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化学工艺学复习资料简答部分1. 裂解气为什么要脱除乙炔和一氧化碳？工业上脱除炔烃的方法有哪些？ 答：乙烯和丙烯产品中所含炔烃对乙烯和丙烯衍生物生产过程带来麻烦，乙炔的存在，不但影响产品的纯度，还会造成聚合催化剂的中毒，当乙炔积累过多后，会引起爆炸。 工业上脱炔的主要是采用催化加氢法，少量用溶剂(丙酮)吸收法。溶剂吸收法是使用溶剂吸收裂解气中的乙炔以达到净化目的，同时也回收一定量的乙炔。催化加氢法是将裂解气中乙炔加氢成为乙烯或乙烷，由此达到脱除乙炔的目的。溶剂吸收法和催化加氢法各有优缺点。 2.工业上生产合成气的方法有哪些？其中哪种方法投资和成本最低？答：工业上生产合成气的方法有：以煤为原料的煤气化法。以天然气为原料的天然气蒸汽转化法。以重油或渣油为原料的部分氧化法。其中以天然气蒸汽转化法的投资和成本最低3.简述合成氨原料气净化阶段湿法脱硫和干法脱硫两种方法各自的特点。答：湿法脱硫：吸收速度或化学反应速度快，硫容量大，适合于高硫含量的原料气，脱硫液再生方便，可循环使用，还可回收硫黄，但脱硫精度不高。干法脱硫：使用固体脱硫剂，脱硫精高，可将硫化物脱至0.10.5cm3/m3，但脱硫设备机组庞大，更换脱硫剂工作笨重，再生能耗大，仅适用于脱除低硫或微量硫。4.简述在合成氨粗原料气净化阶段采用低温甲醇洗涤法的优、缺点。答：优点： 可脱除多种杂质：H2S、CO2、COS、CS2、RSH、C4H4S、HCN、NH3和NO，同时还有脱水作用，使气体得到干燥，有用的组分在甲醇的再生过程中得到回收。 净化程度高：总硫可降到0.1ppm以下；CO2可降到10ppm以下。 可选择性脱除H2S和CO2，并可分别加以回收利用。 甲醇热稳定性和化学稳定性好，不会被降解，不腐蚀设备管道，便宜，易获得，可大量生产。 可与液氮脱除CO、CH4联合使用，工艺更加合理，能节省投资和动力消耗。缺点：甲醇有毒，对设备管道安装要求非常严格。5、氨合成的工艺条件如何选择？温度：400500；压力：中小型厂2032Mpa；空间速度：根据压力来确定；进塔气体组成：氢氮比约3；惰性气体：根据新鲜原料气中量来确定；初始氨含量：越低越好，具体量由氨分离方法确定。水吸收可低于0.5%。6.试写出尿素合成过程中发生的三个主要副反应的名称及化学反应方程式。答： 尿素水解反应：NH2CONH2+H2O=2NH3+CO2； 缩合反应：2 NH2CONH2NH2CONH2+NH3； 异构反应：NH2CONH2NH4NCO，NH4NCONH3+HNCO7.写出气态烃蒸汽转化的主反应和副反应的化学反应方程式。主反应：； ； ； ； ； 副反应：； ； 8、不论是氨的合成还是裂解气的分离，都要进行压缩，而且采用的是多级压缩，为什么？（1）氨合成与烃类裂解都需要在高压下进行。（2）压缩机压缩功与压缩比的对数成正比，在压缩过程中绝热压缩功耗最大，温升最大，等温压缩功耗最低，当压缩比太大时，绝热压缩温升可能超过润滑油闪点，造成压缩机摩擦损耗和功耗增加。因此需要采用多段压缩，目的是尽可能接近等温压缩。8.简述天然气为原料进行蒸汽转化的工艺条件。压力：热力学上，降压有利，但是实际采用加压操作，可以节省压缩功消耗；可以提高蒸汽余热利用价值；可以降低原料气制备与净化系统的设备投资。3.54.0Mpa。温度：升温在热力学和动力学上都有利，但受反应管寿命限制，温度不能太高，具体与操作压力大小有关。一段炉1.8Mpa，出口温度约7603.2Mpa，出口温度约800二段炉：确保出口甲烷低于0.5%。出口温度需达1000以上。