半導體鐳射器的瞬態特性
[拼音]：liusuan
[英文]：sulfuric acid
H2SO4三氧化硫和水的化合物，一種用途很廣的強無機酸，是硫酸工業的主產品。無水硫酸(100％ H2SO4)是無色、油狀、具有強烈腐蝕性的液體，沸騰時部分分解，最終生成含硫酸98.3％、水1.7％的恆沸混合物(圖1)。
特性
硫酸能與水或三氧化硫以任何比例混合，生成各種濃度的硫酸或發煙硫酸。在它們的冰點圖中有 7個最低共熔點(圖2)，商品硫酸和發煙硫酸的濃度大致根據各最低共熔點的組成來選擇，以減少貯存和運輸時發生凍結的可能性。因此，硫酸品種主要有濃度為75％～78％之間的稀硫酸、濃度為93％和98.3％左右的濃硫酸以及遊離三氧化硫濃度為20％和65％的發煙硫酸。根據不同用途，對產品的雜質含量均有相應的限制。
稀硫酸能與電動序中位於氫之前的金屬作用，生成相應的硫酸鹽或酸式硫酸鹽並析出氫氣。熱濃硫酸具有氧化性，能與電動序中位於氫之後的某些金屬如銅、銀髮生反應，本身被還原成二氧化硫，並生成相應的硫酸鹽。濃硫酸又具有磺化性和強烈的吸水性。硫酸能分解大多數鹽類。
生產原料
主要有硫磺、硫鐵礦和有色金屬火法冶煉廠的含二氧化硫煙氣；此外，有些國家還利用天然石膏、磷石膏、硫化氫、廢硫酸、硫酸亞鐵等作為原料。以硫磺為原料生產硫酸具有流程短、投資省、汙染少、熱能利用率高等優點。在硫酸生產原料中所佔比例較大。1983年世界硫酸工業的構成原料中，硫磺佔60.5％，硫鐵礦佔21.0％，冶煉煙氣及其他原料佔18.5％。中國的硫酸生產以硫鐵礦為主要原料，其比例一直保持在70％以上。
大部分原料需先製成含二氧化硫的原料氣，才能進一步製造硫酸。
接觸法生產工藝
接觸法的基本原理是應用固體催化劑，以空氣中的氧直接氧化二氧化硫。其生產過程通常分為二氧化硫的製備、二氧化硫的轉化和三氧化硫的吸收三部分。
二氧化硫的製備和淨化
以不同原料製得的含二氧化硫原料氣(見硫酸原料氣)，其雜質含量相差懸殊。以硫磺為原料時，因純度高，燃硫所用空氣又先經乾燥，原料氣潔淨而乾燥，通常無須淨化即可進行轉化（圖3）。
以硫化氫為原料時，原料氣純淨，但含大量水分，即以溼態進入轉化工序。
以硫鐵礦等其他原料製成的原料氣，含有礦塵、氧化砷、二氧化硒、氟化氫、氯化氫等雜質，需經過淨化，使原料氣質量符合轉化的要求(圖4)。
為此，經回收餘熱的原料氣，先通過乾式淨化裝置（旋風除塵器、靜電除塵器）除去絕大部分礦塵，然後再由溼法淨化系統進行淨化。溼法淨化工藝有水洗淨化和酸洗淨化。前者是將洗滌水一次通過淨化裝置，不作迴圈，原料氣的熱量和所含雜質均由排放汙水帶出。生產每噸硫酸約排放汙水5～20m3，此法易對環境造成嚴重危害，故使用者漸少。後者雖也以水作原始洗滌液，但洗滌液在系統中迴圈，不斷吸收原料氣中的三氧化硫而成為稀硫酸。所以此法汙酸量少，便於處理或利用，應用日益廣泛。酸洗淨化通常設定兩級洗滌系統，每級自成迴圈。第一級的功能為原料氣的淨化和絕熱增溼，常用裝置為空塔、文氏管洗滌器。第二級的主要功能為除熱、除溼和原料氣的進一步淨化，常用裝置有填充塔、鼓泡塔（見鼓泡反應器）。具有代表性的酸洗淨化流程有二：其一為立式文氏管洗滌器－間接冷凝器－靜電除霧器流程，特點是採用間接冷凝器排除熱量和水分；其二為空塔-填充塔-靜電除霧器流程，它採用稀酸直接洗滌、冷卻原料氣，再以稀酸冷卻器間接換熱，移去酸中熱量。
