工业硫酸的制取和应用

孙煜哲 (南京外国语学校，江苏 南京 210000)

0 引言

硫酸是一种常见的化学物质，与盐酸、硝酸、氢溴酸、氢碘酸和高氯酸合称为六大强酸。它是一种化工行业的重要原料，对人类的生活、科技上的发展起到了不可替代的作用。工业硫酸是最为常见的一种硫酸，它的浓度 约为98%。

硫酸的制取已有上千年的历史，早在唐高宗时，《黄帝九鼎神丹经诀》中就记载着干馏胆矾来制取硫酸的方法。反应式：

不过，阿拉伯炼丹家贾比尔在公元8世纪通过干馏硫酸亚铁晶体得到了硫酸，这也是硫酸的真正发现。反应式：

在17世纪，德国化学家格劳伯发现硫与硝酸钾的混合通过蒸汽加热可以成功制取硫酸，此过程中，硝酸钾会被分解，且硫会被氧化为氧化成三氧化硫。

之后，著名硫酸制取方法——铅室法就由此创造了出来。此种制备方式可以通过较低成本有效地大规模生产硫酸。经过多此的改良和提高后，这个方法在工业上得到了将近两个世纪的应用。反应式：

到了1831年，英国制醋商人Peregrine Phillips提出了接触法，降低了成本，如今，这种方法已被广泛运用。 反应式：

虽然，现在的硫酸制造工艺已经能制造出纯度较高的浓硫酸，但是在制取过程中产生的环境问题仍不可忽视。如产生的酸气 (如二氧化硫) 若排放至空气中，会融入雨水并产生酸雨。因此， 们在研究如何制取硫酸的同时，也在研究如何处理这些对环境有影响的物质。

1 工业硫酸制取步骤

1.1 工业硫酸成分

工业硫酸主要是浓度为98%的浓硫酸，剩下成分基本为水，可能含有其他杂质。

1.2 原料选择

一般有两种原料可供选择：工业硫磺、硫铁矿。

工业硫磺的纯度可达99.95%以上, 仅存极少量水分和灰分, 固体硫磺可以先加热熔化为液体, 在中和并简单过滤后就可进入燃烧室燃烧, 生产步骤较为简单。

而硫铁矿中含有大量杂质，过滤、净化工艺都比较较复杂，在焚烧环节中很可能会产生大量有害杂质，并且原料中其它元素很难回收，易造成了原料的浪费以及环境污染[1]。

由此看来，为了使成本降低，且降低工业生产对于环境的破坏，工业制取硫酸一般使用工业硫磺作为原料。

1.3 制取硫酸工业流程

制取硫酸流程如图1所示。

工业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. 以下是制取步骤。

1.3.1 二氧化硫制备

工业硫磺进入燃烧室燃烧，与氧气反应生成二氧化硫。硫磺融化后，需在高压下发生雾化，充分与氧气反应。而硫磺喷嘴则选用固定式机械雾化喷嘴，此种喷嘴不易堵塞、加工容易、并且操作方便[2]。该喷嘴还可以用来调节出硫量，使得其与氧气的进气量达成平衡，从而使反应更加稳定。此方法还可以使得液态硫磺在雾化后再和氧气反应，增大了接触面积，加快反应速率并且避免了硫磺的不完全燃烧，实现了原料的高效利用以及反应的可持续性，使得产量提升。

1.3.2 二氧化硫提纯

工业硫磺纯度虽高。但在燃烧过程中也会产生杂质，如空气中的灰尘、硫磺中原有杂质等。

提纯方法：SO2预冷预净化单元中的工艺气依次通过第一次冷却、过滤、第二次冷却。两次冷却均采用湿法喷淋。若使用水洗，会产生大量的废酸，处理成本较高，且容易对环境产生污染。因此，工厂一般采用稀硫酸进行洗涤。优点在于，使用后的酸还可以进行重复利用，废酸排放量小，对环境污染较小[3]。

提纯之后，二氧化硫纯度将会提升，有助于原料的充分利用，以及产率的提升，有利于节约成本。

1.3.3 催化制酸

高纯度二氧化硫之后会进入催化装置并进行催化反应。此反应中，二氧化硫会在催化剂的催化作用之下与氧气反应生成三氧化硫。工业上一般选择五氧化二钒或铂作为催化剂。反应式：

之后，三氧化硫便可以和水反应生成硫酸，不过此反应将放出大量的热可能会造成仪器的过热以及一定的危险性。反应式：

因此，一般将三氧化硫先通入硫酸中制成发烟硫酸，再用发烟硫酸与水反应，得到硫酸。这样，制取过程中放出的热量较少，对装置的损耗也就较少。反应式：

1.4 处理无关产物

1.4.1 废酸处理

硫酸工业是一项高污染行业，因为硫酸和其副产物一般具有较强腐蚀性，若直接排入环境，可能会造成环境污染。因此，生产装置产生的废酸和含硫废液必须经过处理才能进入环境。为提高硫磺原料利用率，降低工厂外排废酸量，对该装置硫酸使用进行总体性综合考虑：在二氧化硫预冷预净化单元，洗涤冷却二氧化硫后的大部分进入稀酸循环，少量排至三氧化硫单元再利用。尾气双氧水脱硫单元约20%的稀硫酸，返回硫酸吸收调质单元，与单元中的浓硫酸混合，制成浓度为 93%～98%的硫酸产品，达到废水近零排放目的。

