Question

某設計院承擔某硫酸廠的設計任務，該廠要求：①為了控制污染和提高生產效率，不再使用黃鐵礦，改用固體硫為原料。②改二次送風（鼓入空氣）為一次送風，即送風后使硫充分燃燒，并在下一步催化氧化時不再補充空氣。③每天生產50t98%的硫酸。④送風機每天輸送空氣的體積為5000m³/臺（標準狀況）。

（1）每天消耗含95%的固體硫多少噸？

（2）理論上應安裝多少臺送風機？

（3）固體硫充分燃燒后的混合氣體中氧氣的體積分數(shù)ф（O₂）的下限為多少？

（4）實際安裝送風機的臺數(shù)應略多于理論數(shù)（不考慮損壞），為什么？能否過分增加送風機的臺數(shù)，為什么？（轉化過程不考慮損耗；固體硫中雜質與空氣不反應；空氣中氧氣的體積分數(shù)為21%）。

Answer 1

（1）設需固體硫的質量為x。由關系式法：

           S——————H₂SO₄

32                                                 98

x×95%         50t×98%     得 x=16.8t

（2）由反應原理：S+O₂=SO₂,  SO₂+1/2O₂≒   SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，可得總反應式：S+3/2O₂+H₂O=H₂SO₄,n(O₂)=n(H₂SO₄) ×3/2=50×10⁶g×98%÷98g·mol^-1×3/2=7.5×10⁵mol。故理論上需安裝送風機的臺數(shù)為：

（7.5×10⁵mol×22.4L·mol^-1）×10^-3m³·L^-1÷（5000m³/臺×21%）=16臺。

（3）硫充分燃燒后，混合氣體中氧氣的體積至少要保證反應SO₂+1/2O₂≒   SO₃所需的氧氣。設S燃燒生成的二氧化硫為1體積，則需消耗氧氣1體積；催化氧化為三氧化硫需氧氣0.5體積；空氣帶入的氮氣為1.5體積×79/21=5.64體積，故混合氣體中ф（O₂）=(0.5/0.5+1+5.64) ×100%=7%(下限)

   （4）實際安裝送風機臺數(shù)略多于理論數(shù)的原因是：增大空氣（氧氣）的量，有利于平衡2SO₂+O₂ ≒  2 SO₃向右移動，從而提高二氧化硫的轉化率。但過分增加空氣的量，會帶走熱交換器的熱量，降低反應的速率，不利于工業(yè)生產。

解析:

（1）設需固體硫的質量為x。由關系式法：

           S——————H₂SO₄

33                                                 98

x×95%         50t×98%     得 x=16.8t

（2）由反應原理：S+O₂=SO₂,  SO₂+1/2O₂≒   SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，可得總反應式：S+3/2O₂+H₂O=H₂SO₄,n(O₂)=n(H₂SO₄) ×3/2=50×10⁶g×98%÷98g·mol^-1×3/2=7.5×10⁵mol。故理論上需安裝送風機的臺數(shù)為：

（7.5×10⁵mol×22.4L·mol^-1）×10^-3m³·L^-1÷（5000m³/臺×21%）=16臺。

（3）硫充分燃燒后，混合氣體中氧氣的體積至少要保證反應SO₂+1/2O₂≒   SO₃所需的氧氣。設S燃燒生成的二氧化硫為1體積，則需消耗氧氣1體積；催化氧化為三氧化硫需氧氣0.5體積；空氣帶入的氮氣為1.5體積×79/21=5.64體積，故混合氣體中ф（O₂）=(0.5/0.5+1+5.64) ×100%=7%(下限)

   （4）實際安裝送風機臺數(shù)略多于理論數(shù)的原因是：增大空氣（氧氣）的量，有利于平衡2SO₂+O₂ ≒  2 SO₃向右移動，從而提高二氧化硫的轉化率。但過分增加空氣的量，會帶走熱交換器的熱量，降低反應的速率，不利于工業(yè)生產。

      本題涉及到化工生產的反應原理、條件控制及計算，具有一定的開放性和研究性，代表了新教材的新理念。