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課題1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題,如果以硫黃為原料制硫酸，你能試著用化學方程式表示制硫酸的反應原理嗎？ 提示 ①S(s)＋O2(g)===SO2(g)(放熱反應) ③SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)(放熱反應) 試列舉一些能引起大氣污染的行為。 提示 ①煤的燃燒 ②工業(yè)廢氣的任意排放 ③燃放鞭炮 ④飛機、汽車尾氣的排放 ⑤冰箱、空調(diào)的制冷劑氟氯代烴的排放等。,1．,2．,1．了解生產(chǎn)硫酸的基本流程。 2．了解生產(chǎn)原料的選擇。 3．了解化學科學實驗與化工生產(chǎn)的區(qū)別。 4．注意生產(chǎn)中的三廢處理，防止環(huán)境污染。,化工生產(chǎn)與化學反應的關系 化工生產(chǎn)是以_____________為依據(jù)，以___________為基礎的。任何生產(chǎn)的完成都要符合_____________。 確定化工生產(chǎn)反應原理與過程的一般方法 對于某一具體的化工產(chǎn)品，研究生產(chǎn)過程要從產(chǎn)品的____ _____和____考慮，來確定_______________。,1.,2．,化學反應原理,實驗室研究,化學反應規(guī)律,化學,組成,性質(zhì),原料和生產(chǎn)路線,確定化工生產(chǎn)反應原理與過程的案例研究——生產(chǎn)硫酸 (1)原料：從H2SO4的組成看，原料應該是自然界存在的含___ 物質(zhì)，如____________ (主要成分是FeS2)等。 (2)生產(chǎn)步驟：生產(chǎn)硫酸的主要化學過程可以分成__________、_____________和SO3轉(zhuǎn)化為硫酸三個階段。 (3)工業(yè)上制硫酸的基本生產(chǎn)原理： ①造氣：以S為原料制備SO2，反應化學方程式為___________ (屬_____反應，填“放熱”或“吸熱”，下同)。 ②催化氧化：將SO2氧化成SO3，反應化學方程式為_________ ____________(屬_____反應)。 ③SO3吸收：三氧化硫轉(zhuǎn)化成硫酸，反應化學方程式為____________________(屬______反應)。,3．,硫黃、黃鐵礦,硫,SO2的生成,SO2轉(zhuǎn)化為SO3,放熱,2SO2＋O2,放熱,SO3＋H2O ===H2SO4,放熱,在工業(yè)生產(chǎn)中，選擇原料除依據(jù)_____________外，還有許多因素需要考慮，如_________、____、能源、_____用水的供應能力、_____、_____、預處理成本及__________等。 工業(yè)制硫酸的原料 目前，世界大多數(shù)國家生產(chǎn)硫酸主要以_____為原料，我國主要是以_______為原料。,1. 原料選擇依據(jù),2．,化學反應原理,廠址選擇,原料,工業(yè),貯存,運輸,環(huán)境保護,硫黃,黃鐵礦,生產(chǎn)中反應條件的選擇 在化工生產(chǎn)中要通過反應條件的控制使_____________和 _______________都比較理想，還要同時考慮__________ _____________和___________。 硫酸工業(yè)生產(chǎn)中條件的選擇 二氧化硫催化氧化的條件是：___________________ ___________。,1.,2．,化學反應速率,反應物的轉(zhuǎn)化率,控制某些反,應條件的成本,實際可能性,常壓、V2O5作催化劑、,400～500 ℃,尾氣吸收 生產(chǎn)硫酸的尾氣中含有少量____，可用______吸收，然后再用硫酸處理，生成的SO2可返回用作生產(chǎn)硫酸的原料，其化學反應方程式為： _______________________________、 ___________________________________。 