高中化学第一单元走进化学工业课题1化学生产过程中的基本问题2学案新人教版选修21 7页

真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 1 课题 1 化工生产过程中的基本问题 1．以硫酸生产为例，了解化工生产过程中应解决的基本问题。 2．掌握接触法制硫酸的化学反应原理，了解其生产过程和典型设备。 3．了解防止硫酸工业“三废”造成污染的方法和“废热”利用等知识。 业内专家认为，资源利用和技术改进仍是硫酸工业生存和发展面临的两大挑战。硫铁矿 制酸是我国硫酸生产的重头戏，我国必须对硫铁矿制酸加大科技投入，依托科技创新改进生 产工艺，降低成本，有效利用我国资源优势。2010 年 8 月 16 日，大化股份投资 3 875 万元 实施硫酸厂循环经济标准化试点技术改进项目，加快产业链发展。 思考：假如你是化工专家，为提高 2SO2＋O2 2SO3 的转化率，会采用哪些措施？ 答案：增加反应物(SO2 或 O2)的浓度，及时分离出产物(SO3)，适当降低温度。 一、依据化学反应原理确定生产过程 1．关于工业制硫酸的反应原理及过程需考虑的因素 (1)分析产品的化学组成，据此确定生产该产品的主要原料。从 H2SO4 的组成看，原料应 该是________________物质，如________、________(主要成分是 FeS2)等。 (2)分析产品与生产原料之间关键元素的性质，确定主要生产步骤。H2SO4 中 S 的化合价 是＋6，因此先从 S 或 FeS2 得到__________，再由________与 H2O 反应得到 H2SO4。 (3)分析生产原料的性质，确定反应原理。生产 H2SO4 的主要化学过程可以分成 __________和______________两个阶段。 2．工业制硫酸的过程及反应原理 工业上制硫酸主要分____________、____________和____________三个阶段。以硫黄为 原料制硫酸的反应原理用化学方程式表示为 (1)______________________(______热反应) (2)______________________(______热反应) (3)______________________(______热反应) 自主思考：生产硫酸的方法为什么叫接触法？ 二、生产中原料的选择 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 2 除依据____________外，还有许多因素要考虑，如____________、原料、能源、工业用 水的供应能力、贮存、运输、____________及__________等。 三、生产中反应条件的控制 对二氧化硫的催化氧化： 1．温度条件 选 择 ____________ 作 为 操 作 温 度 ， 因 为 在 这 个 温 度 范 围 内 ， __________ 和 ______________都比较理想。 2．压强条件 增大气体压强，SO2 的平衡转化率提高得____________，所以，通常采用________操作。 3．催化剂 催化剂对化学平衡__________，但能改变到达平衡所需的时间。 自主思考：对于反应：2SO2＋O2 2SO3 ①为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率？ ②其他条件不变，增大 O2 的浓度或减小 SO3 的浓度对化学平衡有什么影响？ 四、生产中三废的处理 1．尾气吸收 硫酸生产的尾气中含有少量________，可用__________吸收，再用________处理，从而 得到含量较高的 SO2，可返回用做原料。化学方程式为____________________________， __________________________。 2．污水处理 硫酸生产过程中的污水，含有____________杂质，可用____________进行中和处理。 3．废渣的利用 炉渣和矿灰可作为__________的原料，废渣还可作为制造__________的原料或用于制 ______。 五、能量的充分利用 硫酸生产过程中的三个反应都是________热反应，如果能充分利用这些热量，不但可以 为硫酸厂自行提供能量，而且还可以______________________，可大大降低生产成本。 答案:1.(1)自然界存在的含硫 硫黄 黄铁矿 (2)SO3 SO3 (3)SO2 的生成 SO2 转化为 SO3 2．造气 催化氧化 吸收 (1)S＋O2 SO2 放 (2)2SO2＋O2 2SO3 放 (3)SO3＋H2O===H2SO4 放 自主思考 提示：SO2 和 O2 是在催化剂表面接触反应的，主要设备叫接触室。 二、化学反应原理 厂址选择 预处理成本 环境保护 三、1.400～500 ℃ 反应速率 二氧化硫的转化率 2．并不多 常压 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 3 3．没有影响 自主思考 提示：①根据平衡移动原理，降低温度和增大压强都使上述化学平衡向正反应方向移动。 ②增大 O2 的浓度或减小 SO3 的浓度都使上述化学平衡向正反应方向移动。 四、1.SO2 石灰水 硫酸 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O 2．酸性 石灰乳 3．炼铁 水泥 砖 五、放 向外界输出大量的能量 一、工业制备硫酸的过程 1．三原料 工业上制硫酸所需的原料有硫(S)、空气、水。用硫黄作原料成本低、对环境污染少。 我国硫黄资源较少，在早期相当一段时间内，主要用黄铁矿(FeS2)作原料。 2．三反应 (1)S＋O2 SO2(4FeS2＋11O2 2Fe2O3＋8SO2) (2)2SO2＋O2 2SO3 (3)SO3＋H2O===H2SO4 3．三设备(以 FeS2 为原料) 4．三原理 (1)化学平衡原理：增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化 学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。 (2)热交换原理：在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室需要预热的 混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。 (3)逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 4 二、SO2 接触氧化适宜条件的选择 1．温度 SO2 接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡移动原理判断，温度较低对提高 SO2 的转化率有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低。在实际生产中，选定 400～ 500 ℃作为操作温度，这时反应速率和 SO2 的转化率都比较理想，而且催化剂的活性最高。 2．压强 SO2 接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应，根据化学平衡移动原理判断，加压对 提高 SO2 的转化率有利。但是在常压、400～500 ℃时，SO2 的转化率已经很高，加压对设备 的要求高，增大投资和能量消耗，故在实际生产中，通常采用常压操作。 3．适当过量的空气 目的是提高 SO2 的转化率。 综上所述，接触氧化的适宜条件是常压、较高温度(400～500 ℃)和催化剂。 接触法制硫酸应注意： ①送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。 ②通入接触室的混合气体必须预先净化，防止催化剂中毒及水蒸气对生产和设备造成不 良影响。 ③吸收塔中用质量分数为 98%的浓硫酸吸收 SO3，而不用水或稀硫酸，防止形成酸雾， 使吸收速率减慢。 知识点 1 硫酸工业的生产原理 【例题 1】 硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反应器中加强热，会流出油状液体， 并放出有刺激性气味的气体(SO2)，反应器中的固体变为红色。 (1)写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学方程式： ①________________________________________________________________________； ②________________________________________________________________________。 (2)与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比，这种古老的生产硫酸的方法存在若 干不足，试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。 解析：绿矾的化学式为 FeSO4·7H2O，其中铁的化合价是＋2、硫的化合价是＋6。题中 指出，加强热后容器内生成了红色固体，这说明有 Fe2O3 生成。在 FeSO4·7H2O→Fe2O3 的变化 中铁元素被氧化，则必有＋6 价的硫元素被还原。在此基础上，运用质量守恒原理和氧化还 原反应原理进行分析判断，即可写出 FeSO4·7H2O→Fe2O3 的完整的化学方程式。 答案：(1)①2FeSO4·7H2O Fe2O3＋SO2↑＋SO3↑＋14H2O ②SO3＋H2O===H2SO4 (2)FeSO4·7H2O 中的硫元素仅有 50%转化为 SO3，原料利用率低，生成的 SO2 污染环境， 反应中易形成硫酸酸雾。 点拨：解答本题必须了解题目所含全部信息，并能从一些比较隐蔽的信息中得到线索。 在 FeSO4·7H2O―→Fe2O3 的变化中同时生成三氧化硫和水，易形成硫酸酸雾。 知识点 2 生产中反应条件的控制 【例题 2】 工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将 SO2 转化为 SO3 是一个关键步骤。 压强及温度对 SO2 转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数：SO2 7%，O2 11%，N2 82%)： 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 5 (1)已知 SO2 的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？_________________； (2) 在 400 ～ 500 ℃ 时 ， SO2 的 催 化 氧 化 采 用 常 压 而 不 是 高 压 ， 主 要 原 因 是 _______________________________________________________； (3)选择适宜的催化剂，是否可以提高 SO2 的转化率？__________________(填“是”或 “否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？______________________(填“是”或 “否”)； (4)为提高 SO3 吸收率，实际生产中用____________________吸收 SO3； (5)已知：2SO2(g)＋O2(g) 2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·mol－1，计算每生产 1×104 t 98%硫酸所需要的 SO3 质量和由 SO2 生产这些 SO3 所放出的热量。 解析：(1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在 0.1 MPa 下)，升高温度(如 由 400 ℃升高到 500 ℃)时，SO2 的转化率降低(由 99.2%降低为 93.5%)，即升高温度时，此 化学平衡向逆反应方向移动，而升高温度，化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以此反应 的正反应为放热反应。(2)根据表格中的数据可以得知，在 0.1 MPa 时，SO2 的转化率已经很 高，若增大压强到 10 MPa，SO2 的转化率只增大了 0.7%，变化不大。而压强增大 100 倍，需 要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。