硫酸装置转化率如何检测

① 硫酸工业制法的历史

硫酸工业已有 200多年的历史。早期的硫酸生产采用硝化法，此法按主体设备的演变又有铅室法和塔式法之分。19世纪后期，接触法获得工业应用，目前已成为生产硫酸的主要方法。
早期的硫酸生产 15世纪后半叶，B.瓦伦丁在其著作中,先后提到将绿矾与砂共热,以及将硫磺与硝石混合物焚燃的两种制取硫酸的方法。约1740年，英国人J.沃德首先使用玻璃器皿从事硫酸生产，器皿的容积达300l。在器皿中间歇地焚燃硫磺和硝石的混合物，产生的二氧化硫和氮氧化物与氧、水反应生成硫酸，此即硝化法制硫酸的先导。
硝化法的兴衰 1746年，英国人J.罗巴克在伯明翰建成一座6ft（lft=0.3048m)见方的铅室,这是世界上第一座铅室法生产硫酸的工厂。1805年前后，首次出现在铅室之外设置燃烧炉焚燃硫磺和硝石，使铅室法实现了连续作业。1827年，著名的法国科学家J.－L.盖－吕萨克建议在铅室之后设置吸硝塔,用铅室产品(65％H2SO4)吸收废气中的氮氧化物。1859年，英国人J.格洛弗又在铅室之前增设脱硝塔，成功地从含硝硫酸中充分脱除氮氧化物,并使出塔的产品浓度达76％H2SO4。这两项发明的结合，实现了氮氧化物的循环利用，使铅室法工艺得以基本完善。
18世纪后半期，纺织工业取得重大的技术进步，硫酸被用于亚麻织品的漂白、棉织品的酸化和毛织品的染色。吕布兰法的成功，又需大量地从硫酸和食盐制取硫酸钠。迅速增长的需求为初兴的硫酸工业开拓了顺利发展的道路。
早期的铅室法工厂都以意大利西西里岛的硫磺为原料,随着硫酸需求的不断增加,原料供应日益紧张。19世纪30年代起，英、德等国相继改用硫铁矿作原料。其后，利用冶炼烟气生产硫酸也获得成功。原料来源的扩大,适应了当时以过磷酸钙和硫酸铵为主要产品的化肥工业的兴起,从而使硫酸工业获得更大的发展。1900年世界硫酸产量(以100％H2SO4计)已达4.2Mt。1916年,美国田纳西炼铜公司建成了一套日产 230～270t(以100％H2SO4计)的铅室法装置。它拥有四个串联的铅室，每个铅室的容积为15600m3,这是世界上容积最大的巨型铅室。由于庞大的铅室生产效率低、耗铅多和投资高，19世纪后半期起，不断有人提出各种改进的建议和发明，终于导致以填充塔代替铅室的多种塔式法装置的问世。
1911年，奥地利人C.奥普尔在赫鲁绍建立了世界上第一套塔式法装置。六个塔的总容积为600m3，日产14t硫酸（以100％H2SO4计）。1923年，H.彼德森在匈牙利马扎罗瓦尔建成一套由一个脱硝塔、两个成酸塔和四个吸硝塔组成的七塔式装置，在酸液循环流程及塔内气液接触方式等方面有所创新，提高了生产效率。
在苏联和东欧，曾广泛采用五塔式流程。到50年代，苏联又开发了更为强化的七塔式流程，即增设成酸塔和吸硝塔各一座，其生产强度比之老式的塔式法装置有了成倍的提高，而且可以用普通钢材代替昂贵的铅材制造生产设备。
铅室法产品的浓度为 65％H2SO4，塔式法则为76％H2SO4。在以硫铁矿和冶炼烟气为原料时,产品中还含有多种杂质。40年代起，染料、化纤、有机合成和石油化工等行业对浓硫酸和发烟硫酸的需要量迅速增加，许多工业部门对浓硫酸产品的纯度也提出了更高的要求，因而使接触法逐渐在硫酸工业中居于主导地位。
后来居上的接触法 1831年，英国的P.菲利普斯首先发明以二氧化硫和空气混合，并通过装有铂粉或铂丝的炽热瓷管制取三氧化硫的方法。1870年，茜素合成法的成功导致染料工业的兴起，对发烟硫酸的需要量激增，为接触法的发展提供了动力。1875年，德国人E.雅各布在克罗伊茨纳赫建成第一座生产发烟硫酸的接触法装置。他曾以铅室法产品进行热分解取得二氧化硫、氧和水蒸气的混合物，冷凝除水后的余气通过催化剂层，制成含43％SO3的发烟硫酸。
1881发起，德国巴登苯胺纯碱公司的R.克尼奇对接触法进行了历时10年的研究，在各种工艺条件下系统地测试了铂及其他催化剂的性能，并在工业装置上全面解决了以硫铁矿为原料进行生产的技术关键。当时的接触法装置都使用在较低温度下呈现优良活性的铂催化剂。但其价格昂贵、容易中毒而丧失活性（见催化剂中毒、催化活性）。为此，早期的接触法装置，无论从硫化矿或硫磺为原料，都必须对进入转化工序的气体预先进行充分的净化，以除去各种有害杂质。1906年，美国人F.G.科特雷耳发明高压静电捕集矿尘和酸雾的技术在接触法工厂获得成功，成为净化技术上的重要突破。
第一次世界大战的爆发，使欧美国家竞相兴建接触法装置，产品用于炸药的制造。这对接触法的发展颇具影响。1913年，巴登苯胺纯碱公司发明了添加碱金属盐的钒催化剂，活性较好，不易中毒，且价格较低，在工业应 用中显示了优异的成效。从此，性能不断有所改进的钒催化剂相继涌现，并迅速获得广泛应用，终于完全取代了铂及其他催化剂。
近30年的发展 第二次世界大战以后，硫酸工业取得了较大的发展，世界硫酸产量不断增长。

