工業硫酸制取應用分析

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摘要：硫酸是一種常見的強腐蝕性酸，它是六大強酸之一，在生活、等方面用途廣泛，是一種十分重要的化學物質。文章主要講述了在工業方面制取工業硫酸的流程，描述了工業硫酸的主要成分，并對制取過程中可能發生的問題進行了分析。同時，也列舉了工業硫酸在蓄電池、除銹、氯堿工業的應用。

關鍵詞：工業硫酸；制取過程；應用

引言

硫酸是一種常見的化學物質，與鹽酸、硝酸、氫溴酸、氫碘酸和高氯酸合稱為六大強酸。它是一種化工行業的重要原料，對人類的生活、科技上的發展起到了不可替代的作用。工業硫酸是最為常見的一種硫酸，它的濃度約為98%。硫酸的制取已有上千年的歷史，早在唐高宗時，《黃帝九鼎神丹經訣》中就記載著干餾膽礬來制取硫酸的方法。反應式：不過，阿拉伯煉丹家賈比爾在公元8世紀通過干餾硫酸亞鐵晶體得到了硫酸，這也是硫酸的真正發現。反應式：在17世紀，德國化學家格勞伯發現硫與硝酸鉀的混合通過蒸汽加熱可以成功制取硫酸，此過程中，硝酸鉀會被分解，且硫會被氧化為氧化成三氧化硫。之后，著名硫酸制取方法——鉛室法就由此創造了出來。此種制備方式可以通過較低成本有效地大規模生產硫酸。經過多此的改良和提高后，這個方法在工業上得到了將近兩個世紀的應用。反應式：到了1831年，英國制醋商人PeregrinePhillips提出了接觸法，降低了成本，如今，這種方法已被廣泛運用。反應式：雖然，現在的硫酸制造工藝已經能制造出純度較高的濃硫酸，但是在制取過程中產生的環境問題仍不可忽視。如產生的酸氣(如二氧化硫)若排放至空氣中，會融入雨水并產生酸雨。因此，們在研究如何制取硫酸的同時，也在研究如何處理這些對環境有影響的物質。

1工業硫酸制取步驟

1.1工業硫酸成分

工業硫酸主要是濃度為98%的濃硫酸，剩下成分基本為水，可能含有其他雜質。

1.2原料選擇

一般有兩種原料可供選擇：工業硫磺、硫鐵礦。工業硫磺的純度可達99.95%以上,僅存極少量水分和灰分,固體硫磺可以先加熱熔化為液體,在中和并簡單過濾后就可進入燃燒室燃燒,生產步驟較為簡單。而硫鐵礦中含有大量雜質，過濾、凈化工藝都比較較復雜，在焚燒環節中很可能會產生大量有害雜質，并且原料中其它元素很難回收，易造成了原料的浪費以及環境污染[1]。由此看來，為了使成本降低，且降低工業生產對于環境的破壞，工業制取硫酸一般使用工業硫磺作為原料。

1.3制取硫酸工業流程

制取硫酸流程如圖1所示。工業制取硫酸一般先氧化硫得到二氧化硫，然后再催化二氧化硫，溶入水中制酸.以下是制取步驟。

1.3.1二氧化硫制備工業硫磺進入燃燒室燃燒，與氧氣反應生成二氧化硫。硫磺融化后，需在高壓下發生霧化，充分與氧氣反應。而硫磺噴嘴則選用固定式機械霧化噴嘴，此種噴嘴不易堵塞、加工容易、并且操作方便[2]。該噴嘴還可以用來調節出硫量，使得其與氧氣的進氣量達成平衡，從而使反應更加穩定。此方法還可以使得液態硫磺在霧化后再和氧氣反應，增大了接觸面積，加快反應速率并且避免了硫磺的不完全燃燒，實現了原料的高效利用以及反應的可持續性，使得產量提升。

