1、 课题1 化工生产过程中的基本问题1掌握接触法制硫酸的化学反应原理，并了解其生产过程和几个典型设备。2应用化学反应速率和化学反应的限度，分析并掌握硫酸工业适宜条件的选择。3了解防止硫酸工业“三废”造成污染和“废热”利用的初步知识。认识环境保护与节约的意义，强化环保与节约意识。01 基础 自主落实02 要点 系统认知03 检测 课堂达标04 演练 效果检测一、依据化学反应原理确定生产过程1化工生产与化学反应的关系化工生产是以为依据，以为基础的。任何生产的完成都要符合。2确定化工生产反应原理与过程的一般方法对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的和考虑，来确定。化学反应原理实验室研究化学反应
2、规律化学组成性质原料和生产路线3化工生产的案例研究生产硫酸(1)原料：从H2SO4的组成看，原料应该是自然界存在的含的物质，如(主要成分是FeS2)等。(2)生产步骤：生产硫酸的主要化学过程可以分成、和SO3转化为硫酸三个阶段。(3)工业上制硫酸的基本生产原理：造气：以S为原料制备SO2，反应方程式 (属反应)。催化氧化：将SO2氧化成SO3，反应方程 (属反应)。SO3吸收：三氧化硫转化成硫酸，反应方程式(属反应)。硫硫黄、黄铁矿SO2的生成SO2转化为SO3SO2=点燃 SO2放热2SO2O2催化剂450 或2SO3放热SO3H2O=H2SO4放热二、生产中原料的选择1在工业生产中，选择原
3、料除依据外，还有许多因素需要考虑，如、能源、用水的供应能力、预处理成本及等。2目前，世界大多数国家生产硫酸主要以为原料，我国主要是以为原料制硫酸的。化学反应原理厂址选择 原料工业贮存 运输环境保护硫黄黄铁矿三、生产中反应条件的控制1生产中反应条件的选择在化工生产中要通过反应条件的控制使和都比较理想，还要同时考虑和。化学反应速率反应物的转化率控制某些反应条件的成本实际可能性2二氧化硫催化氧化条件的选择(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
4、的时间。400500 反应速率二氧化硫的转化率并不多常压没有影响四、生产中的三废处理1尾气吸收硫酸生产的尾气中含有少量，可用吸收，使其生成，再用处理，生成和。方程式为；。2污水处理硫酸生产过程中的污水，含有杂质，可用中和法处理。方程式为。SO2Ca(OH)2CaSO3H2SO4SO2CaSO4 SO2Ca(OH)2=CaSO3H2O CaSO3H2SO4=CaSO4SO2H2O酸性石灰乳Ca(OH)2H2SO4=CaSO42H2O3废渣的利用废渣可用来制或制造，炉渣和矿灰可作为的原料。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，不但可以由硫酸厂自行提供能量，而
5、且还可以，可大大降低生产成本。砖水泥炼铁放向外界输出大量能量要点一 解读工业制备硫酸的过程1三原料：硫铁矿(FeS2)、空气、水接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的 SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿(主要成分为 FeS2)作生产硫酸的原料。2三反应(1)4FeS211O2=2Fe2O38SO2(高温)(2)2SO2O2催化剂加热 2SO3(催化剂，加热)(3)SO3H2O=H2SO43三设备：(1)沸腾炉(2)接触室(3)合成塔4三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流原理(1)化学平衡原理：增大反应物浓度、增
6、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，传递给进入接触室的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。例 1 在接触法制硫酸的工业生产中，下列生产操作与说明这些操作的主要原因都正确的是()A黄铁矿煅烧前需要粉碎，因为大块黄铁矿不能燃烧B从沸腾炉出来的炉气需要净化，这样可以提高产品的纯度CSO2 氧化为 SO3 时需使用催化剂，这样可以提高反应速率和 SO2 的转化率D用质量分数为 98.3%的硫酸
7、吸收 SO3，目的是防止形成酸雾，以便使 SO3 吸收完全解析 将黄铁矿粉碎的主要目的是为了增大和空气的接触面积，可使其燃烧得更充分、更快，所以选项 A 操作正确，但解释错误；炉气净化的目的是防止炉气中的杂质和矿尘使催化剂中毒、失效，所以选项 B 操作正确，但解释错误；使用催化剂是为了提高反应速率，缩短反应完成的时间，但对反应物的转化率和产物的产率均无影响，所以选项 C 也是操作正确，但解释错误；选项 D 是正确的。答案 D方法规律 确定化工生产反应原理与过程的一般方法：对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质来确定原料和生产路线。分析产品的化学组成，据此确定生产产品的主要
8、原料；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；分析生产原料的性质，确定反应原理。1在用接触法制硫酸的过程中，若将接触室内混合气体突然冷却到 15，有白色晶体析出，此晶体是()A硫酸酐 B固态氧 C硫黄 D亚硫酸酐解析：冷却到 15，SO3 将会成为固体，而 SO2、O2 仍是气体，硫黄虽是固体但在接触室中不可能有它的存在。答案：A要点二 硫酸工业生产中反应条件的选择1影响硫酸生产效率的因素分析(1)接触氧化的反应为：SO2(g)12O2(g)催化剂SO3(g)H98.3 kJmol1。这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应，低温高压有利于 SO3 的生成。(2)从教材 P6
9、表 11 和表 12 可以看出，温度越低、压强越大，越有利于 SO3 的生成，但压强的影响不是很大。(3)综合考虑低温时有利于 SO2 的转化，但考虑催化剂活性，温度不能太低。高压有利于 SO2 的转化，但实验表明增大压强，SO2 的转化率提高并不大，而且考虑设备、成本和能源消耗问题，压强不应很高，可以考虑常压。2硫酸工业实际生产中条件的选择(1)温度：根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用 400500 的温度。(2)常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对 SO2 的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很
