Question

某设计院承担某硫酸厂的设计任务，该厂要求：①为了控制污染和提高生产效率，不再使用黄铁矿，改用固体硫为原料。②改二次送风（鼓入空气）为一次送风，即送风后使硫充分燃烧，并在下一步催化氧化时不再补充空气。③每天生产50t98%的硫酸。④送风机每天输送空气的体积为5000m³/台（标准状况）。

（1）每天消耗含95%的固体硫多少吨？

（2）理论上应安装多少台送风机？

（3）固体硫充分燃烧后的混合气体中氧气的体积分数ф（O₂）的下限为多少？

（4）实际安装送风机的台数应略多于理论数（不考虑损坏），为什么？能否过分增加送风机的台数，为什么？（转化过程不考虑损耗；固体硫中杂质与空气不反应；空气中氧气的体积分数为21%）。

Answer 1

（1）设需固体硫的质量为x。由关系式法：

           S——————H₂SO₄

32                                                 98

x×95%         50t×98%     得 x=16.8t

（2）由反应原理：S+O₂=SO₂,  SO₂+1/2O₂≒   SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，可得总反应式：S+3/2O₂+H₂O=H₂SO₄,n(O₂)=n(H₂SO₄) ×3/2=50×10⁶g×98%÷98g·mol^-1×3/2=7.5×10⁵mol。故理论上需安装送风机的台数为：

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

（3）硫充分燃烧后，混合气体中氧气的体积至少要保证反应SO₂+1/2O₂≒   SO₃所需的氧气。设S燃烧生成的二氧化硫为1体积，则需消耗氧气1体积；催化氧化为三氧化硫需氧气0.5体积；空气带入的氮气为1.5体积×79/21=5.64体积，故混合气体中ф（O₂）=(0.5/0.5+1+5.64) ×100%=7%(下限)

   （4）实际安装送风机台数略多于理论数的原因是：增大空气（氧气）的量，有利于平衡2SO₂+O₂ ≒  2 SO₃向右移动，从而提高二氧化硫的转化率。但过分增加空气的量，会带走热交换器的热量，降低反应的速率，不利于工业生产。

解析:

（1）设需固体硫的质量为x。由关系式法：

           S——————H₂SO₄

33                                                 98

x×95%         50t×98%     得 x=16.8t

（2）由反应原理：S+O₂=SO₂,  SO₂+1/2O₂≒   SO₃，SO₃+H₂O=H₂SO₄，可得总反应式：S+3/2O₂+H₂O=H₂SO₄,n(O₂)=n(H₂SO₄) ×3/2=50×10⁶g×98%÷98g·mol^-1×3/2=7.5×10⁵mol。故理论上需安装送风机的台数为：

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

（3）硫充分燃烧后，混合气体中氧气的体积至少要保证反应SO₂+1/2O₂≒   SO₃所需的氧气。设S燃烧生成的二氧化硫为1体积，则需消耗氧气1体积；催化氧化为三氧化硫需氧气0.5体积；空气带入的氮气为1.5体积×79/21=5.64体积，故混合气体中ф（O₂）=(0.5/0.5+1+5.64) ×100%=7%(下限)

   （4）实际安装送风机台数略多于理论数的原因是：增大空气（氧气）的量，有利于平衡2SO₂+O₂ ≒  2 SO₃向右移动，从而提高二氧化硫的转化率。但过分增加空气的量，会带走热交换器的热量，降低反应的速率，不利于工业生产。

      本题涉及到化工生产的反应原理、条件控制及计算，具有一定的开放性和研究性，代表了新教材的新理念。