如何制备硫酸

教案：硫酸的制备和性质

（温州中学化学组：谢昭全）

【学习目标】1.了解工业上生产硫酸的基本原理

2.掌握稀硫酸的性质

3.理解浓硫酸的三大特性

3.了解硫酸的用途

【设计意图】

通过实验探究理解浓硫酸的特性

【重点和难点】

浓硫酸的特性

【教学过程】

一、硫酸的工业制法

硫酸的工业制法在中国已经有上千年历史，中国历史上制取硫酸有胆矾法和绿矾法，故硫酸俗名绿矾油。现代制取硫酸则一般采用接触法。

接触法制硫酸的主要原料：含硫物质（硫磺矿或硫铁矿，我国由于硫磺矿资源较少，故用硫铁矿为原料制硫酸）、空气、水。无论是用硫铁矿还是硫磺为原料，都有三个主要步骤、三个主要设别和三个反应原理

1.三个步骤：

造气、氧化、吸收

2.三个设备

沸腾炉（若以硫磺为原料则为焚硫炉）、接触室（接触法这个名称由此而来）、吸收塔

3.三个反应

FeS2+11O28SO2+2Fe2O3、 2SO2 +O2 2SO3 、SO3 +H2O═H2SO4

几点说明：

 沸腾炉名称的由来

 接触室名称的由来

 吸收剂为浓硫酸而不是纯水或稀硫酸

 由于第二步反应为可逆反应，故尾气中含二氧化硫，必须进行尾气处理

二、硫酸的物理性质

1.（纯）浓硫酸：无色、粘稠、油状液体

2.沸点338℃，属高沸点、难挥发酸（可用来制取低沸点、易挥发酸）

3.常用浓硫酸的几个数据：质量分数（可见其溶解性如何？）、密度、物质的量浓度

4.水溶性：跟水任意比互溶，溶解时放出大量热

【思考】如何稀释浓硫酸？浓硫酸粘到皮肤上应如何处理？

三、稀硫酸的性质——酸的通性

1.与指示剂作用

2.与活泼金属作用（强调不与Cu作用）

3.与碱

4.与碱性氧化物

5.与盐

【讨论】浓、稀硫酸中所含有的粒子是否相同？

不同，稀硫酸中主要含氢离子和硫酸根离子及水的粒子，不含硫酸分子；浓硫酸中由于水太少，不足以让硫酸分子发生电离，故主要含硫酸分子。（由此引出浓硫酸肯定有不催化剂

硫酸的性能、应用及其制备

（1）物性

硫酸分子式H2SO4；英文名Sulfuric Acid；相对分子质量98.208。

为无色透明粘稠状液体，能与水和醇相混溶，同时放出大量热。具有极强的吸水性和氧化性，能使棉布、纸张、木材等脱水碳化。密度（25℃）为1.84g／ml。

（2）应用

超净高纯级硫酸为强酸性清洗、腐蚀剂，在集成电路制作过程中应用最多，主要用于超大规模集成电路工艺技术的生产。

超净高纯级硫酸可与过氧化氢配制使用，残留在基片及相关设备上的有机污染物会对正常生产产生不良的影响，硫酸结合过氧化氢或臭氧可用于在沉积金属前去除基片表面上的有机污染物。

（3）生产工艺路线

A．精馏法

精馏是利用回流使液体混合物得到高纯度分离的蒸馏方法。工业硫酸一般是微黄色黏稠液体，内含大量金属杂质离子和二氧化硫、亚硫酸根、有机物等。工业硫酸在精馏提纯前需进行化学预处理，即在预处理槽中加入适量强氧化剂（高锰酸钾、重铬酸钾等），使硫酸中的还原性杂质氧化成硫酸和二氧化碳，再将处理后的硫酸加入石英精馏塔内进行精馏。由于金属杂质离子主要以硫酸盐的形式存在，硫酸盐的沸点很高，在精馏的过程中会和蒸馏残液一起留在釜底，可以很容易被除去。待精馏速度稳定后，收集成品在储罐内，再用微孔滤膜过滤，除去微细固体颗粒杂质，最后在超净工作台内分装成品。

硫酸制备工艺路线示意图见图2-1。

图2-1 硫酸制备工艺路线示意图

目前，中国电子级硫酸的生产一般采用精馏法，常压精馏的温度高达330 ℃，对设备材质要求较高；减压精馏的温度为175～190 ℃，压力为1.33～2.67 kPa。精馏法能耗大，成本高，有些杂质难以除去，产生的废气、酸雾对人体有害，不利于环境保护，只适合于小规模生产。

