Question

3．以黃鐵礦為原料，采用接觸法生產硫酸的流程可簡示如圖1：

請回答下列問題：
（1）在爐氣制造中，生成SO₂的化學方程式為4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe₂O₃+8SO₂；
（2）爐氣精制的作用是將含SO₂的爐氣除塵、水洗和干燥，如果爐氣不經過精制，對SO₂催化氧化的影響是砷、硒等化合物會使催化劑中毒，水蒸氣對設備和生產有不良影響；
（3）精制爐氣（含SO₂體積分數為7%、O₂為11%、N₂為82%）中SO₂平衡轉化率與溫度及壓強關系如圖2所示．在實際生產中，SO₂催化氧化反應的條件選擇常壓、450℃左右（對應圖中A點），而沒有選擇SO₂轉化率更高的B或C點對應的反應條件，其原因分別是不選擇B點，因為壓強越大對設備的投資大，消耗的動能大，SO₂原料的轉化率已是97%左右，再提高壓強，SO₂的轉化率提高的余地很小，所以采用1個大氣壓、不選擇C點，因為溫度越低，SO₂轉化率雖然更高，但催化作用受影響，450℃時，催化劑的催化效率最高，故不選C點；
（4）在SO₂催化氧化設備中設置熱交換器的目的是利用反應放出的熱量預熱原料氣，上層反應氣經熱交換器溫度降到400～500℃進入下層使反應更加完全，從而充分利用能源．
（5）以黃鐵礦為原料，用接觸法制硫酸．黃抶礦煅燒時FeS₂的利用率為90%，SO₂的轉化率為95%，SO₂吸收為
H₂SO₄時的損耗率為2%．現(xiàn)有含70% FeS₂的黃鐵礦1t，可生產98%的硫酸多少0.978t．

Answer 1

分析 （1）黃鐵礦的主要成分是FeS₂，在高溫條件下與氧氣反應：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe₂O₃+8SO₂；
（2）在催化氧化時必須進行除塵、洗滌、干燥，以達到除去砷、硒等化合物的效果，這些物質會使催化劑中毒，并且水蒸氣在高溫下與鐵反應，對設備和生產有不良影響；
（3）在反應2SO₂+O₂?2SO₃中，SO₂轉化率較高，工業(yè)上一般不采用更高的壓強，因為壓強越大對設備的投資越大，消耗的動能越大．SO₂的轉化率在1個大氣壓下的轉化率已達到97%左右，在提高壓強，SO₂的轉化率提高的余地很小，本反應為放熱反應，工業(yè)生產中不采取較低的溫度，因為溫度越低，SO₂的轉化率雖然更高，但反應較慢，450℃時，催化劑的催化效率最高；
（4）SO₂催化氧化設備中設置熱交換器可以充分利用反應放出的熱；
（5）根據S元素守恒，可得關系式為：FeS₂～2SO₂～2SO₃～2H₂SO₄，把每一步的利用率、轉化率、損失率都以FeS₂計算，設制得98%的硫酸xt，結合關系式計算．

解答 解：（1）黃鐵礦的主要成分是FeS₂，在高溫條件下與氧氣反應，其反應的化學方程式為：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe₂O₃+8SO₂，
故答案為：4FeS₂+11O₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$4Fe₂O₃+8SO₂；
（2）在催化氧化時必須進行除塵、洗滌、干燥，以達到除去砷、硒等化合物的效果，這些物質會使催化劑中毒，并且水蒸氣在高溫下與鐵反應，對設備和生產有不良影響，
故答案為：除塵；水洗；砷、硒等化合物會使催化劑中毒，水蒸氣對設備和生產有不良影響；
（3）在反應2SO₂+O₂?2SO₃中，SO₂轉化率較高，工業(yè)上一般不采用更高的壓強，因為壓強越大對設備的投資越大，消耗的動能越大．SO₂的轉化率在1個大氣壓下的轉化率已達到97%左右，在提高壓強，SO₂的轉化率提高的余地很小，本反應為放熱反應，工業(yè)生產中不采取較低的溫度，因為溫度越低，SO₂的轉化率雖然更高，但催化劑的催化作用會受影響，450℃時，催化劑的催化效率最高．
故答案為：不選擇B點，因為壓強越大對設備的投資大，消耗的動能大，SO₂原料的轉化率已是97%左右，再提高壓強，SO₂的轉化率提高的余地很小，所以采用1個大氣壓；不選擇C點，因為溫度越低，SO₂轉化率雖然更高，但催化作用受影響，450℃時，催化劑的催化效率最高，故不選C點；
（4）在SO₂催化氧化設備中設置熱交換器，把不同溫度之間的氣體進行熱交換，可預熱反應氣體，冷卻生成氣體，可起到充分利用能源的目的，
故答案為：利用反應放出的熱量預熱原料氣，上層反應氣經熱交換器溫度降到400～500℃進入下層使反應更加完全；
（5）設制得98%的硫酸xt，
       FeS₂～～2SO₂～～2SO₃～～2H₂SO₄
       120                                      196
1t×70%×90%×95%×（1-2%）     x×98%
x=$\frac{1t×70%×90%×95%×（1-2%）×196}{120×98%}$=0.978t，
故答案為：0.978．

點評 本題考查硫酸的工業(yè)制法，涉及環(huán)境保護、反應原理、工業(yè)流程等問題，本題中注意爐氣的精制、反應條件等問題的考查，是易錯點，題目難度中等．