水蒸汽与甲烷的摩尔比m：提高水碳比，可以提高甲烷的转化率；此外还可抑制付反应即析碳反应的发生。但是过高，从经济上不合理；而且还会增大系统阻力、增加动力消耗；增加辐射段的热负荷，一般水碳比选择为2.53.5。空间速度：越大，催化剂用量越少，其大小的选择由设备尺寸，催化剂的颗粒大小以及操作压力等因素综合决定。9.简述甲烷蒸汽转化过程中防止炭黑的生成条件及消除炭黑的方法。应使转化过程不在热力学析炭的条件下进行，也就是说，需要把水蒸气用量提高到大于理论最小水炭比，这是保证不会有炭黑生成的前提。选用适宜的催化剂并保持活性良好，以避免进入动力学可能析炭区。选择适宜的操作条件：检查转化管内是否有炭沉积。当析炭较轻时，可采取降压、减量，提高水炭比的办法将其除去。当析炭较重时，可采用蒸汽除炭10.常采用哪些方法对合成气精制？这些方法各有何优缺点。答：精制合成气的方法有铜氨液吸收法，甲烷化法，液氮洗涤法三种。三种精制方法比较，铜氨液精制法需建立一套加压铜氨液吸收塔及再生系统，设备投资增大管理复杂；甲烷化转化法只需增加一套甲烷化反应装置和催化剂，设备虽然简单，但消耗了合成气中的氢气，除了采用低温变换反应外，最好增加一套一氧化碳选择氧化反应器，以便进一步降低一氧化碳残余含量；液氮洗涤法需有空分装置，如果已具备此条件，只需增加一套高效热交换器和液氮洗涤泡罩塔。 11.给出四种脱碳方法（物理法或化学法）及其原理。答：热钾碱法：溶解在水中的二氧化碳能和碳酸钾溶液反应，达到脱碳的目的MDEA法：N甲其二乙醇胺(R2CH3N) 是一种叔胺，它的水溶液呈弱酸性，可以与CO2反应，达到脱出CO2的目的。碳酸丙烯酯法：碳酸丙烯酯是有机溶剂，对二氧化碳、硫化氢等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氮、氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，利用这一特点达到脱碳目的。低温甲醇洗法：甲醇对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、氧化碳等气体在其中的溶解度甚微，因而甲醇能从原料气中选择吸收二氧化碳、硫化氢等酸性气体，而氢氮气损失很小。NHD法：NHD溶剂对二氧化碳，硫化氢，硫氧化碳等酸性气体有较大的溶解能力，而氢、氯、氧化碳等气体在其中的溶解度甚微。12.简述氨氧化时加入蒸汽的原因。 有利于反应物从催化剂表面解析出来，避免丙烯腈的深度氧化。可稀释反应物的浓度，使反应趋于平稳，并有利于防爆。水蒸气热容较大，可带走大量反应热，便于控制反应温度。可以清除催化剂表面的积碳。13.催化重整的目的： 催化重整是指在加热、催化剂、氢气作用下，烃类分子结构进行重新排列成新的分子结构的过程。它用来生产高辛烷值汽油和芳烃，并副产液化石油气和氢气的过程，副产的氢气是石油炼厂加氢装置用氢的原料。14.请绘出以硫铁矿为原料生产硫酸的方块流程图。15.绘出天然气为原料合成氨的方块流程图催化剂部分： 1.催化剂有哪些基本特征？它在化工生产中起到什么作用？在生产中如何正确使用催化剂？答：1、基本特征包括：催化剂是参与了反应的，但反应终止时，催化剂本身未发生化学性质和数量的变化，因此催化剂在生成过程中可以在较长时间内使用；催化剂只能缩短达到化学平衡的时间（即加速反应），但不能改变平衡；催化剂具有明显的选择性，特定的催化剂只能催化特定的反应。2、作用：提高反应速率和选择性；改进操作条件；催化剂有助于开发新的反应过程；发展新的化工技术；催化剂在能源开发和消除污染中可发挥重要作用。3、应该注意以下三点：、活性 系指在给定温度下、压力和反应物流量下，催化剂使原料转化的能力，活性越高则原料的转化率越高。