循環思想在工藝流程試題中的體現

上海 樊亞軍

化工生產過程主要可以分為三個部分：生產原料預處理、主反應、產品的分離與精制。具體過程如下圖所示。

一般而言，化工生產應遵循“多、快、好、省”的原則?！岸唷笔侵冈系睦寐驶虍a物的產率高；“快”是指反應速率快；“好”主要是指對環境友好，反應過程應體現“綠色化學”原則，原料利用率的最大化；“省”是指在選擇原料、設備、工藝等方面應考慮降低生產成本。

物質循環使用在化工生產過程中常常出現，例如合成氨工業中，氨氣液化分離后，原料氣中氮氣和氫氣可繼續循環使用；接觸法制硫酸中，濃硫酸吸收三氧化硫后，尾氣中的二氧化硫可以循環利用；侯氏制堿法中，提取氯化銨后，母液循環用于制堿。物質循環體現了化工生產過程中“多”、“好”、“省”三個方面的原則。筆者從原料、主反應、產品三個方面來分析化工生產中物質的循環。

一、原料循環

從主反應或產物中分離出原料，再進行循環，是化工生產過程中循環物質的主要方法。分離中往往涉及過濾、蒸餾、加熱等實驗操作，應做到熟悉基本實驗操作，其中，非目標產物的轉化過程未體現在流程圖中，因此，分析并理解整個化工生產流程，才能充分理解物質循環應用。

【例1】利用天然氣合成氨的工藝流程示意如下：

依據上述流程，完成下列填空：

整個流程有三處循環，一是Fe(OH)3循環，二是K2CO3(aq)循環，請在上述流程圖中找出第三處循環________。

【答案】N2和H2循環

【解析】工業合成氨利用氮氣和氫氣反應，該工藝流程圖進行的是“原料預處理”，通過天然氣得到氫氣和氮氣，由于合成氨反應是可逆反應，即使在高壓條件下，混合氣體仍然含有大量氮氣和氫氣，因此，將氨氣液化分離后，氮氣和氫氣可繼續循環使用，從而提高反應物的轉化率，尤其是提高氫氣的利用率。

備考提示：一個化學工業生產過程往往涉及多種原料，為了盡可能提高原料中原子利用率，在主反應分離出的原料物質或產品分離出的物質中，凡是可以進行循環使用的都可以設計成循環操作，在實際工業生產中是否真正循環，還取決于成分等其他因素，綜合考慮后才可確定。

【例2】工業制備的高錳酸鉀是錳的重要化合物和常用的氧化劑。如圖是工業上用軟錳礦制備高錳酸鉀的一種工藝流程。

上述流程中可以循環使用的物質有________、________。

【答案】MnO2KOH

【解析】由轉化關系圖知，K2MnO4溶液中通入CO2制備KMnO4，同時生成MnO2可循環使用；母液中加入石灰生成的KOH可以循環。

二、主反應循環

主反應是化學工業生產中的核心部分，往往涉及多個反應和不同的實驗操作，在具體分析時，需要理清每個具體的化學反應，理解反應設計意圖，是“多、快、好、省”的集中體現。在主反應中進行物質循環可以使化學工業生產高效進行。

【例3】工業上用鋁土礦(含氧化鋁、氧化鐵)制取鋁的過程如下：

請回答下列問題：

生產過程中，除NaOH、H2O可以循環使用外，還可以循環使用的物質有________。

【答案】CaO和CO2

【解析】由流程圖可知，溶液B中通入二氧化碳，得到Na2CO3溶液和Al(OH)3沉淀，在碳酸鈉溶液中加入了氧化鈣，生成的NaOH可以進行循環使用。同時將碳酸鈣高溫分解，生成物為氧化鈣和二氧化碳，也可以進行循環使用。

備考提示：深刻理解主反應過程是尋找物質循環的重要突破口，由于涉及多個不同的化學反應，部分反應可能以信息的形式出現，適當對信息進行加工，確定反應物和生成物是解決問題的關鍵所在。

【例4】蛇文石礦可以看作是由MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2組成。由蛇文石制取堿式碳酸鎂的實驗步驟如下：

物質循環使用可節約能源。上述實驗中，可以循環使用的物質是________。

【答案】CO2

【解析】碳酸氫鎂受熱分解，生成堿式碳酸鎂和二氧化碳，同時二氧化碳又可用于步驟Ⅱ的操作，所以循環利用的物質是CO2。

【例5】某地煤矸石經預處理后主要含SiO2(61%)、Al2O3(30%)和少量的Fe2O3、FeO及鈣鎂化合物等。某實驗小組利用其提取Al(OH)3。

上述流程中可循環利用的物質的化學式是________。

【答案】CO2Na2CO3

【解析】水解時生成二氧化碳氣體、轉化時需要二氧化碳；水解中用到碳酸鈉、轉化時母液中得到碳酸氫鈉或碳酸鈉，所以能循環利用的是CO2、Na2CO3。

三、原料預處理循環

原料預處理往往是化學工業生產的第一步，在預處理過程中需要使用酸性或堿性溶液等，因為對預處理溶液的純度要求不高，因此，處理過程中即使殘留仍可循環使用，達到節約預處理試劑的目的。

【例6】(2019·全國卷Ⅰ·26節選)硼酸(H3BO3)是一種重要的化工原料，廣泛應用于玻璃、醫藥、肥料等工藝。一種以硼鎂礦(含Mg2B2O5·H2O、SiO2及少量Fe2O3、Al2O3)為原料生產硼酸及輕質氧化鎂的工藝流程如下：

在“沉鎂”中生成Mg(OH)2·MgCO3沉淀的離子方程式為______________________________，母液經加熱后可返回________工序循環使用。

備考提示：熟悉常見原料預處理試劑，例如礦石常用酸性溶液浸洗溶解，金屬器件常用堿性溶液除去油污。針對不同的預處理方式，試劑的選擇，需要依據操作和生產成本具體問題具體分析。

【例7】(2019·天津卷·10節選)多晶硅是制作光伏電池的關鍵材料。以下是由粗硅制備多晶硅的簡易過程。

由粗硅制備多晶硅過程中循環使用的物質除SiCl4、SiHCl3和Si外，還有________。

【答案】HCl H2

【解析】如圖所示，粗硅和干燥HCl反應生成混合物，SiHCl3和氫氣反應生成HCl；混合物分離得到氫氣，SiHCl3和氫氣繼續反應生成HCl，所以由粗硅制備多晶硅過程中循環使用的物質除SiCl4、SiHCl3和Si外，還有HCl、H2。

【例8】冰晶石(Na3AlF6)微溶于水，工業上用螢石(CaF2含量為96%)、二氧化硅為原料，采用氟硅酸鈉法制備冰晶石，其工藝流程如下：

據此分析，下列觀點不正確的是

A.濾渣A的主要成分是CaSO4

B.上述流程中，所涉反應沒有復分解反應

C.“操作ⅰ”不可用硅酸鹽質設備進行分離

D.流程中可循環使用的物質除H2SO4、SiO2外，濾液B經濃縮后也能循環使用

【答案】B

【解析】由流程圖可知，反應①中氟化鈣、二氧化硅和硫酸參與反應生成H2SiF6和濾渣A，濾渣A的主要成分是硫酸鈣，A正確；H2SiF6和Na2SO4反應為復分解反應，B不正確；操作ⅰ為過濾操作，所得濾液中含有F-，F-水解生成HF，腐蝕硅酸鹽質設備，C正確；反應③生成Na3AlF6同時得到氨水，因此，氨水可以循環使用，D正確。