很好奇製造硫酸的工廠裡面是哪些設備?怎麼製造的硫酸那些腐蝕性化學物品?


針對以下兩個問題簡單回答:

1. 工廠是如何生產硫酸的?所用的設備是哪些?

2. 生產腐蝕性化學品時,設備是如何防止被腐蝕的?

1. 硫酸的生產

首先說明,化學品的生產和其他工業品的生產有很大不同。化學品並不是使用機床和精密設備生產出來的,而是使用各種管路和反應器生產出來的。其過程有點類似全自動的炒菜熬粥。

硫酸是一個典型的無機大宗化學品。其生產以包含特定元素的廉價物質為原料,經過簡單的化學反應得到產品。由於生產規模很大,在工程上有很高的要求。

反應式如下

	ext{S}+	ext{O}_2=	ext{SO}_2

	ext{SO}_2+frac1 2 	ext{O}_2=	ext{SO}_3

	ext{SO}_3+	ext{H}_2	ext{O}=	ext{H}_2	ext{SO}_4

對於硫酸的生產,原料為含硫物質,包括硫單質、硫化氫、含硫的金屬礦物等。這些物質經過氧化得到二氧化硫,與空氣混合後在催化劑的作用下進一步氧化生成三氧化硫。三氧化硫經過濃硫酸吸收得到產品。這裡最後一步吸收非常有意思,本來按照反應式(水和三氧化硫生成硫酸)可以使用水來吸收,但是由於水的蒸汽壓太高,用水吸收會產生大量氣相物質使吸收效率下降,因此用稀釋過的濃硫酸來吸收。濃硫酸中的少量水與三氧化硫反應將其吸收,吸收後液體中的水含量降低,得到更高濃度的硫酸。產生的硫酸分成兩部分,一部分直接作為原料輸出,另一部分再經過稀釋,濃度降低後重新開始下一輪吸收。由此實現了高效、連續的生產。

這個生產過程中重要的反應設備包括:反應器(氧化反應器、催化氧化反應器、吸收塔)和許多管路、換熱器、水泵、儲罐、閥門等。管路、儲罐等設備從名字上就可以想像。換熱器通常是經過特殊設計的管路系統。氧化反應器是將硫單質氧化的爐子,作為一個例子,可以參考沸騰焙燒爐_互動百科。催化氧化反應器通常為固定床反應器,在篩板上裝有固體催化劑物質,上一步得到的氣體從上方流經催化劑並發生反應,從下方排出,可以參考固定床反應器_百度百科。吸收塔是一個中空的裝置,讓氣體和液體從兩個方向進入並接觸,有多種不同的設計,可以參考吸收塔_百度百科。由於生產規模很大,這些設備的尺寸有些能達到數米。

2. 設備的防腐

應該說,任何化工生產所用的設備都存在防腐的問題。一般不會完全防止設備的腐蝕,但是會估計腐蝕的影響,在不影響生產和安全的前提下允許腐蝕的發生。要降低腐蝕的速度,可以選擇以下方法:改變操作條件減小腐蝕的反應速率;增加材料的厚度,讓表面腐蝕不影響其功能;選擇對腐蝕有更強耐受力的材料。由於這些方法各有優缺點,所以通常綜合使用。對硫酸而言,一般認為鐵對濃硫酸由於鈍化作用,會有一定的耐受力,但對發煙硫酸耐受力較弱。在可能的情況下降低溫度可以減小腐蝕的程度。在不同的位置使用不同的材料,如運送硫酸的管道可以選擇廉價易得的灰口鑄鐵,抗腐蝕性能一般,通常可以使用7~15年;冷卻裝置由於溫度較高,需要更多的措施來防止腐蝕,比如採用保護陽極。此外還有許多其他的合金材料和非金屬材料擁有更高的防腐蝕性能,但通常會增加成本。工廠在設計時需要綜合考慮產量、成本等因素,決定設備所用的材料及型號。

從上面的簡單討論就能看出,雖然硫酸的生產簡單、成熟,但在設計上還是有很多很多值得探討的地方的。如果要新建一個化工廠,從生產流程、每一個過程的細節,到具體使用的設備、布局等等都要考慮,是一個極為複雜和龐大的系統。不要看化工廠外表粗俗,其中是包含著很多的智慧的。

部分內容參考Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd Edition, Volume 22。


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