1、第一單元 走進化學工業課題1化工生產過程中的根本問題1.以硫酸生產為例以硫酸生產為例,能記住化工生產過程中應解決的根本問題。能記住化工生產過程中應解決的根本問題。2.會運用接觸法制硫酸的化學反響原理會運用接觸法制硫酸的化學反響原理,能記住其生產過程和典能記住其生產過程和典型設備。型設備。3.能記住防止硫酸工業能記住防止硫酸工業“三廢造成污染的方法和三廢造成污染的方法和“廢熱利用廢熱利用等知識。等知識。一二三四五一、依據化學反響原理確定生產過程1.化工生產與化學反響的關系化工生產依據化學反響原理符合化學反響規律根底實驗室研究。2.確定化工生產反響原理與過程的一般方法對于某一具體的化工產品,研究生

2、產過程要從產品的化學組成和性質考慮,來確定原料和生產路線。3.確定化工生產反響原理與過程的案例研究生產硫酸(1)關于工業制硫酸的反響原理及過程需考慮的因素。分析產品的化學組成,據此確定生產該產品的主要原料。從H2SO4的組成看,原料應該是自然界存在的含硫物質,如硫黃、黃鐵礦(主要成分是FeS2)等。一二三四五分析產品與生產原料之間關鍵元素的性質,確定主要生產步驟。H2SO4中S的化合價是+6價,因此先從S或FeS2得到SO3,再由SO3與H2O反響得到H2SO4。分析生產原料的性質,確定反響原理。生產H2SO4的主要化學過程可以分成SO2的生成和SO2轉化為SO3兩個階段。一二三四五(2)工業

3、制硫酸的過程及反響原理。工業上制硫酸主要分造氣、催化氧化和吸收三個階段。以硫黃為原料制硫酸的反響原理用化學方程式表示為:一二三四五生產硫酸的方法為什么叫接觸法?提示SO2和O2是在催化劑外表接觸反響的,主要設備叫接觸室。SO3的吸收是用水還是用98%的硫酸,為什么?提示實際生產中,并不直接用水吸收SO3,而是用98%的硫酸吸收。這樣可防止形成酸霧并提高吸收效率。一二三四五二、生產中原料的選擇1.在工業生產中,選擇原料除依據化學反響原理外,還有許多因素要考慮,如廠址選擇、原料、能源、工業用水的供給能力、貯存、運輸、預處理本錢及環境保護等。2.目前,世界大多數國家生產硫酸主要以硫黃為原料,我國早期

4、主要是以黃鐵礦為原料制硫酸的。一二三四五三、生產中反響條件的控制1.生產中反響條件的選擇在化工生產中要通過反響條件的控制使化學反響速率和反響物的轉化率都比較理想,還要同時考慮控制某些反響條件的本錢和實際可能性。2.硫酸工業生產中條件的選擇對二氧化硫的催化氧化:(1)溫度條件。選擇400500 作為操作溫度,因為在這個溫度范圍內,反響速率和二氧化硫的轉化率都比較理想。 (2)壓強條件。增大氣體壓強,SO2的平衡轉化率提高得并不多,所以,通常采用常壓操作。一二三四五(3)催化劑。催化劑對化學平衡沒有影響,但能改變到達平衡所需的時間。對于反響2SO2+O2 2SO3:為什么降低溫度和增大壓強有利于提

5、高轉化率?其他條件不變,增大O2的濃度或減小SO3的濃度對化學平衡有什么影響?提示根據平衡移動原理,降低溫度和增大壓強都使該化學平衡向正反響方向移動。增大O2的濃度或減小SO3的濃度都使該化學平衡向正反響方向移動。一二三四五四、生產中三廢的處理1.尾氣吸收硫酸生產的尾氣中含有少量SO2,可用石灰水吸收,再用硫酸處理,從而得到含量較高的SO2,可返回用作原料。化學方程式為SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O,CaSO3+H2SO4 CaSO4+SO2+H2O。2.污水處理硫酸生產過程中的污水,含有酸性雜質,可用石灰乳進展中和處理。3.廢渣的利用爐渣和礦灰可作為煉鐵的原料,廢渣還可作為制造水

