接触法制硫酸基础知识精讲

接触法制硫酸基础知识精讲【基础知识精讲】一、制硫酸的原料、原理、设备和生产流程(1)四个“三”①三种主要原料 黄铁矿(或硫黄)，空气，98.3％的硫酸．②三个阶段 造气阶段(制2SO )，接触氧化阶段(2SO 转化为3SO )，三氧化硫吸收阶段(3SO 转化为42SO H 或发烟硫酸)．③三个反应 Ⅰ．)g (SO 2)s (O Fe 21)g (O 411)s (FeS 23222++高温；△H ＝－853kJ/mol 或)g (SO )g (O )s (S 22点燃+；△H ＝－297kJ/molⅢ．)l (SO H )l (O H )g (SO 4223====+；△H ＝－130.3kJ/mol④三种设备 沸腾炉，接触室(含热交换器)，吸收塔．每一个阶段发生一个反应和对应一种设备．(2)生产过程中采取的措施和理由(原理)①将黄铁矿粉碎和在沸腾炉中通入过量的空气 增大黄铁矿和氧气的接触面，使燃烧得更快，更充分．保证接触室中氧化2SO 的用氧．②炉气的净化和干燥 在沸腾炉中燃烧黄铁矿制得的炉气中含有222N O SO 、、、水蒸气以及一些杂质，如砷、硒化合物和矿尘(32O Fe 粉末)等等．矿尘的沉积会阻塞输送气体的管道；杂质和矿尘都会使催化剂中毒而失去催化作用；水蒸气在高温下会腐蚀设备[即↑++2432H 4O Fe Fe 3g O H 4高温）（，危险]．因此从沸腾炉出来的炉气在进入接触室前，必须净化和干燥，除去矿尘、砷硒化合物和水蒸气．这样处理过的混合气体主要含2SO (体积分数7％)，2O (11％)，2N (82％)．③在接触室中使用热交换器 由于2SO 的氧化反应需在400℃～500℃条件下进行．因此，反应前必须把炉气预热到这个温度；又由于此反应是放热反应，随着反应的进行，反应环境的温度会不断升高，这不利于3SO 的生成．所以在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换器，用来把反应生成的热，传递给进入接触室需要预热的炉气，还可以冷却反应后生成的气体．④用98.3％的浓硫酸代替水吸收3SO 由于水面上存在水蒸气，水蒸气与3SO 生成硫酸酸雾将水与3SO 隔开了，故不能用水或稀硫酸吸收3SO ．98.3％的浓硫酸的表面上不存在水蒸气，用它吸收3SO 不会生成硫酸酸雾，又由于3SO 能溶于硫酸中(即得发烟硫酸)，所以，用98.3％的浓硫酸吸收3SO 的效率高，能完全吸收．从吸收塔出来的硫酸是比98.3％的硫酸还浓的硫酸或发烟硫酸．再根据需要，用水或稀硫酸稀释这些浓硫酸，而制得各种浓度的硫酸．在吸收塔中，气液逆流，即98.3％的浓硫酸由上向下流，3SO 气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应，完全溶解．⑤尾气循环氧化和用氨水吸收 将尾气中未氧化的2SO 再次进入接触室氧化，可以提高原料的利用率．由于2SO 氧化是可逆反应，2SO 不可能100％的转化为3SO ，所以需要处理尾气．用氨水吸收尾气可以消除环境污染．O H SO )NH (O H NH 2SO 2324232+====⋅+再让324SO )NH (和硫酸反应：O H SO SO )NH (SO H SO )NH (2242442324+↑+====+得到较为纯净的2SO 又成为制硫酸的原料，424SO )NH (是化肥．(3)制硫酸的生产过程例 在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明操作的主要原因都正确的是( )A ．硫铁矿燃烧前需要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧B ．从沸腾炉出来的气体需净化，以提高产品纯度C ．二氧化硫氧化为三氧化硫时需用催化剂，这样可以提高反应速率D ．用98.3％的浓硫酸代替水去吸收三氧化硫，目的是防止酸雾，以便三氧化硫完全吸收分析与解答矿石粉碎的主要目的是使燃烧得更快更充分．