(3)使用催化剂只能 改变反应到达平衡的时间，不能使化学平衡发生移动，即对 SO2 的转化率不产生影响；而在 一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因 SO2 的转化率不变， 所以反应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用 98%的浓硫酸作吸收剂来吸收 SO3 的。因为若用水或稀硫酸进行吸收会形成酸雾，将影响 SO3 的吸收速率和效率。 (5)SO2～SO3～H2SO4 ～ 反应热 80 m SO3 ＝ 98 104×106 g×98% ＝196.6 kJ/2 Q 解得：m(SO3)＝8.0×109 g＝8.0×103 t，Q＝9.83×109 kJ。 答案：(1)压强一定时，温度升高，SO2 转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以 正反应为放热反应 (2)增大压强对提高 SO2 转化率无显著影响，反而会增加成本 (3)否 否 (4)浓硫酸 (5)m(SO3)＝8.0×103 t，放出 9.83×109 kJ 热量 点拨：化工生产条件的选择是理论联系生产实际的一个重要应用，在选择生产条件时既 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 6 涉及外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响，又要考虑生产实际问题。在学习时应对二 氧化硫催化氧化的生产条件的选择充分理解、熟练掌握，并学会举一反三。 知识点 3 硫酸工业中的多步计算题 【例题 3】 某硫酸厂初步处理后的尾气中含 0.2%的 SO2 和 10%的 O2(均为体积分数)。为 了进一步除去 SO2，并将 SO2 转变为(NH4)2SO4，有人设计了如下方案：在 400 ℃时，尾气以 5 m3·h－1 的速率通过 V2O5 的催化剂层后，与 20 L·h－1 速率的氨气混合喷水。此时气体温度由 400 ℃降至 200 ℃，在热的结晶装置中得到(NH4)2SO4 晶体(气体的体积已转换为标准状况)。 请回答下列问题： (1)按反应中的理论值，SO2 和 O2 的体积比为 2∶1，但实际生产中这个比值是多少？为 什么？ (2)通过计算说明为什么尾气以 5 m3·h－1 的速率与 20 L·h－1 速率的氨气混合？ (3)若该厂每天排放 10 000 m3 尾气，求该厂每月(按 30 天计算)可得到(NH4)2SO4 的质量 为多少？ 解析：(1)根据 2SO2＋O2 2SO3，SO2 和 O2 按 2∶1(体积比)的理论值反应，但 实际上 V(SO2)∶V(O2)＝0.2%∶10%＝1∶50。根据化学平衡移动原理，增大廉价的氧气的浓 度，可以提高较贵重的二氧化硫的转化率。 (2) 2NH3 ～ SO2 2 1 v(NH3) 5×103×0.2% v(NH3)＝20 L·h－1 (3)根据 2SO2＋O2 2SO3，以及 SO3＋H2O＋2NH3===(NH4)2SO4 得关系式： SO2 ～ 2NH3 ～(NH4)2SO4 22．4 L 132 g 107 L×0.2%×30 m〔(NH4)2SO4〕 m〔(NH4)2SO4〕≈3.54×106 g＝3.54 t 答案：(1)1∶50。原因：根据化学平衡移动原理，增大廉价的氧气的浓度可使反应：2SO2(g) ＋O2(g) 2SO3(g)向生成三氧化硫方向移动，这样可以提高较贵重的 SO2 的转化率。 (2)2NH3 ～ SO2 2 1 v(NH3) 5×103×0.2% v(NH3)＝20 L·h－1 (3)3.54 t 点拨：关于多步反应的计算方法有： (1)关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后找出反应物和生成物之间物质的量 (或质量)之比，列出关系式，即可一步计算。 (2)元素守恒法：原料中某一关键元素理论上若全部转入产物中，则该元素的实际量(不 是质量分数而是物质的量)在两种物质中应相等。例如：S～H2SO4，FeS2～2H2SO4。 真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。 7 1 下列对硫酸生产中化学反应原理的分析正确的是( )。 A．硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是氧化还原反应 B．硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应 C．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要使用催化剂 D．硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高温度下进行 2 下列说法中正确的是( )。 A．在设计化工生产的化学反应条件时，只要将化学反应的特点和化学反应理论相结合 进行全面分析就没问题了 B．在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应的速率很高，就不需要考虑催化剂 的问题 C．在现代，工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、高压和催化剂 D．在 2SO2＋O2 2SO3 中，对“450 ℃”的选择，来自对反应物性质和催化剂性 质的综合考虑 3 在氧气中灼烧 0.40 g 硫和铁的化合物，使其中的硫全部转化为二氧化硫，把这些二 氧化硫全部氧化并转化为硫酸。这些硫酸与 20 mL 0.5 mol·L－1 的氢氧化钠溶液完全中和。 原化合物中硫的质量分数为( )。 A．30% B．36.4% C．40% D．53.3% 答案:1．B 三个化学反应都是放热反应；三个反应中只有 SO2―→SO3 需使用催化剂； SO3―→H2SO4 在常温下进行，且是非氧化还原反应。 2．D 在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应速率过大而对生产不利时，就要 考虑施加负催化剂的问题。 3．C 采用关系式法。根据硫元素守恒知，S～H2SO4；根据 H2SO4 和 NaOH 的中和反应可知， H2SO4～2NaOH，因此关系式： S ～ 2NaOH 1 mol 2 mol n(S) 0.02 L×0.5 mol·L－1 解得 n(S)＝0.005 mol， w(S)＝ 10.005 32 0.4 mol g mol g   ×100%＝40%。