經過淨化的原料氣，被水蒸氣所飽和，通過噴淋93％硫酸的填料乾燥塔，將其中水分含量降至0.1g／m3以下。
二氧化硫的轉化
二氧化硫於轉化器中，在釩催化劑存在下進行催化氧化：
SO2+½O2+99.0kJ
釩催化劑是典型的液相負載型催化劑（見金屬催化劑），它以五氧化二釩為主要活性組分，鹼金屬氧化物為助催化劑，矽藻土為催化劑載體，有時還加入某些金屬或非金屬氧化物，以滿足強度和活性的特殊需要。通常製成直徑4～6mm、長5～15mm柱狀顆粒。近年來，丹麥、美國和中國相繼開發了球狀、環狀催化劑（見催化劑製造），以降低催化床阻力，減少能耗。
釩催化劑須在某一溫度以上才能有效地發揮催化作用，此溫度稱為起燃溫度，通常略高於400℃。近年來，研製成功的低溫活性型釩催化劑，其起燃溫度降低到370℃左右，因而提高了二氧化硫轉化率。轉化器進口的原料氣溫度保持在釩催化劑的起燃溫度之上，通常為 410～440℃。在用硫磺或硫化氫為原料的情況下，只需將原料氣在廢熱鍋爐中降溫至上述溫度；而在應用其他原料的情況下，由於原料氣經過溼法淨化系統後降溫至40℃左右，所以必須通過換熱器，以轉化反應後的熱氣體間接加熱至反應所需溫度，再進入轉化器。二氧化硫經氧化反應放出的熱量，使催化劑層溫度升高，二氧化硫平衡轉化率隨之降低，如溫度超過650℃，將使催化劑損壞。為此，將轉化器分成3～5層，層間進行間接或直接冷卻，使每一催化劑層保持適宜反應溫度，以同時獲得較高的轉化率和較快的反應速度。
現代硫酸生產常用的兩次轉化工藝，是使經過兩層或三層催化劑的氣體，先進入中間吸收塔，吸收掉生成的三氧化硫，餘氣再次加熱後，通過後面的催化劑層，進行第二次轉化，然後進入最終吸收塔再次吸收。由於中間吸收移除了反應生成物，提高了第二次轉化的轉化率，故其總轉化率可達99.5％以上。部分老廠仍採用傳統的一次轉化工藝，即氣體一次通過全部催化劑層，其總轉化率最高僅為98％左右。在以硫化氫為原料時，進轉化器的氣體中含有大量水蒸氣，二氧化硫在水蒸氣存在下進行轉化，故又稱之為溼接觸法。
為克服固定床轉化器（見固定床反應器）存在的缺陷，中國、蘇聯、聯邦德國進行了流化床轉化器（見流化床反應器）的研究，目前，聯邦德國已有兩個直徑分別為4m與6.4m的示範性工業裝置。
70年代以來，開發了以硫磺為原料的加壓法硫酸生產工藝，其原理是使二氧化硫在高於常壓的條件下進行轉化，以提高其轉化率。
三氧化硫的吸收
轉化工序生成的三氧化硫經冷卻後在填料吸收塔中被吸收。吸收反應雖然是三氧化硫與水的結合，即：
SO3+H2O─→H2SO4+132.5kJ
但不能用水進行吸收，否則將形成大量酸霧。工業上採用98.3％硫酸作吸收劑，因其液麵上水、三氧化硫和硫酸的總蒸氣壓最低，故吸收效率最高。出吸收塔的硫酸濃度因吸收三氧化硫而升高，須向98.3％硫酸吸收塔迴圈槽中加水並在乾燥塔與吸收塔間相互串酸，以保持各塔酸濃度恆定。成品酸由各塔迴圈系統引出。