B．气体吸收法

气体吸收法是将提纯后的三氧化硫直接用超纯水或者超纯硫酸吸收，三氧化硫的提纯是产品达标的关键。首先，向发烟硫酸（硫酸的质量分数为24%～70%）中添加适量的过氧化氢溶液，使其中的二氧化硫（含量应低于10 mg/kg）氧化为三氧化硫，随后将发烟硫酸加入到降膜蒸发器中，在90～130 ℃蒸发，蒸发出来的三氧化硫气体经过除雾器，除去其中夹带的微量硫酸、亚硝酰基硫酸，通入高度纯化的惰性气体，混合后进入吸收塔用电子级超纯水或超纯硫酸直接吸收，冷却后即得到超纯硫酸产品。如果最终产品达不到所要求的颗粒含量标准， 可在进入吸收塔前进行1～3 阶段过滤（滤膜孔径为0.1～1 μm）。成品的超纯硫酸由特殊设计的管道送入氟聚合物衬里的储槽中，吸收过程产生的热量由特制管束式换热器收集。

1 硫化氢制备硫酸的方法

硫化氢制备硫酸的方法包括如下：

（1）将含H2S原料气与富氧空气中的氧气进行氧化还原反应制备SO2，控制该步骤后的氧气残余量摩尔百分比≥2％，其中，当H2S摩尔百分比为≥8％时，反应为燃烧反应，反应温度≥900℃；当H2S摩尔百分比为＜8％时，反应为催化反应，反应起燃温度≥200℃；

（2）将所得产物冷却至390℃～430℃，然后与氧气进行催化氧化反应，该反应分级进行至其中SO2转化率≥98.7％或者SO2出口浓度≤550毫克/立方米；

（3）将所得产物冷却至温度为≥H2SO4露点温度以上10℃，然后再冷却至60℃～120℃，并收集H2SO4产品，冷却后的气体经过聚结分离，即可直接排空。该方法H2S脱除效率高，工艺流程简单，且能实现装置经济效益和能量合理利用

硫酸生产工艺流程简述

本项目采用以硫铁矿为原料的接触法硫酸生产工艺。它的主要工序包括硫铁矿的焙烧、炉气的净化、气体的干燥、二氧化硫的转化和三氧化硫的吸收。基本工艺流程图如下：

硫铁矿空气矿渣放空成品硫酸12201919203456789101118171615141213

1-沸腾焙烧炉；2-空气鼓风机；3-废热锅炉；4-旋风除尘器；5-文氏管；6-泡沫塔；7-电除雾器；8-干燥塔；9-循环槽及酸泵；10-酸冷却器；11-二氧化硫鼓风机；12，13，15，16-气体换热器；14-转化器；17-中间吸收塔；18-最终吸收塔；19-循环槽及酸泵；20-酸冷却器

经过破碎和筛分的硫铁矿或经过干燥的硫铁矿，送入沸腾焙烧炉l下部的沸腾床内，与经空气鼓风机2从炉底送人的空气进行焙烧反应。生成的二氧化硫炉气从沸腾炉顶部排出，进入废热锅炉3。矿渣则从沸腾床经炉下部的排渣口排除。 炉气在废热锅炉内冷却到约3500C，用以生产3.82Mpa、450摄氏度的过热蒸汽。主要的蒸汽蒸发管束设在废热锅炉内。装设在焙烧炉沸腾床内的冷却管也作为废热锅炉热力系统的一部分，与锅炉的汽包连接，用以回收部分焙烧反应热。

从废热锅炉出来的炉气，还含有相当数量的矿尘，经旋风除尘器4初步除尘后，进入净化系统。废热锅炉、旋风除尘器除下的矿尘，与沸腾焙烧炉排出的矿渣一起送往堆渣场，等待进一步处理或出售。净化系统包括文氏管5、泡沫塔6和电除雾器7。文氏管对炉气进行除尘和降温，炉气经文氏管后，其中绝大部分矿尘被除去。泡沫塔对炉气进一步除尘、降温。在文氏管和泡沫塔中，炉气中所含的微量三氧化硫，从硫酸蒸汽形态转变成酸雾；砷、硒和其他一些金属的氧化物则成为固态粒子，从气相中分离出来；它们一部分与炉气中残存的微量矿尘一起被洗涤除去，另一部分随气体进入电除雾器，在高压静电作用下被清除干净。

通常，控制出净化系统的炉气温度在400C以下，以保证干燥-吸收系统的水平衡。