硫磺制酸工藝的重要環(huán)節(jié)

徐立林

【中圖分類號】TQ111.16 【文獻標識碼】A

【文章編號】2095-3089（2018）21-0267-01

一 、硫酸的性質

1.物理性質。

酸濃度大于或等于75%為濃酸，小于75%為稀酸。

硫酸為無色透明油狀液體，煙酸打開冒藍色白煙。一般情況下其密度隨濃度的增加而增加，到98.3%時，隨濃度的增加又逐漸降低。硫酸的粘度與溫度成正比。T一定時，硫酸液面上總蒸汽壓隨濃度的增加而下降，到98.3%時最低，大于98.3%后，因為游離SO3濃度的增加，總蒸汽壓隨濃度的增加而增加。發(fā)煙硫酸的總蒸汽壓隨濃度的增加而增加。P總=P水+P硫酸+P三氧化硫，當濃度為98.3%時，蒸汽與液體組成相同，達到氣液平衡，不能通過加熱的方法提高濃度。當濃度小于98.3%時，P水 > P硫酸，無SO3，當濃度大于98.3%時，P硫酸 升高。發(fā)煙硫酸中PSO3為主。沸點隨硫酸濃度的增加而升高，至98.3%時達到最高為338 ℃，以后繼續(xù)下降，至100%是為296.2℃。濃度為98.3%時為恒沸，采用加熱不能提高濃度。

2.化學性質。

硫酸具有酸的通性，即與金屬的反應 硫酸能與氫前面的活潑金屬（K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb）反應生成該金屬的硫酸鹽。稀硫酸與金屬氧化物反應生成該金屬的硫酸鹽。與氨或其水溶液反應生成硫酸銨，利用該反應可以回收焦爐氣中的氨。2NH3+H2SO4 = （NH3）2SO4

與其他酸類的鹽反應時，能逐出較弱或易揮發(fā)的酸，由此可制造很多種類的酸 Ca3（PO4）2+2H2SO4 = 2H3PO4+CaSO4

濃硫酸對水有強烈的結合作用，工業(yè)上可作氣體脫水、濃縮硝酸及硝化某些有機物（炸藥、有機染料）硝化反應：RH+HNO3 = RNO2+H2O，H2O+H2SO4= H2SO4·H2O硫酸也用作脫水、水化、磺化及用作催化劑等。

二、硫磺制硫酸的工藝

硫磺制酸的主要工藝流程圖如下：

1.硫磺的焚燒。

硫磺在空氣中達到著火點后即引發(fā)燃燒，以S+O2=SO2來表示，實際過程較為復雜。燃燒時會有SO2生成，約占SO2的1%～5% 。在1200℃的高溫區(qū)會產(chǎn)生2SO2+O2=2SO3反應。氮氧化物可引起催化作用，生成SO3和新的氮氧化物。

影響因素，在適量的空氣下，影響因素有：溫度、焙燒時間、粒度。

①溫度：燃燒溫度越高，相對SO2濃度高，溫度的反應比濃度更明顯，從溫度就可知道SO2濃度，一般溫度在1000℃時，SO2濃度為10%。溫度越高，殘硫越低，大約900℃時，殘硫很低。

②焙燒時間越長，殘硫就越低

③粒度越低，燃燒越充分，生成SO2濃度越高。硫的燃燒過程，首先是液硫蒸發(fā)，第二步硫蒸汽與空氣混合，第三步氧與硫反應生成 SO2（S+O2= SO2），第四步SO2擴散。氧與硫反應放熱，由熱氣流和輻射給液硫傳熱，使液硫繼續(xù)蒸發(fā)。

2. 強化硫磺燃燒可從以下四方面入手：

a 改善霧化質量 b增大液硫蒸發(fā)表面積

c增加空氣流的湍動d提高空氣溫度

2.二氧化硫的轉化。

二氧化硫氣體轉化的物化原理

二氧化硫氣體轉化反應和反應的平衡：SO2氣體的轉化反應SO2 + 1/2 O2= SO3+ Q

反應的特點：可逆反應，體積縮小反應，放熱反應轉化率：已反應的二氧化硫與起始二氧化硫總量的百分比 轉化率= 已反應的SO2 / 起始SO2總量 X100%

反應的平衡和平衡轉化率：反應平衡：反應進行過程中，SO2、O2的濃度下降，SO3的濃度上升。開始時，正向反應速度大于逆向反應速度，隨著反應的不斷進行，逆速度增加，達到正向速度等于逆向速度時，反應雖然在進行，但組分不再發(fā)生變化，即反應達到平衡。

