硫酸裝置轉化率如何檢測

① 硫酸工業製法的歷史

硫酸工業已有 200多年的歷史。早期的硫酸生產採用硝化法，此法按主體設備的演變又有鉛室法和塔式法之分。19世紀後期，接觸法獲得工業應用，目前已成為生產硫酸的主要方法。
早期的硫酸生產 15世紀後半葉，B.瓦倫丁在其著作中,先後提到將綠礬與砂共熱,以及將硫磺與硝石混合物焚燃的兩種製取硫酸的方法。約1740年，英國人J.沃德首先使用玻璃器皿從事硫酸生產，器皿的容積達300l。在器皿中間歇地焚燃硫磺和硝石的混合物，產生的二氧化硫和氮氧化物與氧、水反應生成硫酸，此即硝化法制硫酸的先導。
硝化法的興衰 1746年，英國人J.羅巴克在伯明翰建成一座6ft（lft=0.3048m)見方的鉛室,這是世界上第一座鉛室法生產硫酸的工廠。1805年前後，首次出現在鉛室之外設置燃燒爐焚燃硫磺和硝石，使鉛室法實現了連續作業。1827年，著名的法國科學家J.－L.蓋－呂薩克建議在鉛室之後設置吸硝塔,用鉛室產品(65％H2SO4)吸收廢氣中的氮氧化物。1859年，英國人J.格洛弗又在鉛室之前增設脫硝塔，成功地從含硝硫酸中充分脫除氮氧化物,並使出塔的產品濃度達76％H2SO4。這兩項發明的結合，實現了氮氧化物的循環利用，使鉛室法工藝得以基本完善。
18世紀後半期，紡織工業取得重大的技術進步，硫酸被用於亞麻織品的漂白、棉織品的酸化和毛織品的染色。呂布蘭法的成功，又需大量地從硫酸和食鹽製取硫酸鈉。迅速增長的需求為初興的硫酸工業開拓了順利發展的道路。
早期的鉛室法工廠都以義大利西西里島的硫磺為原料,隨著硫酸需求的不斷增加,原料供應日益緊張。19世紀30年代起，英、德等國相繼改用硫鐵礦作原料。其後，利用冶煉煙氣生產硫酸也獲得成功。原料來源的擴大,適應了當時以過磷酸鈣和硫酸銨為主要產品的化肥工業的興起,從而使硫酸工業獲得更大的發展。1900年世界硫酸產量(以100％H2SO4計)已達4.2Mt。1916年,美國田納西煉銅公司建成了一套日產 230～270t(以100％H2SO4計)的鉛室法裝置。它擁有四個串聯的鉛室，每個鉛室的容積為15600m3,這是世界上容積最大的巨型鉛室。由於龐大的鉛室生產效率低、耗鉛多和投資高，19世紀後半期起，不斷有人提出各種改進的建議和發明，終於導致以填充塔代替鉛室的多種塔式法裝置的問世。
1911年，奧地利人C.奧普爾在赫魯紹建立了世界上第一套塔式法裝置。六個塔的總容積為600m3，日產14t硫酸（以100％H2SO4計）。1923年，H.彼德森在匈牙利馬扎羅瓦爾建成一套由一個脫硝塔、兩個成酸塔和四個吸硝塔組成的七塔式裝置，在酸液循環流程及塔內氣液接觸方式等方面有所創新，提高了生產效率。
在蘇聯和東歐，曾廣泛採用五塔式流程。到50年代，蘇聯又開發了更為強化的七塔式流程，即增設成酸塔和吸硝塔各一座，其生產強度比之老式的塔式法裝置有了成倍的提高，而且可以用普通鋼材代替昂貴的鉛材製造生產設備。
鉛室法產品的濃度為 65％H2SO4，塔式法則為76％H2SO4。在以硫鐵礦和冶煉煙氣為原料時,產品中還含有多種雜質。40年代起，染料、化纖、有機合成和石油化工等行業對濃硫酸和發煙硫酸的需要量迅速增加，許多工業部門對濃硫酸產品的純度也提出了更高的要求，因而使接觸法逐漸在硫酸工業中居於主導地位。
後來居上的接觸法 1831年，英國的P.菲利普斯首先發明以二氧化硫和空氣混合，並通過裝有鉑粉或鉑絲的熾熱瓷管製取三氧化硫的方法。1870年，茜素合成法的成功導致染料工業的興起，對發煙硫酸的需要量激增，為接觸法的發展提供了動力。1875年，德國人E.雅各布在克羅伊茨納赫建成第一座生產發煙硫酸的接觸法裝置。他曾以鉛室法產品進行熱分解取得二氧化硫、氧和水蒸氣的混合物，冷凝除水後的余氣通過催化劑層，製成含43％SO3的發煙硫酸。
1881發起，德國巴登苯胺純鹼公司的R.克尼奇對接觸法進行了歷時10年的研究，在各種工藝條件下系統地測試了鉑及其他催化劑的性能，並在工業裝置上全面解決了以硫鐵礦為原料進行生產的技術關鍵。當時的接觸法裝置都使用在較低溫度下呈現優良活性的鉑催化劑。但其價格昂貴、容易中毒而喪失活性（見催化劑中毒、催化活性）。為此，早期的接觸法裝置，無論從硫化礦或硫磺為原料，都必須對進入轉化工序的氣體預先進行充分的凈化，以除去各種有害雜質。1906年，美國人F.G.科特雷耳發明高壓靜電捕集礦塵和酸霧的技術在接觸法工廠獲得成功，成為凈化技術上的重要突破。
第一次世界大戰的爆發，使歐美國家競相興建接觸法裝置，產品用於炸葯的製造。這對接觸法的發展頗具影響。1913年，巴登苯胺純鹼公司發明了添加鹼金屬鹽的釩催化劑，活性較好，不易中毒，且價格較低，在工業應 用中顯示了優異的成效。從此，性能不斷有所改進的釩催化劑相繼涌現，並迅速獲得廣泛應用，終於完全取代了鉑及其他催化劑。
近30年的發展 第二次世界大戰以後，硫酸工業取得了較大的發展，世界硫酸產量不斷增長。