、选择性 系指反应所消耗的原料中有多少转化为目的产物，选择性越高，生产单位量目的产物的原料消耗定额越低，也越有利于产物的后处理。、寿命 系指其使用期限的长短，寿命表征生产单位量产品所消耗的催化剂量，或在满足生产要求的技术水平上催化剂能使用的时间长短。2.说明氨合成催化剂的组成及其作用。答：氨合成催化剂的组成包括Fe，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2等。（1） 氨氧化催化剂的活性组分是Fe，未还原时为FeO +Fe2O3，其中FeO占2438%，Fe2+/Fe3+=0.5，一般在0.470.57之间，可视为Fe3O4，具有尖晶石结构。（2） Al2O3的作用：Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4，具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4被还原为Fe，而未被还原的Al2O3仍保持着尖晶石结构，起到骨架作用，从而防止铁细晶的长大，使催化剂的比表面积增加，活性增加。因此，Al2O3为结构型助催化剂，氧化镁的作用与Al2O3的作用相似，也是结构型助催化剂。（3） K2O的作用：氧化钾是电子型助催化剂，在FeAl2O3催化剂中添加氧化钾后，可以使金属的电子逸出功下降，有助于氮的活性吸附。（4） CaO的作用：CaO的作用与K2O相似，也是电子型助催化剂，同时，氧化钙能降低固熔体的熔点和粘度，有利于三氧化二铝和四氧化三铁固熔体的形成，提高催化剂的热稳定性。（5） Si2O的作用：二氧化硅是磁铁矿中的杂质，具有中和K2O和CaO的作用，此外，Si2O还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结的性能。3.比较甲烷蒸汽转化、一氧化碳变换、氨的合成、二氧化硫氧化所采用催化剂的情况。过程项目甲烷转化CO变换氨合成SO2催化氧化高变低变主要成分NiO2Fe2O3CuOFe3O4V2O5活性成分NiFe3O4CuFeV2O5载体耐火材料烧结型Al2O3 MgO主要成分/铁Al2O3硅铝酸钙助催化剂/Cr2O3、K2OCr2O3、ZnOAl2O3、K2OSiO2、CaOK2SO4活性温度范围500350400180250500左右4506004.催化加氢反应用的催化剂，写出在150以下、150200之间、高于250以及防止硫中毒各分别通常用哪一种或几种催化剂？答：通常反应温度在150以下，多用Pt、Pd等贵金属催化剂，以及用活性很高的骨架镍催化剂；而在150200的反应温度区间，用Ni、Cu以及它们的合金催化剂；在温度高于250时，多用金属及金属氧化物催化剂。为防止硫中毒则用金属硫化物催化剂，通常都是在高温下进行加氢。4.烃类蒸汽转化催化剂：镍催化剂，助催化剂：MgO、Cr2O3、Al2O3，载体：Al2O3、CaO、K2O；助催化剂的作用：改变催化剂的孔结构和催化剂的选择性，抑制催化剂在高温时的融结，有的助催化剂用于抗析碳和调整载体的酸性5.CO变换催化剂：中变：铁铬系，主体Fe2O3、Cr2O3，Cr2O3可以使催化剂具有更细的微孔结构及较高的比表面，提高催化剂的耐热性和机械强度，少量的K2CO3能提高催化剂的活性，MgO和Al2O3可以提高催化剂的耐热性；低变催化剂以CuO为主体，有铜锌铬系和铜锌铝系。6.简述铁铬系高温变换催化剂的组成（含量）及各组分的作用。