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接下来的问题是:应该进行怎样的技术创新,建构一个什么样的工艺流程来合成硫酸呢?要解决这一问题,首先必须弄清楚硫酸是怎样合成的。
化学上,硫酸可由三氧化硫和水反应而制得,而三氧化硫在自然界中存在很少,不足以用来合成硫酸,合成硫酸用的三氧化硫必须通过其他途径制得。科学研究表明,它可由二氧化硫与氧气反应得到。但是,该反应在通常情况下很难发生,并且产率比较低。化学家们研究发现,在一定的温度和压强下,让二氧化硫和氧气在催化剂五氧化二矾的摧化作用下发生反应,就可以加快该反应的速度,提高该反应的产率。其反应方程式为:
这样一来,要制得三氧化硫,就要制得二氧化硫。而二氧化硫又是如何制得的呢?科学研究表明,硫磺或者硫铁矿与氧气反应能够产生二氧化硫。
以上就是科学研究所得到的合成硫酸的反应原理,即:燃烧硫或金属硫化物等原料制得二氧化硫,然后使二氧化硫在适当的温度和催化剂作用下氧化生成三氧化硫,再使三氧化硫跟水化合从而生成硫酸。可以说,工业上合成硫酸就是按照以上化学反应原理进行的。
但是,必须清楚的是,工业上合成硫酸不可能与实验室中合成硫酸完全相同。主要原因在于,实验室合成硫酸是利用一定的科学仪器,在严格的人工操作下,让反应在特定的条件下进行;而工厂里合成硫酸则是在生产设备中,在工人或技术人员的操作下,进行大规模的生产。要使在实验室中发生的反应能够在生产车间里有效地进行,就必须推动技术创新,设计合适的工艺流程,制造相应的生产设备,按照一定的操作规则进行,这样才能在生产车间里制造出大量的硫酸。
以此为目标,经过艰苦的努力,人们已经设计出了成熟的合成硫酸的工艺流程来进行硫酸生产。
该工业生产过程主要分以下三个阶段:
(1)造气。
将硫磺或经过粉碎的黄铁矿分别放在专门设计的燃烧炉中,利用空气中的氧气使其燃烧,得到二氧化硫。燃烧黄铁矿是在燃烧炉中进行的。当黄铁矿矿粒燃烧的时候,从炉底通入强大的空气流,在炉内一定空间里把矿粒吹得剧烈沸腾,好像“沸腾着的液体”,因此人们把这种燃烧炉叫作沸腾炉。由于矿粒在沸腾炉中燃烧得比较完全,从而可以提高原料的利用率。
从沸腾炉中出来的气体叫做炉气,其中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及一些杂质,如砷、硒等的化合物和矿尘等。杂质和矿尘都会使催化剂中毒,部分或完全地破坏催化剂的催化能力,而且水蒸气对设备和生产也有一定影响,因此,在进行下一步氧化反应以前,必须对炉气进行净化和干燥处理。如果是用硫磺作原料制二氧化硫,由于制得的炉气中除含有二氧化硫、氧气和氮气外,杂质较少,不需要经过净化和干燥处理。
(2)接触氧化。
二氧化硫和氧气的反应是在1个大气压、400-500度的温度,并以五氧化二矾作为催化剂的条件下进行的。转化率能够达到93.5%-99.2%,可以说是相当高的。
(3)三氧化硫的吸收。
从接触室出来的气体,主要是三氧化硫、氮气以及剩余的未起反应的氧气和二氧化硫。虽然从上述反应方程式看,硫酸是由三氧化硫跟水化合制得的,但工业上并不直接用水或稀硫酸来吸收三氧化硫。因为那样容易形成酸雾,不利于三氧化硫的吸收。因此,为了尽可能提高吸收效率,工业上用质量份数为98.3%的硫酸作吸收剂。
从吸收塔上部导出的气体是氮气、没有起反应的氧气和少量的二氧化硫。如果将它们当作废气直接排入大气,既会造成原料浪费,又会导致环境污染。因此,应将上述气体再次通入接触室,再次氧化,再次吸收。这样经过两次氧化和吸收的气体,剩余的二氧化硫的含量已经很少了。最后,再将这种尾气加以净化回收处理,既可消除二氧化硫对大气的污染,又可充分利用原料。
从上面合成硫酸的案例以及相应的论述中,我们可以清楚地看到,如果没有化学上的相关研究,人们就不可能知道硫酸这种物质,也不知道通过什么途径来合成这种硫酸,更不知道合成硫酸这种物质为了什么。当然,如果没有相应的技术进步以及合适的社会环境,工业上合成硫酸也是不可能的。
如此,在现代社会,科学、技术与社会之间的关系可以概括为:
科学类似于受精卵,技术就是孕育受精卵的子宫,我们的社会则类似于母体环境。
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