吸收塔和乾燥塔頂設有金屬絲網除沫器或玻璃纖維除霧器，以除去氣流中夾帶的硫酸霧沫，保護裝置，防止環境汙染。兩次轉化工藝的最終吸收塔出口尾氣中的二氧化硫濃度小於500ppm，尾氣可直接排入大氣；而一次轉化工藝的吸收塔尾氣中的氧化二硫濃度高達2000～3000ppm，故須設定尾氣處理工序，以使排氣符合環境保護法規。氨水吸收法是應用最廣的尾氣處理方法（見二氧化硫）。
出乾燥塔、吸收塔的濃硫酸需經冷卻後方能迴圈使用。過去多使用鑄鐵製的淋灑式冷卻器，現在開發了多種新型冷卻器，如全氟乙丙烯塑料軟管換熱器，不鏽鋼制陽極保護管殼式換熱器，以及不鏽鋼或高階合金制的陽極保護板式換熱器。這些新型冷卻器的應用，延長了酸冷卻器的使用壽命，提高了操作的可靠性，改善了操作條件並使得利用乾燥、吸收系統的低溫位熱能成為可能。（見硫酸工業）
以硫化氫為原料時，轉化後的氣體中含有大量水蒸氣。它不經冷卻，在420～430℃下進入冷凝成酸塔，經冷酸淋洗後冷凝成硫酸，產品酸濃度通常為78％。近年來出現了溼接觸法的改進型，它們可製得濃度大於93％的硫酸，並適用於濃度較低的原料氣。
用途
硫酸的最大消費者是化肥工業，用以製造磷酸、過磷酸鈣和硫酸銨。1983年，西方世界的化肥工業在硫酸消費構成中佔65％。中國化肥工業在硫酸消費上所佔比例也一直保持在50％～60％。在石油工業中，硫酸用於汽油、潤滑油等產品的精煉，並用於烯烴的烷基化反應，以生產高辛烷值汽油。鋼鐵工業需用硫酸進行酸洗，以除去鋼鐵表面的氧化鐵皮。這一工序是軋板、冷拔鋼管以及鍍鋅等加工所必需的預處理。在有色冶金工業中，溼法冶煉過程用硫酸浸取銅礦、鈾礦和釩礦；電解法精煉銅、鋅、鎳、鎘等，需用硫酸配製電解液。以螢石和硫酸可製取氫氟酸(見螢石化學加工)，它是現代氟工業的基礎，與核工業及航天工業密切關聯。在硝化棉、梯恩梯、硝化甘油、苦味酸等炸藥的製造中，硫酸是硝化工序不可缺少的脫水劑。在化學纖維工業中，硫酸用於配製粘膠纖維的抽絲凝固浴；維綸生產需用硫酸進行縮醛化；錦綸的製造過程中，硫酸可溶解環己酮肟而進行貝克曼轉位。在塑料工業方面，環氧樹脂和聚四氟乙烯等的生產也需用數量可觀的硫酸。在染料工業中，硫酸用於製造染料中間體。硫酸與鈦鐵礦反應可製得重要的白色顏料二氧化鈦（鈦白）。硫酸還用於硫酸鹽和其他無機鹽、無機酸(硼酸、鉻酸)、有機酸（草酸、醋酸）以及醇類(乙醇、異丙醇)的生產。其他如製革、造紙、電鍍、印染、醫藥、農藥、煉焦、蓄電池、合成洗滌劑等生產也都需用硫酸。
安全貯運
硫酸是強腐蝕性介質，接觸人體會引起嚴重灼傷，作業人員應按規定穿戴防護用品。人體不慎觸及硫酸時，應立即以大量水沖洗，隨即就醫。接觸法工廠生產的各種濃度的濃硫酸、發煙硫酸以及塔式法工廠生產的76％硫酸，均以鋼製貯槽貯存，並以鋼製槽車或槽船運輸。濃度小於70％的硫酸應以鋼殼襯鉛容器貯運。少量硫酸可以陶壇包裝，並需標上明顯的“有毒品”及“腐蝕性物品”標誌。貯存和運輸應按危險品貯存、運輸規定辦理。