净化沸腾炉中出来的气体是除去有害物质，避免矿尘阻塞管道、矿尘和杂质使接触室中的催化剂中毒和水蒸气腐蚀设备．答案 CD二、2SO 氧化成3SO 的条件选择在化工生产上，要求又快又多地获得产品．光快不多不行，光多不快也不行．这里的“快”指的是化学反应速率大，这里的“多”指的是原料的转化率大．故我们必须同时研究外界条件对2SO 的氧化反应速率和化学平衡的影响．并注意这些条件与综合经济效益的关系．根据氧化反应化学方程式：从加快氧化反应速率的角度考虑，可以采用升高反应的温度、增大压强和使用催化剂． 从提高2SO 的转化率的角度考虑，可以采用降低温度和增大压强．催化剂对此无影响． 化学家们和工程师们通过实验探索，并结合综合经济效益进行分析研究，找出的2SO 氧化反应的合适条件是：400℃～500℃的温度、常压、使用催化剂和使用过量的氧气(不要花钱买的原料)．由于在400℃～500℃时，催化剂的活性最好，能保证有大的氧化反应速率；使用过量氧气能增大2SO 的转化率[11:7)O (V :)SO (V 22=]．由于使用上述条件后，常压下2SO 已有快的氧化反应速率和高的转化率，基于降低生产成本和提高经济效益，故就采用常压．三、关于制硫酸中的计算关于制硫酸中的计算通常遇到两种情况：第一由原料计算产品硫酸的质量；第二由产品硫酸计算需要原料的质量．都属于多步反应一次计算．在计算中，理解好两种关系：①原料的利用率有传递关系．如2SO 的利用率可视为S 的利用率，也视为2FeS 的利用率．②产物的产率等于反应物的利用率．如3SO 的产率可视为2SO 的利用率，也可视为S 或2FeS 的利用率．例 燃烧500t 含硫48％的黄铁矿，若在沸腾炉中有2％的2FeS 损失，在接触室中3SO 的产率为96％，计算生成98％的浓硫酸的质量．分析与解答硫第一次(沸腾炉中)利用了98％，第二次(接触室中)利用96％．故有：%98x 98%96%98%48t 50030SO H ____________S 42⨯=⨯⨯⨯ x ＝705.6t答案 生成705.6t 98％的浓硫酸．【重点难点提示】1．化学反应原理及综合经济效益原则．2．2SO 的接触氧化(条件分析)．3．2SO (尾气)的吸收．【典型例题分析】例1 接触法制42SO H 的尾气中2SO 可用碱性溶液氨水吸收，吸收达到饱和后的溶液再与93%的硫酸反应，可放出2SO 并得424SO )NH (溶液．此法可制得较纯2SO ．将424SO )NH (溶液结晶、分离、干燥后可制得固体硫酸铵肥料．(1)写出有关反应的化学方程式；(2)某厂每天排放含2SO 体积分数为0.2%的尾气31000m ，问每天要消耗同温同压下(设标准状况)的氨气多少立方米？可得硫酸铵多少千克？分析与解答 (1)O H SO )NH (O H NH 2SO 2324232+⋅+3422324HSO NH 2OH SO SO )NH (++ O H SO SO )NH (SO H SO )NH (2242442324+↑++ O H 2SO 2SO )NH (SO H HSO NH 2224244234+↑++(2)由上述反应可得)NH (V %2.0m 100011NH ~SO 3332⨯解得33m 20)NH (V =又 132642SO )NH (~SO 24242⨯]SO )NH [(m kg 64104.22%2.010004243⨯⨯⨯-64106424.22%2.010132]SO )NH [(m 33424⨯⨯⨯⨯⨯⨯=- ＝5.89(kg) 答：每天消耗氨气3m 20，可生成硫酸铵5.89kg ．例2 接触法制硫酸的简单流程，如图5－1所示，试填写：(1)主要设备的名称：A_______________、B_______________、C_______________、D_______________．