廢渣的利用 用黃鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸的過程中，排出的爐渣和礦灰，可作為___________；可以用來提煉_______________；廢渣還可以作為制造___________或用于_____。,1.,2．,SO2,石灰水,SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O,CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O,煉鐵的原料,貴重的有色金屬,水泥的原料,制磚,化工生產(chǎn)過程中通常都要消耗大量的能量。硫酸工業(yè)充分利用廢熱的方法是：在催化反應室中設熱交換裝置，利用SO2氧化為SO3時放出的熱量來預熱即將參加反應的SO2和O2。,SO3的吸收是用水還是98%的硫酸？為什么？ 提示 實際生產(chǎn)中，并不直接用水吸收SO3，而是用98%的硫酸吸收。這樣可避免形成酸霧并提高吸收率。98%的硫酸吸收SO3后形成了發(fā)煙硫酸，其中SO3的含量可高達20%，將發(fā)煙硫酸在水中稀釋就能得到各種不同濃度的硫酸。,【慎思1】,工業(yè)制硫酸需要哪些原料？分成哪幾個階段？發(fā)生哪些反應？需要哪些設備？ 提示,【慎思2】,A．在生產(chǎn)中常用過量的空氣 B．在生產(chǎn)中常用過量的SO2 C．在生產(chǎn)中采用V2O5作催化劑 D．在生產(chǎn)中采用常壓 提示 增大空氣濃度即增大O2的濃度，使平衡向正反應方向移動，提高了SO2的轉(zhuǎn)化率；增大壓強可使SO3的體積分數(shù)提高，但對設備的要求及成本都相應提高。 答案 B,【慎思3】,為了提高硫酸工業(yè)的綜合經(jīng)濟效益，下列做法正確的是 ( )。 ①對硫酸工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢氣、廢渣、廢液進行綜合利用 ②充分利用硫酸工業(yè)生產(chǎn)中的“廢熱” ③不把硫酸廠建在人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū) A．① B．② C．③ D．①②③ 提示 ①建立處理“三廢”措施，嚴格執(zhí)行國家“三廢”排放標準；②變“三廢”為寶，實行綜合利用。盡可能地利用“廢氣、廢渣、廢液、廢熱”，既可以提高原料的利用率，降低成本，又能減少對環(huán)境的污染。硫酸廠對環(huán)境的污染是比較嚴重的，不能建立在人口稠密的地區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū)。 答案 D,【慎思4】,你認為硫酸工業(yè)可以怎樣合理利用能源？ 提示 (1)在沸騰爐(造氣爐)旁設置蒸氣鍋爐進行發(fā)電。 (2)在接觸室(催化反應室)中設置熱交換器，一方面預熱反應原料氣，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(催化反應室)附近建造浴室，提高勞動福利或創(chuàng)造經(jīng)濟效益。,【慎思5】,接觸氧化的反應為： ΔH＝－98.3 kJ·mol－1 這是一個氣體總體積縮小的、放熱的可逆反應。 (1)溫度,SO2接觸氧化是一個放熱的可逆反應，根據(jù)化學平衡移動理論判斷，溫度較低對提高SO2的轉(zhuǎn)化率有利。但是，溫度較低時催化劑活性不高，反應速率低。在實際生產(chǎn)中，選定400～500 ℃作為操作溫度，這時反應速率和SO2的轉(zhuǎn)化率都比較理想。 (2)壓強 SO2接觸氧化是一個氣體總體積縮小的可逆反應，根據(jù)化學反應速率影響因素和化學平衡移動理論判斷，加壓對提高化學反應速率和SO2的平衡轉(zhuǎn)化率有利。但是，在常壓、400～500 ℃時，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，加壓必須對設備的要求高，增大投資和能量消耗，故在實際生產(chǎn)中，通常采用常壓操作，并不加壓。