6、泥的原料或用于制磚。一二三四五硫酸生產過程中的污水中含有酸性物質,為減小其對環境的危害應如何處理?提示可用堿性物質將其中和,如用石灰乳或純堿處理廢水。涉及的化學方程式為一二三四五五、能量的充分利用1.硫酸生產過程中的三個反響都是放熱反響。2.硫酸工業充分利用廢熱的方法是:利用SO2氧化為SO3時放出的熱量來預熱即將參加反響的SO2和O2。你認為在硫酸工業中合理利用能源,可采取哪些措施?提示(1)在沸騰爐(造氣爐)旁設置蒸汽鍋爐進展發電。(2)在接觸室(催化反響室)中設置熱交換器,一方面預熱反響原料氣,另一方面使接觸氧化后的氣體降溫到適宜溫度。(3)在接觸室(催化反響室)附近建造浴室,提高勞動福

7、利或創造經濟效益。一二三一、工業制備硫酸的過程1.三原料工業上制硫酸所需的原料有硫(S)、空氣、水。用硫黃作原料本錢低、對環境污染少。我國硫黃資源較少,在早期相當一段時間內,主要用黃鐵礦(FeS2)作原料。一二三2.三反響三反響 3.三設備(以FeS2為原料) 一二三4.三原理三原理(1)化學平衡原理化學平衡原理:增大反響物間接觸面積增大反響物間接觸面積,能提高反響速率能提高反響速率;增大增大反響物濃度反響物濃度,能提高反響速率并使化學平衡向正反響方向移動能提高反響速率并使化學平衡向正反響方向移動,以以充分提高原料利用率。充分提高原料利用率。(2)熱交換原理熱交換原理:在接觸室中生成的熱量經過

8、熱交換器在接觸室中生成的熱量經過熱交換器,傳遞給進傳遞給進入接觸室需要預熱的混合氣體入接觸室需要預熱的混合氣體,為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫的吸收創造了有利條件。的吸收創造了有利條件。(3)逆流原理逆流原理:液體由上向下流液體由上向下流,氣體由下向上升氣體由下向上升,兩者在逆流過程兩者在逆流過程中充分反響。中充分反響。一二三二、SO2接觸氧化適宜條件的選擇1.溫度SO2接觸氧化是一個放熱的可逆反響,根據化學平衡移動原理判斷,溫度較低對提高SO2的轉化率有利。但是,溫度較低時催化劑活性不高,反響速率低。在實際生產中,選定400500 作為操作溫度,這時反響速率和S

9、O2的轉化率都比較理想,而且催化劑的活性較高。2.壓強SO2催化氧化是一個氣體總體積減小的可逆反響,根據化學平衡移動原理判斷,增大壓強對提高SO2的轉化率有利。但是在常壓、400500 時,SO2的轉化率已經很高,增大壓強對設備的要求高,增大投資和能量消耗,故在實際生產中,通常采用常壓操作。一二三3.適當過量的空氣目的是提高SO2的轉化率。綜上所述,接觸氧化的適宜條件是常壓、較高溫度(400500 )和催化劑。特別提醒接觸法制硫酸應注意:送進沸騰爐的原料要粉碎成細小的礦粒。通入接觸室的混合氣體必須預先凈化,防止催化劑中毒及水蒸氣對生產和設備造成不良影響。吸收塔中用質量分數為98%的硫酸吸收SO