1.3.2二氧化硫提純工業硫磺純度雖高。但在燃燒過程中也會產生雜質，如空氣中的灰塵、硫磺中原有雜質等。提純方法：SO2預冷預凈化單元中的工藝氣依次通過第一次冷卻、過濾、第二次冷卻。兩次冷卻均采用濕法噴淋。若使用水洗，會產生大量的廢酸，處理成本較高，且容易對環境產生污染。因此，工廠一般采用稀硫酸進行洗滌。優點在于，使用后的酸還可以進行重復利用，廢酸排放量小，對環境污染較小[3]。提純之后，二氧化硫純度將會提升，有助于原料的充分利用，以及產率的提升，有利于節約成本。

1.3.3催化制酸高純度二氧化硫之后會進入催化裝置并進行催化反應。此反應中，二氧化硫會在催化劑的催化作用之下與氧氣反應生成三氧化硫。工業上一般選擇五氧化二釩或鉑作為催化劑。反應式：之后，三氧化硫便可以和水反應生成硫酸，不過此反應將放出大量的熱可能會造成儀器的過熱以及一定的危險性。反應式：因此，一般將三氧化硫先通入硫酸中制成發煙硫酸，再用發煙硫酸與水反應，得到硫酸。這樣，制取過程中放出的熱量較少，對裝置的損耗也就較少。反應式：

1.4處理無關產物

1.4.1廢酸處理硫酸工業是一項高污染行業，因為硫酸和其副產物一般具有較強腐蝕性，若直接排入環境，可能會造成環境污染。因此，生產裝置產生的廢酸和含硫廢液必須經過處理才能進入環境。為提高硫磺原料利用率，降低工廠外排廢酸量，對該裝置硫酸使用進行總體性綜合考慮：在二氧化硫預冷預凈化單元，洗滌冷卻二氧化硫后的大部分進入稀酸循環，少量排至三氧化硫單元再利用。尾氣雙氧水脫硫單元約20%的稀硫酸，返回硫酸吸收調質單元，與單元中的濃硫酸混合，制成濃度為93%～98%的硫酸產品，達到廢水近零排放目的。此方法不僅能讓幾乎所有的廢酸都能得到有效的利用，轉化為有用的產物，以此來降低成本；而且能降低廢酸對環境的污染，實現可持續發展。

1.4.2廢氣處理生產濃硫酸過程中，熱濃硫酸可能會釋放出一些二氧化硫、三氧化硫酸性氣體，若排入環境之中，會造成酸雨，破壞環境。因此，處理這些廢氣，防止環境污染顯得至關重要。酸廢氣的處理介質中，較環保的有氨、堿和雙氧水。其中氨洗流程較復雜，氨需外購，且氨的揮發性易造成二次污染，故不推薦;堿洗運行時如果反應不充分很可能易結晶堵塞，并產生亞硫酸氫鈉。亞硫酸氫鈉是有毒化學藥品，并且容易引發二次污染，對環境仍有較大影響。因此，雙氧水洗滌是一種較好的處理方式[3]。另外，還可以使用新型催化法處理廢氣。此方法采用活性炭為載體，上面負載催化劑，利用廢氣中的水分、氧氣和二氧化硫再生產一定的硫酸，此方法耗能少，催化劑幾乎不會損耗，且節省裝置與成本，運行穩定可靠。

2硫酸的運用

作為一種重要的原料，硫酸在生活、工業等方面都有著極其重要的作用。

2.1蓄電池中的應用

制取蓄電池級硫酸流程如圖2所示。一般生產過程中利用98%的濃硫酸為原料，通過脫除硫酸中殘留的二氧化硫和過濾凈化的方法制取的蓄電池級硫酸產品達到化工部標準。其中，過濾器示意圖如圖3所示。在生產過程中應注意以下問題:(1)新組裝的過濾器要在硫酸中浸泡24h后方可使用。(2)生產蓄電池硫酸時要密切注意干燥酸循環槽液位,不要影響干燥塔噴淋密度。(3)硫酸系統開始正常,方能生產蓄電池硫酸。(4)停止生產蓄電池酸時要先關酸進口閥,后關出口閥,防止酸噴出。(5)根據酸中SO2含量,決定空氣吹除時間長短。吹除過程中罐內酸不要過滿以防將酸吹出[4]。