答： 铁氧化物，含量为8090%，是催化剂的活性组分； 三氧化二铬，含量为3.015%，是催化剂的稳定剂，防止催化剂中的铁组分过渡还原； 氧化钾，含量为0.20.4%，是催化剂的助剂，能提高催化剂的活性，强度及耐热性。7.说明氨合成催化剂的组成及其作用。（铁系催化剂。活性组分为金属铁）答：氨合成催化剂的组成包括Fe，Al2O3，K2O，CaO，MgO，SiO2等。氨氧化催化剂的活性组分是Fe，未还原时为FeO +Fe2O3，其中FeO占2438%，Fe2+/Fe3+=0.5，一般在0.470.57之间，可视为Fe3O4，具有尖晶石结构。 Al2O3的作用：Al2O3与Fe3O4作用可形成FeAl2O4，具有尖晶石结构，当催化剂还原后，Fe3O4被还原为Fe，而未被还原的Al2O3仍保持着尖晶石结构，起到骨架作用，从而防止铁细晶的长大，使催化剂的比表面积增加，活性增加。因此，Al2O3为结构型助催化剂，氧化镁的作用与Al2O3的作用相似，也是结构型助催化剂。 K2O的作用：氧化钾是电子型助催化剂，在FeAl2O3催化剂中添加氧化钾后，可以使金属的电子逸出功下降，有助于氮的活性吸附。 CaO的作用：CaO的作用与K2O相似，也是电子型助催化剂，同时，氧化钙能降低固熔体的熔点和粘度，有利于三氧化二铝和四氧化三铁固熔体的形成，提高催化剂的热稳定性。 Si2O的作用：二氧化硅是磁铁矿中的杂质，具有中和K2O和CaO的作用，此外，Si2O还具有提高催化剂抗水毒害和耐烧结的性能。8.甲醇合成催化剂：铜基催化剂；C301型为CuO-ZnO- Al2O3三元催化剂。9.F-T合成催化剂：铁、钴、镍、钌。铁催化剂加钾活化，通过结构提高比表面积和温度稳定性，加入助催化剂，并载在载体上，用的载体为Al2O3，CaO，MgO，SiO210.硫酸合成催化剂：接触法用的是钒催化剂（2O，K2O，SiO,）以五氧化二钒为主要的活性组分，以碱金属的硫酸盐为助催化剂，以硅胶、硅藻土、硅酸铝等作载体的多组分催化剂，助催化剂可以提高催化剂表面对氧的吸附，明显的增大催化剂的活性，载体的作用是分散催化剂活性组分，增大活性组分的表面，提高催化剂的热稳定性和机械强度，防止五氧化二钒再结晶。11.催化裂化催化剂：主要分为两类：无定形硅酸铝催化剂；结晶型硅酸盐催化剂，活性和选择性高稳定性好、抗毒能力强、再生性能好。12催化重整催化剂：主要由铂、铼、铱、铢等金属组成及氟氯等酸性组成构成，载体为Al2O3，铂重整催化剂具有双重催化作用，其中铂为脱氢活性中心，促进脱氢、加氢反应；酸性组分为酸性中心，促进加氢裂化和异构化反应；氧化铝除了为催化剂提供大的表面积，增加铂的作用，使催化剂具有较高的机械强度等，还可以减轻铂对毒物的敏感性。13.乙烯制环氧乙烷催化剂：银催化剂，由活性组分银、载体、助催化剂、抑制剂所组成。银催化剂的制备方法有粘接法和浸渍法两种。14.乙烯氧氯化法制二氯乙烷：催化剂为金属氯化物，以-Al2O3为载体的CuCl2催化剂。合成气部分：一、参考有关工艺流程图，简要回答问题（20分） 附图为以天然气为原料的日产千吨的大型合成氨厂的转化工段流程图。 1.1#设备的作用是什么？答：1#设备的作用是将有机硫转化为无机硫。2. 2#设备的作用是什么？答：2#设备的作用是用氧化锌干法脱硫法脱除天然气中的无机硫。3.此工艺为何要设置二段转化？答：一段生产无法达到对天然气转化的要求：残余甲烷含量低于0.5%，H2/N2 = 3/1。二段转化可以满足上述要求，同时还可以提供后续合成所需氮气。（书上：二段转化过程，可以使转化器中的甲烷从10%降到0.5%以下，同时又向系统补充氨合成所需要的氮气.）4.为何要向二段转化器中引入经预热至450左右的空气？答：降低二段转化的热负荷，提高二段转化催化剂的利用率。5.此工艺的压力为何选3MPa？