化工史話-硫酸工業(yè)4 現(xiàn)代硫酸工業(yè)的工業(yè)流程和使用的設(shè)備
更新時(shí)間：2023/05/08
從整體上來說，接觸法制硫酸主要分為3部分，產(chǎn)生二氧化硫，氧化二氧化硫，吸收三氧化硫成硫酸，下面我們就分開來講。首先是產(chǎn)生二氧化硫，常用的方法有燃燒硫黃，石膏脫磷加焦炭，有色金屬冶煉煙氣。較為先進(jìn)的技術(shù)是低溫分解法工藝；本期視頻介紹的是硫鐵礦沸騰焙燒法
原料硫鐵礦被粉碎成細(xì)小礦粒在沸騰爐中充分燃燒，沸騰爐是硫酸工業(yè)的核心設(shè)備之一， 是用固體流態(tài)化技術(shù)焙燒硫鐵礦的裝置。焙燒過程會(huì)放出大量的反應(yīng)熱，產(chǎn)生的二氧化硫氣體用來制造硫酸，礦渣則用作冶金原料。硫化礦沸騰焙燒技術(shù)是50年代初聯(lián)邦德國的巴登苯胺純堿公司（現(xiàn)巴斯夫公司BASF SE）和一家美國公司分別開發(fā)的。沸騰焙燒爐是爐體為鋼殼內(nèi)襯保溫磚再襯耐火磚構(gòu)成。為了防止冷凝酸的腐蝕，鋼殼外面有保溫層。爐子的最下部是風(fēng)室，設(shè)有空氣入口，其上是空氣分布板。空氣分布板上是耐火混凝土爐床，埋設(shè)有許多側(cè)面開小孔的風(fēng)帽。爐膛中部為向上擴(kuò)大的圓錐體，上部焙燒空間的截面積比沸騰層的截面積大，以減少固體粒子吹出。沸騰層中裝有廢熱鍋爐的冷卻管，爐體還設(shè)有加料口、礦渣溢流口、爐氣出口、二次空氣進(jìn)口、點(diǎn)火口等接管。爐頂有防爆孔，用來防止爆燃等危險(xiǎn)因素。（如砷、硒等化合物礦塵），雜質(zhì)和礦塵都會(huì)使催化劑作用減弱甚至失效。這種現(xiàn)象叫催化劑失活；水蒸氣也會(huì)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)產(chǎn)生不良是影響。因此在氧化反應(yīng)進(jìn)行前，爐氣必須通過除塵、洗滌、干燥等凈去除相應(yīng)的有害雜質(zhì)。同時(shí)，由于焙燒時(shí)放出了大量的熱量，爐氣溫度在900℃左右，如果直接通入凈化系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的材料要求很高。如果直接冷卻后凈化也是能量的極大浪費(fèi)。通常會(huì)設(shè)置廢熱鍋爐來回收熱量，或產(chǎn)蒸汽發(fā)電或直接推動(dòng)動(dòng)力機(jī)械作功。
爐氣的除塵凈化過程主要有是將爐氣依次通過旋風(fēng)分離器，靜電除塵器等凈化設(shè)備。未經(jīng)凈化氣體中的大量的礦塵會(huì)堵塞設(shè)備與管道，隨著氣體的高速流動(dòng)，粒徑較大的固體顆粒會(huì)對(duì)輸送設(shè)備內(nèi)壁產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。旋風(fēng)分離器可以除去直徑≥10μm的固體顆粒，靜電除塵器會(huì)除去煙氣中0.01—50μm的粉塵。除去混合氣中的固體雜質(zhì)只是除雜的第一步，還需要除去對(duì)催化劑有毒性的化合物，在煅燒硫鐵礦過程中產(chǎn)生的砷化物和硒化物主要是以氣態(tài)的形式存在（As2O3和SeO2），這是對(duì)催化劑毒性最大的污染物，還有少量的氟化物，主要以氟化氫（HF）的形式存在，在高溫、干燥條件下，會(huì)與含硅化合物反應(yīng)，產(chǎn)生的水合氧化硅在催化劑表面形成灰白色的硬殼，嚴(yán)重時(shí)使催化劑結(jié)塊，活性下降，甚至使床層阻力增大。
除去上述氣態(tài)污染物的方法是水洗法或酸洗法，水洗流程簡單、投資較少、操作方便，砷和氟的凈化率都高。缺點(diǎn)是有用的SO3和SO2溶于水后難以回收，使硫元素的利用率降低。最大不足是排放的有毒含塵污水多，環(huán)境污染大。(每噸硫酸約排15噸污水！)。而酸洗法中的酸可以循環(huán)使用，多余的酸液排出系統(tǒng)后也可以用作它圖。酸液的循環(huán)利用可以提高硫元素的利用率；而酸泥中的砷硒元素也可以回收，用于提煉相關(guān)金屬。酸洗法大優(yōu)點(diǎn)是排污量少，約為水洗流程的1/200~1/300。目前投產(chǎn)的工廠一般都不允許采用水洗流程。