(2)分别写出a →h 各主要物质的化学式：a_______________、b_______________、c_______________、d_______________、e_______________、f_______________、g_______________、h_______________．(3)从设备A 中导出的气体若不净化而直接导入B 设备，则会使____________，这种现象叫做_______________．(4)设备D 上顶喷入的是_______________而不是_______________，这是因为______________________________．(5)从设备D 上部导出的气体g ，工业上叫做_____________，其中的______________用_______________加以回收利用以防止_______________．分析与解答 (1)A ：沸腾炉 B ：接触室 C ：热交换器 D ：吸收塔(2)a ：2FeS b ：空气(2O 、2N ) c ：32O Fe d ：2SO 、2O e ：2SO 、2O f ：3SO g ：2SO h ：42SO H ．(3)从沸腾炉中导出的气体若不净化直接导入接触室，则会使催化剂作用减弱或失去作用，这种现象叫催化剂中毒．(4)吸收塔上顶喷入的是98.3%的42SO H ，而不是水或稀42SO H ，这是因为用水或稀42SO H 作吸收剂时，容易形成酸雾．(5)从吸收塔上部导出的气体，工业上叫尾气，其中的2SO 需用碱液吸收，以防大气污染．例3 图5－2为我国东部季风区某新建城市分布图，城市的四周都有广阔地带．现要在城市附近建一座kW 106以重油或煤炭为燃料的火力发电厂．(1)若该厂以含硫质量分数为2%的重油为燃料，设3dm 1重油(密度为3cm 95.0-⋅)燃烧生成3m 14标准状况下的烟道气，计算烟道气中2SO 的体积分数．(2)请在图5－2中A 、B 、C 、D 、E 、F 处选一最佳建厂处，说明理由．(3)请你预测此工厂将有哪些方面对环境造成污染？(4)请你用物理、化学、生物等方面的知识设计一个保护环境、控制污染的方案．(5)以含硫3.5%的重油为燃料，重油使用量为113h kW dm 18.0--⋅⋅，该厂开工率为(每年实际运转天数)为80%，对烟道气的脱硫回收的2SO 能生产多少千克424SO )NH (？或生产石膏(O H 2CaSO 24⋅)多少千克？若将这些2SO 制成70%的浓42SO H ，可生产这种浓硫酸多少千克？分析与解答 (1)13332mol g 32%2cm g 95.0cm 101)SO (n -⋅⨯⋅⨯⨯=)SO (n mol L 4.22)SO (n V )SO (V 212m 2⋅⋅=⋅=-%095.0L1014)SO (n mol L 4.22V )SO (V 32)(2=⨯⋅⋅=总 (2)应选在D 处建厂．原因：①在季风区，工厂应建在位于垂直于盛行风向的郊外，可尽量减少粉尘、有毒气体对居民区的污染．②在河的下游，水源充足．③紧靠铁路和公路，交通便利．(3)有废气、废渣和废水．(4)①在附近建一个矿渣水泥厂或砖厂，变废为宝．②根据所产生废水的情况，在建厂的同时，建一个利用化学分解和生物降解的废水处理设备．③根据该厂将产生粉尘和有毒气体较严重的情况，在厂区里多栽一些如美人蕉、月季、丁香、菊花等能吸收有毒气体的植物，搞好厂区绿化保护．在工厂周围和居民区之间建立森林防护林带，尽量选一些生长快、能吸收粉尘和有毒气体的树种作为绿化的主要品种．(5)设能生产424SO )NH (、石膏、浓硫酸的质量分别为x 、y 、z ，则kg10194.4%5.3%80365h 24kW 10dm kg 95.0h kW dm 18.0)S (m 763113⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⋅⨯⋅⋅=---．