10、3,而不用水或稀硫酸,防止形成酸霧,使吸收速率減慢。一二三三、硫酸工業中連續多步反響的計算1.關系式法關系式法解題需要找準關系式,找關系式的一般方法是根據涉及的多步反響的化學方程式,依照質量守恒或電子守恒的原那么找出連續多步反響中元素的轉化關系,如在用黃鐵礦制硫酸時,根據轉化過程中硫原子守恒的原那么可以找到這樣的關系式:FeS22SO22SO32H2SO4或SSO2SO3H2SO4在工業制硫酸的有關計算中通常利用以上兩關系式解題。一二三2.常見量的計算公式 (5)多步反響的總轉化率=各步反響轉化率的乘積 一二三特別提醒(1)一種化合物中,一種元素的轉化率等于該化合物的轉化率,例如在FeS2向S

11、O2轉化的過程中,假設硫元素的轉化率為99%,那么FeS2的轉化率也為99%。(2)在同一個化學反響或多個相關聯的化學反響中,具有個別元素質量守恒關系的反響物和生成物,反響物的轉化率等于生成物的產率,例如在FeS2向SO2轉化的過程中,FeS2的轉化率必等于SO2的產率,在FeS2向H2SO4轉化的過程中,FeS2的轉化率等于H2SO4的產率。知識點1知識點2知識點3硫酸工業的生產原理【例題1】 硫酸最古老的生產方法是把綠礬裝入反響器中加強熱,會流出油狀液體,并放出有刺激性氣味的氣體(SO2),反響器中的固體變為紅色。(1)寫出這種方法中綠礬轉化為硫酸的兩個化學方程式:; 。 (2)與現代以硫

12、黃為主要原料生產硫酸的方法相比,這種古老的生產硫酸的方法存在假設干缺乏,試從原料的利用率、環境保護、生產原理等方面加以說明。知識點1知識點2知識點3解析：綠礬的化學式為FeSO47H2O,其中鐵的化合價是+2、硫的化合價是+6。題中指出,加強熱后容器內生成了紅色固體,這說明有Fe2O3生成。在FeSO47H2O Fe2O3的變化中鐵元素被氧化,那么必有+6價的硫元素被復原。在此根底上,運用質量守恒原理和氧化復原反響原理進展分析判斷,即可寫出FeSO47H2O Fe2O3的完整的化學方程式。(2)FeSO47H2O中的硫元素僅有50%轉化為SO3,原料利用率低,生成的SO2污染環境,反響中易形成

13、硫酸酸霧。知識點1知識點2知識點3生產中反響條件的控制【例題2】 工業上生產硫酸時,利用催化氧化反響將SO2轉化為SO3是一個關鍵步驟。壓強及溫度對SO2轉化率的影響如下表(原料氣各成分的體積分數:SO2 7%,O2 11%,N2 82%):知識點1知識點2知識點3(1)SO2的氧化是放熱反響,如何利用表中數據推斷此結論? 。 (2)在400500 時,SO2的催化氧化采用常壓而不是高壓,主要原因是。 (3)選擇適宜的催化劑,是否可以提高SO2的轉化率?(填“是或“否)。是否可以增大該反響所放出的熱量?(填“是或“否)。 (4)為提高SO3吸收率,實際生產中用吸收SO3。 (5):2SO2(g

14、)+O2(g) 2SO3(g)H=-196.6 kJmol-1,計算每生產1104 t 98%硫酸所需要的SO3質量和由SO2生產這些SO3所放出的熱量。知識點1知識點2知識點3解析：(1)根據表格中的數據可以看出,在一樣壓強下(如在 MPa下),升高溫度(如由400 升高到500 )時,SO2的轉化率降低(由99.2%降低為93.5%),即升高溫度時,此化學平衡向逆反響方向移動,而升高溫度,化學平衡應該向吸熱反響方向移動,所以此反響的正反響為放熱反響。(2)根據表格中的數據可以得知,在400 、 MPa時,SO2的轉化率已經很高,假設增大壓強到10 MPa,SO2的轉化率只增大了0.7%,變