在爐氣中少量的三氧化硫也會(huì)與水結(jié)合生成硫酸酸霧，酸霧液滴的直徑很小，很難除去，洗滌時(shí)只有小部分被酸吸收，大部分只能在后續(xù)的電除霧器中除去，同時(shí)，工業(yè)上往往還要設(shè)置冷卻塔，既降低溫度又通過增濕來增大霧滴直徑，使其在短時(shí)間內(nèi)迅速沉降。這時(shí)經(jīng)過處理的爐氣還含有部分水蒸氣，這些水蒸氣不能被帶入到催化劑中，所以還有經(jīng)過徹底的干燥處理，這就需要用到干燥塔了，干燥塔中使用的干燥劑是98%的濃硫酸，利用濃硫酸的脫水性進(jìn)行洗氣，在經(jīng)過除沫工序，干燥的二氧化硫氣體就可以進(jìn)入到轉(zhuǎn)化爐中與催化劑接觸了。由于干燥的方法是采用氣體從下至上、濃硫酸自上而下的逆流接觸，濃硫酸也可以經(jīng)氣體中的熱量帶走，與其他冷源進(jìn)行換熱。900℃左右的爐氣在經(jīng)過了旋風(fēng)分離器、靜電除塵器、酸洗除雜、干燥等一系列凈化工序以后，終于變成了較為潔凈的二氧化硫與氧氣混合氣，溫度約為450℃。
終于來到了轉(zhuǎn)化器（塔），在轉(zhuǎn)化器中，二氧化硫與氧氣在催化劑床層上相互接觸，發(fā)生催化氧化反應(yīng)，生成三氧化硫，由于這個(gè)反應(yīng)是放熱的，所以轉(zhuǎn)化器內(nèi)的溫度會(huì)逐漸升高，為了使二氧化硫的轉(zhuǎn)化率提高，從而獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，必須及時(shí)從反應(yīng)系統(tǒng)中移走熱量。因此，轉(zhuǎn)化塔會(huì)采用多段換熱的形式，其特點(diǎn)是氣體的反應(yīng)過程和降溫過程分開進(jìn)行。正如上期視頻所示，從上一床層出來的高溫氣體經(jīng)過冷卻后再進(jìn)入下一床層內(nèi)反應(yīng)，二者交替進(jìn)行。段數(shù)愈多，最終轉(zhuǎn)化率愈高，在其他條件一定的，催化劑的利用率愈高。但是段數(shù)過多，管道閥門也會(huì)增多，不僅增加系統(tǒng)的阻力，也使操作更加復(fù)雜，生產(chǎn)成本升高。
現(xiàn)在都采用濃硫酸吸收三氧化硫氣體，一般在塔設(shè)備中進(jìn)行。吸收三氧化硫也是一個(gè)放熱過程，隨著吸收過程的進(jìn)行，吸收酸的溫度隨著增高，為了使循環(huán)酸的溫度保持穩(wěn)定，也需使其通過冷卻設(shè)備，移走吸收過程中產(chǎn)生的熱量。每個(gè)吸收塔除了有自己的循環(huán)酸貯槽外，還有相應(yīng)的輸送設(shè)備。吸收過程采用氣液逆向接觸的方式，轉(zhuǎn)化氣從塔底送入，濃硫酸從塔頂噴淋。進(jìn)塔氣氣體溫度為140~160℃，噴淋硫酸的溫控制在50℃以下，出塔硫酸的溫度則用噴淋量控制，使出塔酸溫<70℃，便于儲(chǔ)存運(yùn)輸。現(xiàn)在的吸收流程一般采用二次吸收。第一次用發(fā)煙硫酸吸收，第二次用98.3%的濃硫酸，以保證吸收率。標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)煙硫酸含游離的SO320%，H2SO480%。若按100%無水硫酸折算，其濃度為104.5%。
硫酸工業(yè)排放的尾氣中主要為SO2，極少量SO3及酸霧；當(dāng)采用兩轉(zhuǎn)兩吸流程時(shí)，二氧化硫的轉(zhuǎn)化率會(huì)達(dá)到99.75%以上，廢氣可以不經(jīng)處理直接排放。所以兩轉(zhuǎn)兩吸流程現(xiàn)在被廣泛采用。制酸工業(yè)產(chǎn)生的廢水可以采用加減中和或者硫化中和的方法處理，最后達(dá)標(biāo)排放。廢渣則經(jīng)脫硫處理后被用來煉鐵或者制造水泥。
好了，講到這里，硫鐵礦生產(chǎn)硫酸的工藝流程就差不多結(jié)束了 作者：花生講化工 https://www.bilibili.com/read/cv18645531 出處：bilibili