,(3)接觸氧化的適宜條件 常壓、較高的溫度(400～500 ℃)和催化劑。 在實際化工生產(chǎn)中還要同時考慮控制某些反應條件的成本和實際可能性。,以黃鐵礦為原料生產(chǎn)硫酸的工藝流程圖如下： (1)將煅燒黃鐵礦的化學方程式補充完整。 (2)接觸室中發(fā)生反應的化學方程式是________________________________________________。,【例1】?,(3)依據(jù)工藝流程圖判斷下列說法正確的是____________ (填字母)。 A．為使黃鐵礦充分燃燒，需將其粉碎 B．過量空氣能提高SO2的轉(zhuǎn)化率 C．使用催化劑能提高SO2的反應速率和轉(zhuǎn)化率 D．沸騰爐排出的礦渣可供煉鐵 (4)能用于測定硫酸尾氣中SO2含量的是_______(填字母)。 A．NaOH溶液、酚酞試液 B．KMnO4溶液、稀硫酸 C．碘水、淀粉溶液 D．氨水、酚酞試液,解析 (3)催化劑只能改變可逆反應的化學反應速率，而不會使其平衡發(fā)生移動，故不能提高SO2的轉(zhuǎn)化率及反應過程中放出的熱量；ABD正確。 (4)要測定SO2的含量，所用試劑需能與SO2反應，且能明顯指示反應的終點，分析知答案為B、C。 (5)對于可逆反應，其熱化學方程式中的焓變是指可逆反應進行到底的熱效應，計算時根據(jù)方程式列比例計算即可。一萬噸98%的H2SO4溶液中含H2SO4的質(zhì)量為9.8×109g，,SO3 ～ H2SO4 ～ ΔH 80 g 98 g 196.6 kJ×0.5 m(SO3) 9.8×109 g Q (3)ABD (4)BC (5)8.0×103 t，9.83×109 kJ,在硫酸的工業(yè)制法中，下列生產(chǎn)操作與說明生產(chǎn)操作的主要原因二者都正確的是 ( )。 A．硫鐵礦燃燒前要粉碎，因為大塊的硫鐵礦不能在空氣 中燃燒 B．從沸騰爐出來的爐氣需凈化，因為爐氣中SO2會與雜 質(zhì)反應 C．SO2氧化為SO3時需使用催化劑，這樣可以提高SO2的 轉(zhuǎn)化率 D．SO3用98.3%的濃H2SO4吸收，目的是防止形成酸霧， 以便使SO3吸收完全,【體驗1】?,解析 將硫鐵礦粉碎使燃燒速率更快、反應更充分；凈化SO2的主要目的是防止雜質(zhì)使催化劑中毒；催化劑只能提高反應速率，不能提高SO2的轉(zhuǎn)化率。 答案 D,(1)三廢：廢氣、廢液、廢渣 (2)三廢處理方法： ①尾氣吸收 法一 石灰水吸收法 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O； CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。 法二 氨水吸收法 SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3； (NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O。,②污水處理 利用不同化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的污水所含的雜質(zhì)不同，根據(jù)雜質(zhì)的性質(zhì)利用不同的化學方法進行處理。硫酸工業(yè)廢水中常含有硫酸，常用石灰乳中和： Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O。 ③廢渣的利用 黃鐵礦的礦渣的主要成分是Fe2O3和SiO2，可作為制造水泥的原料或用于制磚。含鐵高的礦渣經(jīng)處理后可以煉鐵，有的也可分離后循環(huán)利用或提煉貴重的有色金屬或?qū)⑵溆糜阡伮贰?下列廢物處理方法中正確的是 ( )。 A．化學實驗中產(chǎn)生的二氧化硫廢氣可用濃硫酸吸收 B．化學實驗中產(chǎn)生的二氧化氮廢氣可用水吸收 C．用黃鐵礦作原料生產(chǎn)硫酸的過程中產(chǎn)生的廢渣可用于 提取燃料 D．