15、化不大。而壓強增大100倍,需要對設備的材料、動力、能源等都作相應的提高,即要增大本錢投入。(3)使用催化劑只能改變反響到達平衡的時間,不能使化學平衡發生移動,即對SO2的轉化率不產生影響;而在一定條件下,化學反響放出的熱量與參加反響的反響物的量成正比,因SO2的轉化率不變,所以反響放出的熱量也不會增大。(4)在生產實際中是采用98%的硫酸作吸收劑來吸收SO3的。因為假設用水或稀硫酸進展吸收會形成酸霧,將影響SO3的吸收速率和效率。知識點1知識點2知識點3(5)SO2SO3H2SO4反響熱解得:m(SO3)=8.0109 g=8.0103 t,Q=9.83109 kJ。答案：(1)壓強一定時,

16、溫度升高,SO2轉化率下降,說明升溫有利于反響逆向進展,所以正反響為放熱反響(2)增大壓強對提高SO2轉化率無顯著影響,反而會增加本錢(3)否否(4)98%的硫酸(5)m(SO3)=8.0103 t,放出9.83109 kJ熱量知識點1知識點2知識點3點撥(1)化工生產條件的選擇是理論聯系生產實際的一個重要應用,在選擇生產條件時既要考慮外界條件對化學反響速率和化學平衡的影響,又要考慮生產實際問題。(2)催化劑只能改變可逆反響的化學反響速率,而不會使其平衡發生移動,故不能提高SO2的轉化率及反響過程中放出的熱量。(3)對于可逆反響,其熱化學方程式中的焓變是指可逆反響進展到底的熱效應,計算時根據方

17、程式列比例計算即可。知識點1知識點2知識點3硫酸工業中的多步計算題【例題3】 某硫酸廠初步處理后的尾氣中含0.2%的SO2和10%的O2(均為體積分數)。為了進一步除去尾氣中的SO2,并將SO2轉變為(NH4)2SO4,有人設計了如下方案:在400 時,尾氣以5 m3h-1的速率通過V2O5的催化劑層后,與20 Lh-1速率的氨氣混合噴水。此時氣體溫度由400 降至200 ,在熱的結晶裝置中得到(NH4)2SO4晶體(氣體的體積已轉換為標準狀況)。請答復以下問題:(1)按反響中的理論值,SO2和O2的體積比為2 1,但實際生產中尾氣處理時這個比值是多少?為什么?(2)通過計算說明為什么尾氣以5

18、 m3h-1的速率與20 Lh-1 速率的氨氣混合?(3)假設該廠每天排放10 000 m3尾氣,求該廠每月(按30天計算)可得到(NH4)2SO4的質量為多少?知識點1知識點2知識點3解析：(1)根據2SO2+O2 2SO3,SO2和O2按2 1(體積比)的理論值反響,但實際上V(SO2) V(O2)=0.2% 10%=1 50。根據化學平衡移動原理,增大廉價的氧氣的濃度,可以提高較貴重的二氧化硫的轉化率。SO22NH3(NH4)2SO4 L132 g107 L0.2%30m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.54106 t知識點1知識點2知識點3答案：(1)1 50。原因:根據化學平

19、衡移動原理,增大廉價的氧氣的濃度可使反響:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)向生成三氧化硫方向移動,這樣可以提高較貴重的SO2的轉化率。(2)2NH3 SO221v(NH3) 5103 Lh-10.2%v(NH3)=20 Lh-1(3)3.54 t1 2 3 4 5 61以下對硫酸生產中化學反響原理的分析正確的選項是以下對硫酸生產中化學反響原理的分析正確的選項是()A.硫酸生產中涉及的三個化學反響因原料的不同可能全部是氧化硫酸生產中涉及的三個化學反響因原料的不同可能全部是氧化復原反響復原反響B.硫酸生產中涉及的三個化學反響都是放熱反響硫酸生產中涉及的三個化學反響都是放熱反響C.硫酸生產