现代的硫酸生产技术也有显著的进步。50年代初，联邦德国和美国同时开发成功硫铁矿沸腾焙烧技术。联邦德国的法本拜耳公司于1964年率先实现两次转化工艺的应用，又于1971年建成第一座直径4m的沸腾转化器。1972年,法国的于吉纳-库尔曼公司建造的第一座以硫磺为原料的加压法装置投产,操作压力为500kPa,日产550t(100％H2SO4)。1974年,瑞士的汽巴－嘉基公司为处理含0.5％～3.0％SO2的低浓度烟气,开发一种改良的塔式法工艺,并于1979年在联邦德国建成一套每小时处理10km3焙烧硫化钼矿烟气(0.8％～1.5％SO2)的工业装置。
中国硫酸工业的发展 1874年，天津机械局淋硝厂建成中国最早的铅室法装置，1876年投产，日产硫酸约2t，用于制造无烟火药。1934年，中国第一座接触法装置在河南巩县兵工厂分厂投产。
1949年以前，中国硫酸最高年产量为 180kt(1942)。1983年硫酸产量达8.7Mt（不包括台湾省）,仅次于美国、苏联，居世界第三位。1951年，研制成功并大量生产钒催化剂，此后还陆续开发了几种新品种。1956年，成功地开发了硫铁矿沸腾焙烧技术，并将文氏管洗涤器用于净化作业。1966年,建成了两次转化的工业装置,成为较早应用这项新技术的国家。在热能利用、环境保护、自动控制和装备技术等方面，也取得了丰硕成果

② 若用下列装置设计一个实验，以测定SO2转化为SO3的转化率（1）这些装置的连接顺序（按气体左右的方向）是

（1）因从溶液中反应生成气体中混有水蒸气，所以产生的气体首先经过干燥装置Ⅴ，然后版再进行二氧化硫气体权的催化氧化即经过装置Ⅱ，然后是收集S0₃，S0₃的熔点是16.8℃，沸点是44.8℃，所以选择装置Ⅳ进行冷却，使三氧化硫与二氧化硫分离，最后在Ⅲ中吸收未反应的SO₂，故答案为：h；i；b；c；f；g；d；
（2）为保证产生的二氧化硫尽可能多的转化为三氧化硫，应先先加热V₂O₅，后缓缓滴入浓硫酸，故答案为：先加热V₂O₅，后缓缓滴入浓硫酸；
（3）装置IV处是用来冷却三氧化硫气体，使之变成液态或固态，从而收集得到三氧化硫，所以可以在Ⅳ处看到有无色（或白色）晶体（或固体）生成，故答案为：有无色（或白色）晶体（或固体）生成；
（4）nmolNa₂SO₃粉末与足量浓硫酸反应生成nmol二氧化硫，当反应结束时，Ⅲ处增重的部分为未反应的二氧化硫，则转化了的二氧化硫的质量为：64n-m，所以实验中SO₂的转化率为

