硫酸工业制备方法的历史

硫酸工业已有200多年的历史。早期硫酸生产采用硝化法,根据主要设备的演变分为铅室法和塔式法。19世纪后期,接触法在工业上得到应用,现已成为生产硫酸的主要方法。

早期硫酸生产15世纪下半叶,瓦伦丁(B. Valentine)在其著作中先后提到了两种生产硫酸的方法,即用沙子加热绿矾和燃烧硫磺与硝石的混合物。大约1740年,英国人J. Ward首先用玻璃器皿生产硫酸,玻璃器皿的体积达到300l L,硫磺和硝石的混合物在容器中间歇燃烧,生成的二氧化硫和氮氧化物与氧气和水反应生成硫酸,硫酸是硝化法生产硫酸的前驱物。

硝化作用的兴衰1746年,一个英国人j·罗巴克在伯明翰建造了一个6英尺(lft = 0.3048m米)见方的铅室,这是世界上第一个用铅室法生产硫酸的工厂。1805左右,首次在铅室外部设置燃烧炉燃烧硫磺和硝石,使铅室法实现了连续作业。1827年,法国著名科学家J.-L. Guy-Lussac建议在铅室后面设置硝酸盐吸收塔,用铅室产物(65% H2SO4)吸收废气中的氮氧化物。1859年,英国人J. Glover在铅室前增加了一个脱硝塔,成功地脱除了含硝酸盐的硫酸中的氮氧化物,该塔的产品浓度达到76% H2SO4。这两项发明的结合,实现了氮氧化物的循环利用,从根本上改善了铅室工艺。

18世纪下半叶,纺织工业取得了巨大的技术进步,硫酸被用于亚麻织物的漂白、棉织物的酸化和羊毛织物的染色。nicolas leblanc方法的成功需要从硫酸和盐中制备大量的硫酸钠。快速增长的需求为新生的硫酸行业开辟了一条顺畅的发展道路。

早期的铅室加工厂都使用来自意大利西西里岛的硫磺作为原料。随着硫酸需求的增加,原料供应变得越来越紧张。从20世纪30年代开始,英国、德国等国相继改用硫铁矿作为原料。随后,冶炼烟气制硫酸也获得成功。原料来源的扩大适应了当时以过磷酸钙和硫酸铵为主要产品的化肥工业的兴起,从而使硫酸工业获得了更大的发展。1900年世界硫酸产量(以100% H2SO4计)已达4.2 mt,1916年美国田纳西铜冶炼公司建成一套铅室工艺设备,日产量230 ~ 270 t(以100% H2SO4计)。它有四个串联的铅室,每个铅室的体积为15600m3,是世界上最大的巨型铅室。由于巨大的铅室生产效率低、铅耗高、投资大,从19世纪下半叶开始,提出了各种建议和发明,最终导致了用填料塔代替铅室的各种塔式装置的出现。

1911年,奥地利人C. Hautpoul在赫茹绍建立了世界上第一个塔法装置。六塔总容积为600m3,硫酸日产量为14t(以100% H2SO4计算)。在1923期间,H. Peterson在匈牙利的Mazarovar建造了一个七塔装置,由一个脱硝塔、两个产酸塔和四个硝酸盐吸收塔组成。对酸循环流程和塔内气液接触方式进行了创新,提高了生产效率。

在苏联和东欧,五塔工艺被广泛使用。到了50年代,苏联开发出了更加强化的七塔工艺,即增加了一个酸塔和一个硝酸盐吸收塔,生产强度比旧塔法提高了一倍,可以用普通钢材代替昂贵的铅材料制造生产设备。

铅室产品浓度为65% H2SO4,塔规为76% H2SO4。以硫铁矿和冶炼烟气为原料时,产品中也含有许多杂质。自20世纪40年代以来,染料、化纤、有机合成和石油化工等行业对浓硫酸和发烟硫酸的需求迅速增加,许多工业部门也对浓硫酸产品的纯度提出了更高的要求,从而使接触法在硫酸工业中逐渐占主导地位。

在接触法1831中,英国的P·菲利普斯首先发明了将二氧化硫与空气混合,通过装有铂粉或铂丝的热瓷管取三氧化硫的方法。从65438年到0870年,茜素合成的成功带动了染料工业的兴起,发烟硫酸的需求激增,为接触法的发展提供了动力。1875年,德国人E. Jacobs在克鲁茨纳建造了第一台生产发烟硫酸的接触装置。他曾将铅室产物热分解得到二氧化硫、氧气和水蒸气的混合物,冷凝脱水后的残余气体通过催化剂层,制成含43% SO3的发烟硫酸。

德国巴登苯胺苏打公司的R. Knic在1881的发起下,研究了10年的接触法,系统测试了铂等催化剂在各种工艺条件下的性能,全面解决了工业装置中以硫铁矿为原料生产的技术关键。当时所有的接触装置都使用低温下活性极佳的铂催化剂。但价格昂贵,易中毒而失去活性(见催化剂中毒和催化活性)。正因如此,早期接触装置无论是以硫化矿还是硫磺为原料,都必须事先对进入转化工序的气体进行充分净化,以除去各种有害杂质。1906年,美国F.G. Cauteret发明了矿山粉尘和酸雾的高压静电捕集技术,在接触法工厂获得成功,成为净化技术的重要突破。

一战的爆发使得欧美国家竞相制造接触装置,产品被用于制造炸药。这对接触法的发展影响很大。1913年巴登苯胺苏打公司发明了一种含碱金属盐的钒催化剂,活性好,不易中毒,价格低廉,在工业应用中表现出优异的效果。此后,性能得到改善的钒催化剂层出不穷,并迅速得到广泛应用,最终完全取代铂等催化剂。

第二次世界大战后近30年的发展,硫酸工业取得了巨大进步,世界硫酸产量不断增加。

现代硫酸生产技术也取得了显著进步。20世纪50年代初,联邦德国和美国同时开发了黄铁矿流态化焙烧技术。联邦德国法本拜耳公司于1964年率先实现了两段转化工艺的应用,并于1971年建成了第一座直径为4m的沸腾炉。1972年,第一台以硫磺为原料的加压装置由法国尤金纳-库尔曼公司投产,运行压力500kPa,日产量550 t (100% H2SO4)。1974年瑞士Ciba-Cargill公司开发了改进的塔式工艺处理含0.5% ~ 3.0% SO2的低浓度烟气,1979年在联邦德国建成了一套焙烧硫化钼矿(0.8% ~ 1.5%)的烟气。

我国硫酸工业的发展1874年,我国最早的铅室工艺装置建于天津机械局硝酸浸出厂,1876年投产,日产硫酸约2t,用于制造无烟火药。1934年,中国第一台接触网装置在珙县兵工厂分公司投入运行。

1949之前,我国硫酸最高年产量为180kt(1942)。1983年硫酸产量达8.7Mt(不含台湾省省),仅次于美国和苏联,居世界第三位。1951年,钒催化剂研制成功并大量生产,陆续开发出几个新品种。1956硫铁矿沸腾焙烧技术开发成功,净化操作采用文丘里洗涤器。1966年建成了两次改造的工业装置,成为第一个应用这种新技术的国家。在热能利用、环境保护、自动控制、装备技术等方面也取得了丰硕的成果。