20、中涉及的三個化學反響都需要使用催化劑硫酸生產中涉及的三個化學反響都需要使用催化劑D.硫酸生產中涉及的三個化學反響都需要在較高溫度下進展硫酸生產中涉及的三個化學反響都需要在較高溫度下進展解析：硫酸生產中涉及的三個化學反響都是放熱反響解析：硫酸生產中涉及的三個化學反響都是放熱反響;三個反響中三個反響中只有只有SO2 SO3需使用催化劑需使用催化劑;SO3 H2SO4在常溫下進在常溫下進展展,是非氧化復原反響。是非氧化復原反響。答案：答案：B 1 2 3 4 5 62以下說法中正確的選項是以下說法中正確的選項是()A.在設計化工生產的化學反響條件時在設計化工生產的化學反響條件時,只要將化學反響的特點

21、和化只要將化學反響的特點和化學反響理論相結合進展全面分析就沒問題了學反響理論相結合進展全面分析就沒問題了B.在設計化工生產的化學反響條件時在設計化工生產的化學反響條件時,假設化學反響的速率很高假設化學反響的速率很高,就不需要考慮催化劑的問題就不需要考慮催化劑的問題C.在現代在現代,工業上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫、工業上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫、高壓和催化劑高壓和催化劑D.在在2SO2+O2 2SO3中中,對對“450 的選擇的選擇,來自對反響物來自對反響物性質和催化劑性質的綜合考慮性質和催化劑性質的綜合考慮解析：在設計化工生產的化學反響條件時解析：在設計化工生產

22、的化學反響條件時,假設化學反響速率很高假設化學反響速率很高而對生產不利時而對生產不利時,就要考慮施加負催化劑的問題。就要考慮施加負催化劑的問題。答案：答案：D1 2 3 4 5 63以下關于硫酸工業生產的說法中正確的選項是以下關于硫酸工業生產的說法中正確的選項是()A.建筑高煙囪建筑高煙囪,使尾氣在高空擴散稀釋使尾氣在高空擴散稀釋B.設置設置“廢熱鍋爐廢熱鍋爐,產生蒸汽來供熱或發電產生蒸汽來供熱或發電C.使用使用V2O5作催化劑作催化劑,提高提高SO2的轉化率的轉化率D.在吸收塔中在吸收塔中,直接用水吸收三氧化硫直接用水吸收三氧化硫解析：解析：A項不能從根本上處理尾氣項不能從根本上處理尾氣;C

23、項使用項使用V2O5不能提高不能提高SO2的的轉化率轉化率,只能加快反響速率只能加快反響速率;D項應該用項應該用98%的硫酸代替水吸收的硫酸代替水吸收SO3,可防止產生酸霧。可防止產生酸霧。答案：答案：B1 2 3 4 5 64硫酸工業中硫酸工業中,常用濃硫酸吸收三氧化硫常用濃硫酸吸收三氧化硫,而不用水來吸收的原因是而不用水來吸收的原因是()A.三氧化硫溶于濃硫酸三氧化硫溶于濃硫酸,不易溶于水不易溶于水B.用濃硫酸吸收三氧化硫速度雖慢用濃硫酸吸收三氧化硫速度雖慢,但損失三氧化硫少但損失三氧化硫少C.用水吸收易形成酸霧用水吸收易形成酸霧,吸收速度慢吸收速度慢D.用水吸收得到的不是純硫酸用水吸收得到的不是純硫酸解析：用解析：用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3可以防止形成酸霧并提高吸收率。可以防止形成酸霧并提高吸收率。答案：答案：C1 2 3 4 5 65近年來近年來,我國大局部地區經常出現嚴重的霧霾天氣我國大局部地區經常出現嚴重的霧霾天氣,環境保護引起環境保護引起了公眾廣泛的關注。治理工業了公眾廣泛的關注。治理工業“三廢三廢,保護環境最主要的方法是保護環境最主要的方法是()A.關閉污染嚴重的工廠關閉污染嚴重的工廠B.把把“三廢深埋三