64n?m

64n

×100%，故答案为：

64n?m

64n

×100%．

③ 某实验兴趣小组拟选用如图装置测定SO2转化为SO3的转化率．各装置可重复使用．（1）制备SO2时选用的是甲装

（1）据装置特点对比得出甲装置的优点：甲装置可以将二氧化硫和氧气充分混合并且采用弯导管可以便于浓硫酸顺利滴下，亚硫酸钠可以和浓硫酸反应生成二氧化硫，即Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（浓）═Na₂SO₄+SO₂↑+H₂O，
故答案为：甲装置可以将二氧化硫和氧气充分混合（采用弯导管可以便于浓硫酸顺利滴下）；Na₂SO₃（s）+H₂SO₄（浓）═Na₂SO₄+SO₂↑+H₂O；
（2）可以用浓硫酸来干燥二氧化硫气体；如姿SO₃的熔点是16.8℃，较低，可以用生石灰来获得三氧化硫，可以用碱石灰或者氢氧化钠溶液进行尾气处理，二氧化硫在转化为三氧化硫之前要进行干燥，故答案为：f、e→a、b（或b、a）→f、e→c、d；
（3）根据实验目的结合试验装置，首先要进行装置气密性的检查，然后装药品，并加入催化剂，最用加入浓硫酸，反应开始发生，根据二氧化硫转化为三氧化硫的反应：2SO₂+O?2SO₃，△H＜0，可知道，温度过高不利于二氧化硫的转化，且催化剂的活性受到温度的限制，
故答案为：检查装置的气密性；加热催化剂；温度过高不利于二氧化硫的生成且影响催化剂的催化活性；
（4）二氧化硫的转化率=

二渣渣绝氧化硫的变化量

二氧梁袜化硫的初始总量

×100%，m₁为浓硫酸吸收SO₃的质量增重，当生成m₁的三氧化硫时，消耗的二氧化硫的质量是0.8m₁，m₂为生石灰吸收SO₂的质量增重，即剩余的二氧化硫的质量，所以二氧化硫的转化率=

0.8m1

0.8m1+m2

×100%，
故答案为：

0.8m1

0.8m1+m2

×100%．

④ 实验是探究工业制硫酸接触室中的反应，图与问题如下

实验结束后装置D增加的质量为ag，即说明生成的SO3的质量为ag，通过列反应方程式计算可以得出参与反应的二氧化硫的质量，
2SO2 +O2 ===2SO3
128 160
128a/160 ag
参与反应的二氧化硫的质量为128a/160g，装置E增加的质量为bg，说明还有bg二氧化硫剩余没有参与反应，所以so2的转化率=(128a/160 ) /(b+128a/160 )

⑤ 为探究工业制硫酸接触室中的反应，并测定此条件下二氧化硫的转化率，甲同学设计了如图装置（图中部分夹持

（1）装置图分析可知制备气体，验证气体性质，开始需要验证装置气密性；为把生成的二氧化硫、三氧化硫全部赶出吸收，停止通入SO₂，熄灭酒精灯后，应继续通入空气一会，
故答案为：检查装置的气密性；继续通入空气一段时间；
（2）0.5mol SO₂被O₂氧化成气态SO₃，放出49.15kJ热量，则2molSO₂被氧气氧化为熟练放热196.6KJ，热化学方程式为：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6 kJ/mol，
故答案为：2SO₂（g）+O₂（g）?2SO₃（g）△H=-196.6kJ/mol；
（3）装置D中是利用三氧化硫在冷却条件下冷凝为液体三氧化硫，增重ag为SO₃的质量，装置E增重是剩余的二氧化硫气体被吸收的质量，结合硫元素守恒计算二氧化硫的转化率=

ag 80g/mol

ag 80g/mol + bg 64g/mol

×100%=

4a

4a+5b

×100%，
故答案为：

4a

4a+5b

×100%；
（4）依据假设1、2可知假设3为硫酸钠和亚硫酸钠都有；依据亚硫酸根离子和硫酸根离子性质设计实验验证，亚硫酸根离子利用和酸反应生成使品红褪色的二氧化硫气体，硫酸根离子和钡离子反应生成硫酸钡沉淀，设计的实验过程为：取少量E中溶液于试管，先加入过量的稀盐酸，产生的气体使品红溶液褪色（或变浅），证明含有亚硫酸钠；然后加入BaCl₂溶液，产生白色沉淀，证明含有硫酸钠，
故答案为：既有亚硫酸钠，也有硫酸钠；取少量E中溶液于试管，先加入过量的稀盐酸，产生的气体使品红溶液褪色（或变浅），然后加入BaCl₂溶液，产生白色沉淀．