2.2硫酸除銹

硫酸可以與金屬表面的氧化物反應，從而達到除銹的目的。此過程可以翻新生銹的物件，使其在此可以使用，還可以達到美化的目的。除銹時的要點：(1)硫酸濃度在10%～25%，濃度過高或過低都會使除銹效率下降。(2)硫酸中需加入緩蝕劑。因為硫酸不僅能和金屬氧化物反應，而且也會和金屬反應，所以需要緩蝕劑來防止過度腐蝕金屬，造成除銹物件的損壞。(3)反應適宜溫度為50～60℃。溫度過低會導致反應速率過慢，效率較低；而溫度過高會導致反應速率過快，不好控制，可能會造成生銹物件的進一步損壞。(4)硫酸在除銹時，會與金屬氧化物反應生成對應的硫酸鹽。若硫酸鹽含量較高，可能會導致硫酸溶液的侵蝕能力下降。因此，當硫酸鹽含量過高時，應當及時更換硫酸[5]。

2.3氯堿工業中硫酸銨的合成

在氯堿工業中，氯堿裝置利用濃硫酸的脫水性干燥來自電解工序中含有水蒸氣的氯氣。這樣，98%的濃硫酸變會被稀釋成75%～80%的較稀硫酸。但是，在吸收水分的過程中，這些稀硫酸溶解了一些游離氯、氯化鈉和少量機械雜質，所以在儲存和運輸過程中，會有部分游離氯析出來，對周圍環境造成污染。因此，我們可以利用這些硫酸和氨氣反應來制取硫酸銨。這樣不僅可以解決稀硫酸的環保和銷售問題，還可以降低硫酸銨的生產成本。氯堿車間中水工段是處理三聚氯氰車間廢水的工段，三聚氯氰廢水中含有大量的氨氮和氰根，此廢水在中水工段調節pH到11.5±0.3，溫度55～65℃，使廢水中的銨離子向氨氣方向移動，利用氨吹脫法將三聚廢水中的氨氣吹出來，含氨空氣與稀硫酸在氨吸收塔中逆向接觸，形成硫酸銨溶液，硫酸銨溶液再經過調堿、濃縮、蒸發、結晶、干燥等工序得到硫酸銨產品[6]。此方法不僅可以減少環境破壞，還能高效生產硫酸銨，對農業和環境都起到了很好的增益。

3結語

總而言之，目前硫酸制取方法已經可以較為全面地考慮制取硫酸過程中的所有問題，不僅節約成本，提高產率，還可以有效地保護環境。作為一種極其重要的工業原料，硫酸的產量和質量都必須符合供給的需求，因此進一步挖掘產率更高、成本更低、更加環保的硫酸制法顯得尤為重要。此外在環境保護方面，本人認為除了回收制取過程中的廢酸廢氣，還應該回收如舊蓄電池中的廢酸，阻止其進入環境。本人認為，在未來發展中，硫酸的制法會更加完善。像本文中提到的不適合制取硫酸的硫鐵礦，在將來可能會研究出新型的方法，高效地利用硫鐵礦來制取硫酸，這樣可以更有效地利用地球上的資源。此外，硫酸的安全性也會得到控制，因此我認為，硫酸生產在之后會得到全機械化，獲得技術上的進步。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.工業硫磺(第1部分):固體產品:GB/T2449.1－2014[S]．北京:中國國家標準化管理委員會,2014．

[2]申興海,郝易瀟,韓帆,等．硫磺制酸焚硫爐設計的改進與優化［J］．硫磷設計與粉體工程,2014(5):15－19．

[3]宋艷.硫磺制取硫酸聯產裝置的工藝分析[J].化工設計,2019,29(06):8-10,17,1.

[4]張恒昌.用過濾方法生產蓄電池硫酸[J].硫酸工業,1998(05):3-5.

[5]唐春華.硫酸除銹工藝的改進[J].材料保護,2001(11):56-57.

[6]尹詩,吳丹,欒浩,等.氯堿工業產生的稀硫酸用于硫酸銨的合成[J].中國氯堿,2020(08):37-38.

作者：孫煜哲 單位：南京外國語學校