此方法不仅能让几乎所有的废酸都能得到有效的利用，转化为有用的产物，以此来降低成本；而且能降低废酸对环境的污染，实现可持续发展。

1.4.2 废气处理

生产浓硫酸过程中，热浓硫酸可能会释放出一些二氧化硫、三氧化硫酸性气体，若排入环境之中，会造成酸雨，破坏环境。因此，处理这些废气，防止环境污染显得至关重要。

酸废气的处理介质中，较环保的有氨、碱和双氧水。其中氨洗流程较复杂，氨需外购，且氨的挥发性易造成二次污染，故不推荐; 碱洗运行时如果反应不充分很可能易结晶堵塞，并产生亚硫酸氢钠。亚硫酸氢钠是有毒化学药品，并且容易引发二次污染，对环境仍有较大影响。因此，双氧水洗涤是一种较好的处理方式[3]。

另外，还可以使用新型催化法处理废气。此方法采用活性炭为载体，上面负载催化剂，利用废气中的水分、氧气和二氧化硫再生产一定的硫酸，此方法耗能少，催化剂几乎不会损耗，且节省装置与成本，运行稳定可靠。

2 硫酸的运用

作为一种重要的原料，硫酸在生活、工业等方面都有着极其重要的作用。

2.1 蓄电池中的应用

制取蓄电池级硫酸流程如图2所示。

图2 蓄电池级硫酸制取流程

一般生产过程中利用 98%的浓硫酸为原料，通过脱除硫酸中残留的二氧化硫和过滤净化的方法制取的蓄电池级硫酸产品达到化工部标准。

其中，过滤器示意图如图3所示。

图3 过滤器

在生产过程中应注意以下问题:

(1)新组装的过滤器要在硫酸中浸泡 24 h后方可使用。

(2)生产蓄电池硫酸时要密切注意干燥酸循环槽液位, 不要影响干燥塔喷淋密度。

(3)硫酸系统开始正常, 方能生产蓄电池硫酸。

(4)停止生产蓄电池酸时要先关酸进口阀, 后关出口阀,防止酸喷出。

(5)根据酸中SO2含量, 决定空气吹除时间长短。吹除过程中罐内酸不要过满以防将酸吹出[4]。

2.2 硫酸除锈

硫酸可以与金属表面的氧化物反应，从而达到除锈的目的。此过程可以翻新生锈的物件，使其在此可以使用，还可以达到美化的目的。

除锈时的要点：

(1)硫酸浓度在10%～25%，浓度过高或过低都会使除锈效率下降。

(2) 硫酸中需加入缓蚀剂。因为硫酸不仅能和金属氧化物反应，而且也会和金属反应，所以需要缓蚀剂来防止过度腐蚀金属，造成除锈物件的损坏。

(3) 反应适宜温度为50～60 ℃。温度过低会导致反应速率过慢，效率较低；而温度过高会导致反应速率过快，不好控制，可能会造成生锈物件的进一步损坏。

(4) 硫酸在除锈时，会与金属氧化物反应生成对应的硫酸盐。若硫酸盐含量较高，可能会导致硫酸溶液的侵蚀能力下降。因此，当硫酸盐含量过高时，应当及时更换硫酸[5]。

2.3 氯碱工业中硫酸铵的合成

在氯碱工业中，氯碱装置利用浓硫酸的脱水性干燥来自电解工序中含有水蒸气的氯气。这样，98%的浓硫酸变会被稀释成75%～80%的较稀硫酸。但是，在吸收水分的过程中，这些稀硫酸溶解了一些游离氯、氯化钠和少量机械杂质，所以在储存和运输过程中，会有部分游离氯析出来，对周围环境造成污染。

因此，我们可以利用这些硫酸和氨气反应来制取硫酸铵。这样不仅可以解决稀硫酸的环保和销售问题，还可以降低硫酸铵的生产成本。

氯碱车间中水工段是处理三聚氯氰车间废水的工段，三聚氯氰废水中含有大量的氨氮和氰根，此废水在中水工段调节pH 到 11.5±0.3，温度 55 ～ 65 ℃，

使废水中的铵离子向氨气方向移动， 利用氨吹脱法将三聚废水中的氨气吹出来， 含氨空气与稀硫酸在氨吸收塔中逆向接触，形成硫酸铵溶液，硫酸铵溶液再经过调碱、浓缩、蒸发、结晶、干燥等工序得到硫酸铵产品[6]。

此方法不仅可以减少环境破坏，还能高效生产硫酸铵，对农业和环境都起到了很好的增益。

3 结语

总而言之，目前硫酸制取方法已经可以较为全面地考虑制取硫酸过程中的所有问题，不仅节约成本，提高产率，还可以有效地保护环境。作为一种极其重要的工业原料，硫酸的产量和质量都必须符合供给的需求，因此进一步挖掘产率更高、成本更低、更加环保的硫酸制法显得尤为重要。

此外在环境保护方面，本人认为除了回收制取过程中的废酸废气，还应该回收如旧蓄电池中的废酸，阻止其进入环境。

本人认为，在未来发展中，硫酸的制法会更加完善。像本文中提到的不适合制取硫酸的硫铁矿，在将来可能会研究出新型的方法，高效地利用硫铁矿来制取硫酸，这样可以更有效地利用地球上的资源。此外，硫酸的安全性也会得到控制，因此我认为，硫酸生产在之后会得到全机械化，获得技术上的进步。