現代的硫酸生產技術也有顯著的進步。50年代初，聯邦德國和美國同時開發成功硫鐵礦沸騰焙燒技術。聯邦德國的法本拜耳公司於1964年率先實現兩次轉化工藝的應用，又於1971年建成第一座直徑4m的沸騰轉化器。1972年,法國的於吉納-庫爾曼公司建造的第一座以硫磺為原料的加壓法裝置投產,操作壓力為500kPa,日產550t(100％H2SO4)。1974年,瑞士的汽巴－嘉基公司為處理含0.5％～3.0％SO2的低濃度煙氣,開發一種改良的塔式法工藝,並於1979年在聯邦德國建成一套每小時處理10km3焙燒硫化鉬礦煙氣(0.8％～1.5％SO2)的工業裝置。
中國硫酸工業的發展 1874年，天津機械局淋硝廠建成中國最早的鉛室法裝置，1876年投產，日產硫酸約2t，用於製造無煙火葯。1934年，中國第一座接觸法裝置在河南鞏縣兵工廠分廠投產。
1949年以前，中國硫酸最高年產量為 180kt(1942)。1983年硫酸產量達8.7Mt（不包括台灣省）,僅次於美國、蘇聯，居世界第三位。1951年，研製成功並大量生產釩催化劑，此後還陸續開發了幾種新品種。1956年，成功地開發了硫鐵礦沸騰焙燒技術，並將文氏管洗滌器用於凈化作業。1966年,建成了兩次轉化的工業裝置,成為較早應用這項新技術的國家。在熱能利用、環境保護、自動控制和裝備技術等方面，也取得了豐碩成果

② 若用下列裝置設計一個實驗，以測定SO2轉化為SO3的轉化率（1）這些裝置的連接順序（按氣體左右的方向）是

（1）因從溶液中反應生成氣體中混有水蒸氣，所以產生的氣體首先經過乾燥裝置Ⅴ，然後版再進行二氧化硫氣體權的催化氧化即經過裝置Ⅱ，然後是收集S0₃，S0₃的熔點是16.8℃，沸點是44.8℃，所以選擇裝置Ⅳ進行冷卻，使三氧化硫與二氧化硫分離，最後在Ⅲ中吸收未反應的SO₂，故答案為：h；i；b；c；f；g；d；
（2）為保證產生的二氧化硫盡可能多的轉化為三氧化硫，應先先加熱V₂O₅，後緩緩滴入濃硫酸，故答案為：先加熱V₂O₅，後緩緩滴入濃硫酸；
（3）裝置IV處是用來冷卻三氧化硫氣體，使之變成液態或固態，從而收集得到三氧化硫，所以可以在Ⅳ處看到有無色（或白色）晶體（或固體）生成，故答案為：有無色（或白色）晶體（或固體）生成；
（4）nmolNa₂SO₃粉末與足量濃硫酸反應生成nmol二氧化硫，當反應結束時，Ⅲ處增重的部分為未反應的二氧化硫，則轉化了的二氧化硫的質量為：64n-m，所以實驗中SO₂的轉化率為