由%70z kg 10194.49832SO H ~S y kg10194.417232O H 2CaSO ~Sx kg10194.413232SO )NH (~S7427247424⨯⨯⨯⋅⨯)kg (1073.13213210194.4x 87⨯=⨯⨯= )kg (1025.23217210194.4y 87⨯=⨯⨯= )kg (1083.17.0329810194.4z 87⨯=⨯⨯⨯= 答：生产424SO )NH (、石膏、浓42SO H 的质量分别为kg 1073.18⨯、kg 1025.28⨯、kg 1083.18⨯．【同步达纲练习】1．接触法制硫酸的生产过程中，下列措施能提高硫酸产率的是 ( )A ．把矿石粉碎后再送入沸腾炉B ．沸腾炉中通入过量空气C ．对炉气进行除尘、洗涤、干燥处理D ．接触室内用52O V 作催化剂2．为了提高32SO SO →的转化率，常在接触室内鼓入过量的空气，因此从接触室导出的气体中会有 ( )A ．O H 2、2O 、2N 、3SOB ．3SO 、2N 、2OC ．2SO 、3SO 、2O 、2ND ．S 、Se 、As 等的氧化物3．制取硫酸时，混合气体的组成(体积分数)2SO 占7%，2N 占82%，2O 占11%，将该混合气体100L 送入接触室反应后，其体积变为97.2L(相同条件下)．则此时2SO 的转化率为()A ．80%B ．90%C ．70%D ．60% 4．在生产硫酸的过程中，常用浓硫酸而不用水吸收3SO 是因为 ( )A ．3SO 易溶于浓42SO H 而不易溶于水B ．用浓硫酸吸收速率虽慢但损失3SO 少C ．用水吸收时，易形成酸雾而阻碍3SO 再吸收D ．用水吸收时得不到纯净的硫酸5．一个现代化的企业，应朝着无废物排出的“封闭式生产”的方向努力．对硫酸生产中产生的“三废”根据上述要求，处理方法从经济效率上看不合理的是 ( )A ．用氨水吸收尾气，然后再用硫酸处理得到含量较高的2SO ，返回车间作生产硫酸的原料B ．用2)OH (Ca 处理含有硫酸的废水生产石膏C ．将矿渣作制造水泥的原料或制砖D ．用NaOH 吸收尾气以得新的化工产品32SO Na6．将一定体积的空气通入吸收剂，并测定其电导(电阻的倒数)变化，这种方法可以测定空气中污染物的含量．如测定硫化氢，用硫酸铜溶液吸收，可测定很大浓度范围的硫化氢，但电导变化不大；用溴水吸收，仅适用于低浓度范围，但有很高的灵敏度．现要兼顾吸收容量和灵敏度，测定空气中2Cl 的含量，则最好选用的吸收剂是 ( )A ．KI 溶液B ．溴水C ．32SO Na 溶液D ．NaOH 溶液7．距离地表50km 左右的大气层中，有一层3O 构成的臭氧层，它能吸收大部分由太阳辐射令人皮肤致癌的紫外线．近几年发现地球上空某些地区的臭氧层减少，甚至出现臭氧空洞．臭氧空洞出现的地区主要是 ( )A ．亚洲上空B ．欧洲上空C ．南极洲上空D ．非洲上空8．使臭氧层减少变薄的主要原因是 ( )①火山爆发 ②固体燃料煤的大量使用 ③大量使用塑料 ④大量使用氟里昂制冷剂A ．①②③④B ．②③④C ．③④D ．④9．我国农业因遭受酸雨造成每年损失高达15亿多元(RMB)．为了有效控制酸雨，目前国务院已批准了《酸雨控制区和2SO 污染控制区划分方案》等法规．(1)你认为减少酸雨的产生可采取的措施是( )①少用煤作燃料②把工厂烟囱造高③燃料脱硫④在已酸化的土壤中加石灰⑤开发新能源A．①②③B．②③④⑤C．①③⑤D．①③④⑤(2)在英国进行的一个研究结果表明：高烟囱可以有效地降低地表面SO浓度．在20世2纪60年代～70年代的10年间，由发电厂排出的SO增加了35%，但由于建造高烟囱的结2果，地面SO浓度降低了30%之多．请你从全球环境保持的角度，分析这种方法是否可取？2简述其理由．(3)用传统的煤、石油作燃料，其主要缺点是什么？与传统的煤、石油燃料相比，哪种物质可作为新能源？主要优点又是什么？10．读“我国部分城市空气质量周报(1998年6月)”的有关统计数据(见下表)，解答：(1)经济特区中，空气质量最好的城市是____________；直辖市中，空气质量最差的城市是__________．(2)最容易出现酸雨的城市是_____________．