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1、第三章、硫酸工業(yè)1.闡述硫鐵礦為原料制取硫酸的主要工序及焙燒原理，并寫出主要化學(xué)反應(yīng)式。（10分）接觸法硫酸生產(chǎn)過程⑴選礦：原料破碎、篩分、配料或干燥；⑵硫鐵礦焙燒；⑶爐氣凈化；⑷SO2催化氧化；⑸爐氣干燥和SO3吸收；⑹尾氣回收SO2和污水處理。焙燒原理第一步是硫鐵礦中的有效成分FeS2受熱分解（高于400℃）成FeS和單體硫。這一步是吸熱反應(yīng)，溫度越高對(duì)FeS2分解反應(yīng)越有利。2FeS2=2FeS＋S2第二步是分解出的單體硫與空氣燃燒，生成SO2S2＋2O2=2SO2硫鐵礦在釋出硫磺后，剩下的硫化鐵在氧分壓為3.04kPa以上時(shí)，生成紅棕色的Fe2O3FeS
2、＋7O2=2Fe2O3＋4SO2當(dāng)氧含量在1％左右時(shí)，則生成棕黑色的Fe3O43FeS＋5O2=Fe3O4＋3SO2主要反應(yīng)總反應(yīng)方程式：4FeS2＋11O2=8SO2＋2Fe2O33FeS2＋8O2=6SO2＋Fe3O4副反應(yīng)：2FeS2＋7O2=Fe2(SO4)3＋SO2硫鐵礦中所含Cu、Pb、Zn、Co、Cd、As、Se等的硫化物，在焙燒后一部分成為氧化物2.SO2催化氧化工藝條件如何確定？（20分）一、溫度放熱反應(yīng)，降低溫度，平衡轉(zhuǎn)化率提高。反應(yīng)速率隨溫度升高而迅速增大。催化劑有極限溫度（起燃溫度）和耐熱極限溫度（活性溫度），范圍在420℃~600℃。確
3、定SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)溫度的原則：在催化劑活性溫度范圍內(nèi)，催化劑床層溫度應(yīng)盡量沿著最佳溫度線變化，此時(shí)達(dá)到同樣轉(zhuǎn)化率所需催化劑量最少。這就要求原料氣需預(yù)熱至催化劑的起燃溫度，然后隨著反應(yīng)的進(jìn)行，適當(dāng)移走多于的反應(yīng)熱，使床層溫度盡可能地沿著最佳值變化。特別在反應(yīng)后期，為了達(dá)到高的SO2轉(zhuǎn)化率，反應(yīng)必須在較低溫度下進(jìn)行。因此SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)及工業(yè)上多數(shù)可逆放熱反應(yīng)過程，總是與換熱過程聯(lián)系在一起。二、SO2原始濃度隨著SO2濃度增加，O2濃度相應(yīng)地下降，這兩個(gè)因素都會(huì)使反應(yīng)速率下降，則達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率時(shí)所需的催化劑用量將增加；另一方面，爐氣中SO2濃度高，則生產(chǎn)每噸硫酸所需的原
4、料氣量少，對(duì)同樣設(shè)備，系統(tǒng)阻力較小，動(dòng)力消耗較低，或?qū)ν簧a(chǎn)能力的裝置，所需設(shè)備和管道等的尺寸較小，投資較少，設(shè)備折舊費(fèi)降低。根據(jù)硫酸生產(chǎn)總費(fèi)用最低的原則，可以得到以硫鐵礦為原料時(shí)，進(jìn)入SO2轉(zhuǎn)化器的最佳濃度為7％～7.5％。三、壓力加壓可提高SO2的平衡轉(zhuǎn)化率，還可以減少設(shè)備尺寸，提高SO3的吸收速率。但加壓增加動(dòng)力消耗，腐蝕壓縮機(jī)，對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)和操作的要求提高。而在較適宜的條件下，常壓操作也可取得很高的轉(zhuǎn)化率，因而目前SO2轉(zhuǎn)化仍以常壓操作為主。四、最終轉(zhuǎn)化率提高最終轉(zhuǎn)化率可以減少尾氣中SO2含量，減輕對(duì)大氣的污染，同時(shí)也可提高硫的利用率；但最終轉(zhuǎn)化率的增加
5、，將導(dǎo)致催化劑用量和流體阻力增加，設(shè)備尺寸增大。最終轉(zhuǎn)化率的最佳值與所采用的工藝流程、設(shè)備和操作條件有關(guān)。3.如何從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度確定SO2催化氧化溫度條件？（10分）SO2+1/2O2→SO3+Q反應(yīng)特點(diǎn)：體積縮小,Q>0可逆放熱反應(yīng)SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)可逆反應(yīng)，在SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，同時(shí)進(jìn)行著SO2的氧化和SO3的分解反應(yīng)，當(dāng)兩個(gè)反應(yīng)的速率相等時(shí)，反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)。SO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，降低反應(yīng)溫度會(huì)使平衡轉(zhuǎn)化率提高。反應(yīng)速率隨溫度的升高而迅速增大；但催化劑有起燃溫度，為了保證催化劑的正常使用，應(yīng)該選擇合適的溫度；在選擇溫度指標(biāo)時(shí)，不但要考慮有
6、較高的轉(zhuǎn)化率，還要考慮有較高的反應(yīng)速率。在工業(yè)生產(chǎn)中，可通過分段轉(zhuǎn)化，控制不同的轉(zhuǎn)化溫度來實(shí)現(xiàn)較高的轉(zhuǎn)化率和較快的反應(yīng)速率。反應(yīng)初期宜使氣體在較高的溫度下轉(zhuǎn)化；反應(yīng)的后期，宜使氣體在較低的溫度下轉(zhuǎn)化。2.在制取硫酸過程中，常易形成酸霧，試解釋酸霧形成的原因，以及酸霧怎樣清除之。（15分）酸霧的形成在爐氣濕法凈化過程中，由于爐氣被洗滌冷卻，大量的水蒸氣進(jìn)入氣相，于是爐氣中的SO3(g)在氣相中發(fā)生反應(yīng)，生成了硫酸蒸氣SO3(g)＋H2O(g)=H2SO4(g)當(dāng)氣相中硫酸蒸氣壓大于洗滌液液面上的飽和蒸氣壓時(shí)，硫酸蒸氣就會(huì)冷凝。硫酸蒸氣在氣相中快速冷凝時(shí)就會(huì)形成酸霧
7、。爐氣在洗滌時(shí)，冷卻速度是很快的，因而必然會(huì)生成酸霧液滴。如果存在凝結(jié)中心(如雜質(zhì)微粒)，則生成酸霧粒子就大。所以，伴隨著爐氣的洗滌、降溫過程，礦塵、砷、硒和氟等雜質(zhì)不斷地從氣相中被除去，同時(shí)產(chǎn)生了酸霧。氣相中殘余的細(xì)小塵粒和砷、硒氧化物懸浮微粒亦成為酸霧的冷凝中心。初形成酸霧霧粒較大，由于氣體中懸浮有各種氣溶膠粒子，硫酸蒸汽就在它們表面發(fā)生冷凝形成直徑較大霧粒。用特殊方法清除從分離的角度看，霧不能用普通方法除掉，這是因?yàn)棰偶?xì)小的微粒(滴)傾向于跟隨流體的流線運(yùn)動(dòng)，難以通過撞擊方式捕捉，使之與氣體分離；⑵霧粒直徑比分子直徑大得多，故不能通過擴(kuò)散的方式使之進(jìn)入液相
8、，即不能被體吸收。因而酸