64n?m

64n

×100%，故答案為：

64n?m

64n

×100%．

③ 某實驗興趣小組擬選用如圖裝置測定SO2轉化為SO3的轉化率．各裝置可重復使用．（1）制備SO2時選用的是甲裝

（1）據裝置特點對比得出甲裝置的優點：甲裝置可以將二氧化硫和氧氣充分混合並且採用彎導管可以便於濃硫酸順利滴下，亞硫酸鈉可以和濃硫酸反應生成二氧化硫，即Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（濃）═Na₂SO₄+SO₂↑+H₂O，
故答案為：甲裝置可以將二氧化硫和氧氣充分混合（採用彎導管可以便於濃硫酸順利滴下）；Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（濃）═Na₂SO₄+SO₂↑+H₂O；
（2）可以用濃硫酸來乾燥二氧化硫氣體；如姿SO₃的熔點是16.8℃，較低，可以用生石灰來獲得三氧化硫，可以用鹼石灰或者氫氧化鈉溶液進行尾氣處理，二氧化硫在轉化為三氧化硫之前要進行乾燥，故答案為：f、e→a、b（或b、a）→f、e→c、d；
（3）根據實驗目的結合試驗裝置，首先要進行裝置氣密性的檢查，然後裝葯品，並加入催化劑，最用加入濃硫酸，反應開始發生，根據二氧化硫轉化為三氧化硫的反應：2SO₂+O?2SO₃，△H＜0，可知道，溫度過高不利於二氧化硫的轉化，且催化劑的活性受到溫度的限制，
故答案為：檢查裝置的氣密性；加熱催化劑；溫度過高不利於二氧化硫的生成且影響催化劑的催化活性；
（4）二氧化硫的轉化率=

二渣渣絕氧化硫的變化量

二氧梁襪化硫的初始總量

×100%，m₁為濃硫酸吸收SO₃的質量增重，當生成m₁的三氧化硫時，消耗的二氧化硫的質量是0.8m₁，m₂為生石灰吸收SO₂的質量增重，即剩餘的二氧化硫的質量，所以二氧化硫的轉化率=

0.8m1

0.8m1+m2

×100%，
故答案為：

0.8m1

0.8m1+m2

×100%．

④ 實驗是探究工業制硫酸接觸室中的反應，圖與問題如下

實驗結束後裝置D增加的質量為ag，即說明生成的SO3的質量為ag，通過列反應方程式計算可以得出參與反應的二氧化硫的質量，
2SO2 +O2 ===2SO3
128 160
128a/160 ag
參與反應的二氧化硫的質量為128a/160g，裝置E增加的質量為bg，說明還有bg二氧化硫剩餘沒有參與反應，所以so2的轉化率=(128a/160 ) /(b+128a/160 )

⑤ 為探究工業制硫酸接觸室中的反應，並測定此條件下二氧化硫的轉化率，甲同學設計了如圖裝置（圖中部分夾持

（1）裝置圖分析可知制備氣體，驗證氣體性質，開始需要驗證裝置氣密性；為把生成的二氧化硫、三氧化硫全部趕出吸收，停止通入SO₂，熄滅酒精燈後，應繼續通入空氣一會，
故答案為：檢查裝置的氣密性；繼續通入空氣一段時間；
（2）0.5mol SO₂被O₂氧化成氣態SO₃，放出49.15kJ熱量，則2molSO₂被氧氣氧化為熟練放熱196.6KJ，熱化學方程式為：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6 kJ/mol，
故答案為：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6kJ/mol；
（3）裝置D中是利用三氧化硫在冷卻條件下冷凝為液體三氧化硫，增重ag為SO₃的質量，裝置E增重是剩餘的二氧化硫氣體被吸收的質量，結合硫元素守恆計算二氧化硫的轉化率=

ag 80g/mol

ag 80g/mol + bg 64g/mol

×100%=

4a

4a+5b

×100%，
故答案為：

4a

4a+5b

×100%；
（4）依據假設1、2可知假設3為硫酸鈉和亞硫酸鈉都有；依據亞硫酸根離子和硫酸根離子性質設計實驗驗證，亞硫酸根離子利用和酸反應生成使品紅褪色的二氧化硫氣體，硫酸根離子和鋇離子反應生成硫酸鋇沉澱，設計的實驗過程為：取少量E中溶液於試管，先加入過量的稀鹽酸，產生的氣體使品紅溶液褪色（或變淺），證明含有亞硫酸鈉；然後加入BaCl₂溶液，產生白色沉澱，證明含有硫酸鈉，
故答案為：既有亞硫酸鈉，也有硫酸鈉；取少量E中溶液於試管，先加入過量的稀鹽酸，產生的氣體使品紅溶液褪色（或變淺），然後加入BaCl₂溶液，產生白色沉澱．