答：有三大优点：可以节省压缩功消耗；提高过量蒸汽余热的利用价值；可以降低原料气制备与净化系统的设备投资。l钴钼加氢脱硫器；2一氧化锌脱硫罐；3段炉对流段；4_-段炉辐射段；5一二段转化炉；6一第一废热锅炉；第二废热锅炉；汽包；9辅助锅炉；10排风机；11一烟囱天然气蒸汽转化流程回答问题：（1） 说明一段炉辐射段的组成及其作用。答：一段炉辐射段包括转化炉管和烧嘴，其作用是利用燃料天然气通过烧嘴燃烧所放出的热量，供甲烷蒸汽转化反应生成合成气所需，并将一段炉出口残余甲烷含量降至10%以下。（2） 一段炉对流段都有哪些加热盘管？答：一段炉对流段的加热盘管包括：燃料天然气预热盘管、原料天然气预热盘管、过热蒸汽盘管、原料空气预热盘管及原料天然气-工艺蒸汽预热盘管。（3）钴钼加氢槽有什么作用？其反应温度和反应压力是多少？答：钴钼加氢槽的作用是将天然气中的有机硫加氢转化为硫化氢，其反应温度为380400，反应压力3.6MPa（4）硫化锌脱硫槽的作用是什么？为什么天然气先通过钴钼加氢槽而后通过氧化锌脱硫槽？答：氧化锌脱硫槽的作用是利用氧化锌与硫化氢反应，将原料天然气中的硫化物降至0.1ppm以下，将原料天然气先通过钴钼加氢槽而后通过氧化锌脱硫槽是因为氧化锌脱除某些有机硫化物的能力不佳，不能达到要求，为此先将原料天然气通过钴钼加氢槽，将其中的有机硫化物加氢转变为硫化氢后，再通过氧化锌脱硫槽，将原料天然气中的硫化物脱除至0.1ppm以下，保护天然气蒸汽镍触媒免受中毒（5）一段炉辐射盘管的材质是什么？其管壁温度有什么要求？一段炉出口温度是多少？出口残余甲烷含量是多少？答：一段炉辐射段转化盘管的材质为HK-40（Cr25Ni20）合金钢。在反应条件下，其管壁温度不得超过920，管内介质温度800820。（6）说明天然气蒸汽转化反应的催化剂的组成及各组分的作用。答：甲烷蒸汽转化反应所用的催化剂组成为活性组分镍，载体和一些助催化剂，载体成分有Al2O3或MgAl2O4尖晶石，其作用是支承、分散活性组分并使之不易烧结，此外载体还要有足够的机械强度；为了抑制烃类在催化剂表面的酸中心上裂解析碳，在催化剂中加入K2O等碱性物质来中和表面的酸性；此外还加入一些稀土金属的氧化物来提高催化剂的活性。（7）二段炉的作用是什么？答：二段炉的作用是将一残余甲烷含量达10%，800左右的一段转化气直接进入二段炉，同时补加氧气（或空气），氧与转化气中的氢气反应放热，温度升至1000以上，继续进行转化反应，使二段炉出口气体中的残余甲烷含量降至0.3%以下。（8）反应方程式：CH4+2H2O=CO2+4H2 CH4+H2O=CO+2H2二、氢氮气合成氨的Kellogg流程回答问题：（1） 设置甲烷化气-新鲜气换热器2和水冷器3的目的是什么？答：在氢氮气合成压缩机的段间设置甲烷化气-新鲜气换热器2和水冷器3的目的在于，氢氮气合成压缩机的进口压力为2.7MPa，而压缩机的出口压力达到15MPa，如果采用一段压缩，其压缩比过大，而导致压缩功耗过大，在采用多级（段）压缩时，当被压缩的气体冷却后，气体的体积会因温度的下降而下降，而压缩功耗与气体的体积正相关，故而达到节省压缩功的目的。（2） 氢氮气的压缩采用何种类型的压缩机？答：氢氮气的压缩采用离心式压缩机。（3） 高压氨分离器的温度是多少？答：高压氨分离器的温度为-23。（4） 什么是弛放气？什么是放空气？为什么要放空？放空气在放空前为什么要设置放空气氨冷器和放空气分离器？答: 所谓弛放气是指在高压氨分离器分离液氨时，压力较高，液氨对氢氮气和其他惰性气体的溶解度较大，当液氨由高压氨分离器经减压进入低压氨分离器时，由于压力降低，上述气体在其中的溶解度下降而逸出，这一部分逸出的气体称为弛放气。