3.空氣干燥與SO3的吸收。

干燥原理

原理 ：從透平主風機送來的空氣，在干燥塔內與濃度為98.5%的硫酸充分逆流接觸，利用濃硫酸的強吸水性吸收空氣中的水分，使干燥后的氣體水分含量小于0.1g/Nm3，達到干燥的目的。

空氣中的含水量：近期馬場坪溫度在25℃左右，空氣濕度為80%，25℃時水的飽和濕度為27g/m3，含水量G=飽和濕度×相對濕度=27×80%=21.6g/m3

SO3吸收過程的原理

吸收過程的原理

吸收過程是指當氣體與液體接觸時，混合氣體中某種易溶性氣體組分選擇性地溶解于液體中，并與剩余氣體分離的單元操作過程。

吸收過程可分為物理吸收與化學吸收。前者沒有化學反應發(fā)生，后者伴隨有化學反應發(fā)生。硫酸的吸收過程中，水吸收SO3生成H2SO4為化學吸收，而H2SO4吸收SO3生成發(fā)煙硫酸為物理吸收。當爐氣中的SO3分壓越高，吸收越容易進行。目前解釋SO3吸收過程的理論是雙膜理論，其要點是：在氣液相相接觸時，其間存在著界面，界面雙方又分別存在著一層穩(wěn)定的氣膜和液膜。一切質量和熱量的傳遞必須克服氣膜和液膜的阻力后進行。

根據(jù)雙膜理論的分析，強化傳質過程可以有以下三點：

a提高氣液流速，使氣、液膜變薄，膜的更新加快。但速度過快，壓降增大，且可能產(chǎn)生液泛現(xiàn)象。

b增大氣液接觸面積，選擇比表面大，流體力學性能好的填料。

c增加噴淋量（提高噴淋密度），改善噴淋狀況。

4.SO3吸收過程和反應

a SO3吸收反應 nSO3+H2O=H2SO4+（n-1）SO3+Q當n>1時，生成發(fā)煙硫酸

當n=1時，生成100%硫酸，當n<1時，生成含水硫酸式中，Q為放出熱量，隨生成硫酸的濃度而變化。

b吸收過程

SO3吸收過程可以分為以下五步驟：

①氣體中SO3 從氣相主體中向界面擴散。②穿過界面的SO3在液相中向反應區(qū)擴散。③與SO3起反應的水份，在液相主體中向反應區(qū)擴散。 ④SO3與水在反應區(qū)進行反應。⑤生成的H2SO4向液相主體擴散。

c吸收率

吸收率η= （ a-b/a ） X100%

式中，a、b分別為吸收前、后的SO3數(shù)量，mol。一般要求，吸收率大于99.95%，吸收后氣體中的SO3含量可小于0.005%。

5.硫酸吸收SO3的影響因素

硫酸吸收SO3的影響因素有：酸濃度、吸收溫度、循環(huán)酸量、氣速及設備結構。

（1） 硫酸濃度。

對SO3的吸收要求有：吸收速度快，吸收完全、產(chǎn)生酸霧要少，成品酸有一定的濃度。要滿足這些要求只能用濃硫酸，現(xiàn)選擇98.3%的H2SO4。其理由有以下幾點：

a 98.3%時H2SO4液面上的PSO3、 PH2SO4最低， >98.3%后，吸收推動下降，吸收率下降。

b 98.3%時H2SO4液面上的PH2O最低，<98.3%時，吸收時易生成酸霧冒白煙。濃度越低，吸收SO3越不完全。

（2） 吸收溫度。

吸收溫度包括吸收酸的溫度和入塔的氣體溫度。

a 酸溫升高，液面上的SO3、 H2O及H2SO4蒸汽平衡分壓增高，推動力減小，吸收率降低。

b 酸溫升高，水蒸發(fā)速度將增大到足以使水汽和SO3結合成酸霧，使吸收停止。如95%的H2SO4，當分壓為10133Pa時，在207℃停止吸收。

SO3吸收是否完全，很大程度決定于吸收過程的溫度，又主要取決于硫酸的溫度。酸溫越低，吸收率越高。