4 ΔH=-132.5kJ
但不能用水進行吸收,否則將形成大量酸霧.工業上采用98.3%硫酸作吸收劑,因其液面上水、三氧化硫和硫酸的總蒸氣壓最低,故吸收效率最高.出吸收塔的硫酸濃度因吸收三氧化硫而升高,須向98.3%硫酸吸收塔循環槽中加水并在干燥塔與吸收塔間相互串酸,以保持各塔酸濃度恒定.成品酸由各塔循環系統引出.
吸收塔和干燥塔頂設有金屬絲網除沫器或玻璃纖維除霧器,以除去氣流中夾帶的硫酸霧沫,保護設備,防止環境污染.兩次轉化工藝的最終吸收塔出口尾氣中的二氧化硫濃度小于500×10-6,尾氣可直接排入大氣;而一次轉化工藝的吸收塔尾氣中的二氧化硫濃度高達2000×10-6~3000×10-6,故須設置尾氣處理工序,以使排氣符合環境保護法規.氨水吸收法是應用最廣的尾氣處理方法.
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