为防治城市出现酸雨，降低煤燃烧时向大气排放的SO，工业上将生石灰和含硫煤混合使用，请写出燃烧时，有关“固硫”(不使含2硫化合物进入大气)反应的化学方程式___________________________________________．(3)你认为减少城市酸雨产生的途径可采取的措施是( )①少用煤作燃料②把工厂烟囱造高③燃料脱硫④在已酸化的土壤中加石灰⑤开发新能源注：总悬浮颗粒物为TSP；氮氧化物NOX；二氧化硫为SO2A．①②③B．②③④⑤C．①③⑤D．①②③④(4)汽车尾气(含有烃类，CO ，2SO 与NO 等物质)是城市空气的污染物，治理的方法之一是在汽车的排气管上装一个“催化转换器”(用铂、钯合金作催化剂)，它的特点是使CO 与NO 反应，生成可参与大气生态环境循环的无毒气体，并促使烃类充分燃烧及2SO 的转化．①写出CO 和NO 反应的化学方程式：____________________________．②控制城市空气污染源的方法可以有 ( )A ．开发氢能源B ．使用电动车C ．植树造林D ．戴上呼吸面具11．接触法制硫酸排放的尾气中，含少量的二氧化硫．为防止污染大气，在排放前设法进行综合利用．(1)某硫酸厂每天排放的3m 10000(标准状况)尾气中含0.2%(体积分数)的2SO ．问用氢氧化钠溶液、石灰及氧气处理后，假设硫元素不损失，理论上可得到多少千克石膏(O H 2CaSO 24⋅)？(2)如果将一定体积的尾气通入100mL 2mol/L 的氢氧化钠溶液使其完全反应．经测验得溶液含16.7g 溶质．试分析该溶液的成分，并计算确定各成分的物质的量．(3)工厂在尾气处理制石膏的过程中，中间产物是亚硫酸氢钠．调节尾气排放的流量，以取得二氧化硫与氢氧化钠间物质的量的最佳比值，从而提高亚硫酸氢钠的产量．现设)SO (n 2、n(NaOH)、)NaHSO (n 3分别表示二氧化硫、氢氧化钠和亚硫酸氢钠的物质的量，且x )NaOH (n )SO (n 2=，试写出x 在不同取值范围时，)NaHSO (n 3的值或)NaHSO (n 3与)SO (n 2、n(NaOH)间的关系式．参考答案【同步达纲练习】1．AB 2．C 3．A 4．C 5．D 6．C 7．D 8．D9．(1)C (2)不可取．因2SO 的排放总量没有减少，所以形成酸雨的量并未减少，会造成对全球的危害．(3)首先，煤、石油是不易再生的化石燃料，其资源是有限的；其次，燃烧后产生的2SO ，x NO 等严重污染大气，形成酸雨；最后，燃烧产生的2CO (超过正常量)又导致“温室效应”加强，升高地球表面温度，也同样是危害．2H ．第一，2H 可以用水作原料来制取，有广泛的来源；第二，2H 的燃烧热高，放出的热量约为等质量汽油的3倍；第三，2H 燃烧后的产物是水，无污染，且可循环利用．10．(1)厦门，重庆(2)重庆；32CaSO SO CaO +，423CaSO 2O CaSO 2+(3)C(4)①22N CO 2NO 2CO 2++催化剂 ②AB11．(1)153.6kg由硫原子守恒可得)O H 2CaSO (m L %2.010101g 172L 4.22OH 2CaSO ~SO 2434242⋅⨯⨯⨯⋅得 kg 6.153g 10536.1)O H 2CaSO (m 524=⨯=⋅．(2)可能的反应为：O H SO Na NaOH 2SO 2322++① 32NaHSO NaOH SO +② 若按①进行，产物为32SO Na ，g 6.12)SO Na (m 32=若按②进行，产物为3NaHSO ，g 8.20)NaHSO (m 3=因为20.8g ＞16.7g ＞12.6g ，所以反应按①②进行，溶质为32SO Na 和3NaHSO 的混合物．⎪⎩⎪⎨⎧=+=⋅⋅+⋅⋅--mol2.0)SO Na (n 2)NaHSO (n g7.16)SO Na (n mol 126)NaHSO (n mol g 10432332131解得⎩⎨⎧==mol 05.0)SO Na (n mol1.0)NaHSO (n 323(3)如下表。