用黃鐵礦作原料生產(chǎn)硫酸的過程中產(chǎn)生的廢氣可用于 提取漂白劑,【例2】?,解析 二氧化硫在濃硫酸中的溶解度非常小，A項錯誤；二氧化氮一般用燒堿溶液吸收，發(fā)生的反應為：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，B項錯誤；黃鐵礦本來就是無機礦物質(zhì)，又經(jīng)過高溫煅燒后，廢渣的主要成分是氧化鐵、二氧化硅、氧化鋁等，從中提取燃料是不現(xiàn)實的，C項錯誤；硫酸生產(chǎn)廠的廢氣中含有較高濃度的二氧化硫氣體，二氧化硫可用作漂白劑，D項正確。 答案 D,(1)SO2主要來自于硫酸工廠廢氣和含硫礦物的燃燒。 ①若用Na2SO3溶液來吸收工廠的SO2尾氣，加熱吸收液可獲得高濃度的SO2，變廢為寶。你能寫出主要的化學方程式嗎？ ②為除去燃料中的硫，可采用如圖脫硫工藝。你能寫出主要的化學方程式嗎？,【體驗2】?,(2)接觸法制硫酸過程中既產(chǎn)生出廢渣、又產(chǎn)生尾氣，這與綠色工業(yè)生產(chǎn)是相悖的。請你寫出這些廢渣、尾氣的用途。 廢渣用途：__________________________________， 尾氣用途：_______________________________。,討論主要從三個方面入手：一是環(huán)境保護與原料的綜合利用；二是能量的充分利用；三是生產(chǎn)規(guī)模及廠址的選擇，特別是注意環(huán)保與原料、能量的充分利用。 (1)環(huán)境保護與綜合利用原料 硫酸工業(yè)三廢的處理： ①尾氣吸收：石灰水吸收法 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O； CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O,【探究過程】,實驗探究一 硫酸工業(yè)綜合經(jīng)濟效益,②污水處理：硫酸工業(yè)污水中常含有硫酸，常用石灰乳中和： Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O ③廢渣的利用： 黃鐵礦礦渣一般可用于制造水泥或制磚，含鐵量高的礦渣可用于煉鐵。 在最終產(chǎn)生的三廢中，往往還含有未反應的反應物，為了充分利用原料，在收集產(chǎn)品時可將剩余反應物重新并入原料中，使生產(chǎn)過程帶有局部循環(huán)的特點，這是化工生產(chǎn)工藝設計中常用的方法。 (2)能量的充分利用 許多化學反應是放熱反應，化工生產(chǎn)中應充分利用反應熱，這對于降低生產(chǎn)成本具有重要的意義：,在沸騰爐旁設置“廢熱”鍋爐，產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電；在催化反應室中設熱交換裝置，利用SO2氧化為SO3時放出的熱量來預熱即將參加反應的SO2和O2，使其達到適宜反應的溫度；生產(chǎn)中如能充分利用這些“廢熱”，不僅不需外界向硫酸廠供應能量，還可由硫酸廠向外界輸出大量能量。 (3)生產(chǎn)規(guī)模和廠址的選擇 一般要對原料、水源、能源、土地供應、市場需求、交通、環(huán)境保護等因素進行綜合性和系統(tǒng)性的研究。,在以下條件下，你認為A城市該不該建硫酸廠？ (1)A城市郊區(qū)有豐富的黃鐵礦資源、水源、能源充足，交通方便。 (2)A城市需使用硫酸的工業(yè)不多，而離它遠的B城市是一個消耗硫酸甚多的工業(yè)城市。 (3)A城市是一個風光秀麗的旅游城市，對環(huán)境保護的要求甚高，而且土地價格較貴，土地供應緊張。,【案例】?,解析 全面分析三個條件：第一個條件有利于A城市建硫酸廠；第二個條件從市場需求和運輸成本考慮，在A城市建廠不如在B城市建廠合算；第三個條件從根本上否定了在A城市建廠的設想。因為是一個風光秀麗的旅游城市，對環(huán)保的要求一定很高，而且該地的土地價格也較貴，如果在該地建污染比較嚴重的硫酸廠，必然會破壞旅游資源，得不償失。所以結(jié)論是：在B城市建硫酸廠，再運輸少量硫酸到A城市供應生產(chǎn)的需要，這樣資源配置比較合理。 答案 不該在A城市建硫酸廠,