所谓放空气是指，在氢氮气合成氨的过程中，氢氮气的一次转化率由于受到化学平衡的影响而较低，大量未反应的氢氮气需要经压缩后循环返回合成塔继续反应，循环的过程中，由于含有甲烷和氩等惰性气体，如果不放空，必将造成惰性气体的积累，因此在未反应的氢氮气循环时，为避免惰性气体的积累，必须将一部分循环氢氮气放空，称为放空气。由于在Kellogg的流程中，放空的位置选在合成塔的出口，在此位置的氨含量最高，因此，设置了氨冷器和氨分离器，将放空气中的氨回收回来，防止氨的损失（5） 设置开工炉的目的是什么？答：在流程中设置开工炉的目的是，开工之前的氨合成催化剂处于氧化态，需要还原，将Fe3O4用氢气还原为-Fe，再还原的过程中，需要用开工炉将还原的氢气加热到所需的还原温度，此外，还原完毕后，需要将氢氮气经开工炉加热到所需温度后，进入反应器的催化床层，待反应正常后，再关闭开工炉。（6） 合成塔中通入冷激气的作用。答：氢氮气合成氨的反应是放热反应，在Kellogg流程中，氨合成塔采用绝热式反应器，为了控制反应温度，防止床层飞温而烧坏催化剂需要将冷的氢氮气通入反应器的各反应段间，使从反应床层的气体降温冷却，从而达到控制反应温度的目的。（7） 分别从热力学和动力学角度阐述工业生产中氨合成反应的特点。答：氨合成反应的特点为：放热、可逆、体积缩小、有催化剂。从平衡观点看,氨合成是放热反应，低温有利于NH3的生成,但在没有催化剂的室温条件下，氢氮气不能生成氨，因此氨合成反应需要催化剂，当温度较低时催化剂的活性不能很好地发挥,不利于NH3的生成,所以反应有一个最适宜温度，生产中应及时移走反应热.氨合成反应是体积缩小的反应，提高压力有利于反应向正方向进行，压力愈高平衡时的NH3含量就愈高.另外，气体成分对氨的合成也有影响，惰性气含量高会降低有效气体成分的分压，不利于氨的合成；该反应为可逆反应。 三、低压法合成甲醇简要回答问题（20分） （1）反应温度是多少？答：230270。（2）反应压力是多少？答：510MPa。（3）合成塔空速是多少？答：10000h-1。催化剂：CuO-ZnO-Al2O3 。（4）反应器是何种类型？答：反应器为冷激式绝热床反应器（或者列管式等温反应器）。（5）写出甲醇合成的主、副反应。答：主反应： 副反应（4分）：， （6）什么是放空气？什么是弛放气？为什么防空？答：所谓放空气是指分离器上部排出的气体大部分返回压缩机的循环段，另一少部分排出系统，排出系统的气体称为放空气（2分）。所谓弛放气是指从分离器底部排出的粗甲醇经减压进入闪蒸罐，由于分离器的压力较高，一部分气体会溶于粗甲醇中，当粗甲醇进入闪蒸罐中，由于压力降低，溶解度下降，溶于其中的气体会闪蒸出来，此部分气体称为弛放气（2分）。由于进入压缩机的合成气中含有少量杂质，而甲醇合成反应的转化率比较低，反应后分离出来的气体需要循环，如果循环气体全部循环会导致其中杂质的积累，因此需要放空（2分）。（7）为什么在精馏塔顶35块塔板处采出产品甲醇而不再塔顶采出？答：由于在脱轻组分塔的塔釜组分中还含有少量的轻组分，这些轻组分在进入精馏塔中进行分离时，会全部进入精馏塔塔顶，因此在精馏塔的塔顶，甲醇的含量不是最高，而在距塔顶35块板处，甲醇的含量达到最高值，因此，在此处采出产品甲醇。（8） 为什么在脱轻组分塔加入1%2%的NaOH溶液？答：粗甲醇溶液呈酸性，为了防止腐蚀设备和管线，并导致甲醇含铁超标，因此需要加入少量的NaOH溶液来中和甲醇溶液的酸度，使其达到Ph=79，用柱塞泵连续打入脱轻组分塔的提馏段。一、 写出下列过程的主要化学反应，催化剂，反应压力和反应温度。1. 二氧化硫接触氧化制三氧化硫。（1）化学反