10、高，实际生产采用常压操作。(3)适当过量的空气：目的是提高 SO2的转化率。(4)接触氧化的适宜条件：常压、较高的温度(400500)和催化剂。例 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为：SO2 7%，O2 11%，N2 82%)：0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(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 4005
11、00 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)H196.6 kJmol1，计算每生产 1 万吨 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 9
12、3.5%)，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(即常压1 atm 下)SO2 的转化率已经很高，如在 400 时已达 99.2%，若增大压强到 10 MPa(即100 atm)，压强增大了 100 倍，但是 SO2 的转化率增大为 99.9%，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化学反应的速率，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
13、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 98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收 SO3 的。因为若用水进行吸收会形成酸雾，将影响 SO3 的吸收速率和效率。(5)SO2SO3H2SO4 反应热80 gmSO398 g104106 g98%196.6 kJ/2Q解得：m(SO3)8.0109 g8.0103 t，Q9.83109 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
14、增加成本(3)否 否(4)浓硫酸(5)9.83109 kJ方法规律 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。在学习时应对合成二氧化硫的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。2下列说法正确的是()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 2SO2O2V2O5450 2SO
15、3 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解析：在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应速率过高而对生产不利时，就要考虑施加负催化剂的问题。答案：D要点三 硫酸工业中多步反应的计算方法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：找出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。找出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，如：FeS22H2SO4，SH2SO4。若已知(欲求)FeS2 含量，用前面的关系式，若已知(欲求)S 的含量，用后一关系式，二氧化硫转化率、三
16、氧化硫吸收率均可折算成起始物 FeS2(或 S)进行计算。例 3 用含 FeS2 78%的硫铁矿制硫酸，若煅烧时损失 6%的硫，在接触氧化时又损失2%，求制得 1 t 98%的浓 H2SO4 需这种矿石多少吨？解析 每种化合物都有固定的组成，即每种化合物的组成元素的质量都有一定的比例，当某一化合物损失 a%时，其组分元素也必然损失各自的 a%，反之亦然。由此可知接触氧化时硫损失 2%，也就是接触氧化时 FeS2 的转化率为 98%。设需硫铁矿的质量为 x，涉及的有关化学反应方程式如下：4FeS211O2=高温 2Fe2O38SO22SO2O2V2O5 2SO3SO3H2O=H2SO4根据各化学
17、方程式中反应物和生成物之间的比例关系，可找出 FeS2与每步反应中产物之间的关系式：4FeS28SO28SO38H2SO4容易得出这组连续反应的反应关系：FeS2 2H2SO4120 t 298 tx78%(16%)(12%)1 t98%解之得：x0.83 t。答案 0.83 t3含硫 48%的硫铁矿煅烧时 FeS2 损失 2%，则下列说法不正确的是()A该硫铁矿含 FeS2 也是 48%B硫损失也是 2%C铁损失也是 2%D该硫铁矿含 FeS2 90%解析：该硫铁矿含 FeS2 为12064 48%90%，故 D 项正确，而 A 项错误；煅烧时 FeS2损失 2%，则其中的铁和硫也都损失 2
18、%。答案：A1在硫酸工业生产中，为了有利于 SO2 的转化，且能充分利用热能，采用了中间有热交换器的接触室(见右图)，下列有关说法中错误的是()A上端进入的气体温度较高，下端出来的气体温度较低B预热含有二氧化硫的混合气体，有利于接触氧化CA 处流出的气体为 SO2 和 O2D预热 SO3，有利于被浓硫酸吸收解析：此题考查了工业生产 H2SO4 的重要设备之一接触室中气体的流向。SO2 和O2 进入热交换器的管外时，虽具备合成温度，但无 V2O5 催化，不会生成 SO3，只有SO2 和 O2。原料 SO2、O2 从装置左侧中间进入热交换器，吸收热能后由 A 处流出再进入接触室发生反应，并放出大量
19、的热，而热交换器的作用是把一部分热量交换给刚进入热交换器的原料气，然后由下端流入下一个装置，SO3 温度过高不易被吸收，所以下端出来的气体温度较低，这也是热交换器的作用之一。答案：D2接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是()尾气用氨水处理 污水用石灰乳处理 废渣用来造水泥、炼铁 设置废热锅炉产生蒸汽，供热或发电A BCD解析：硫酸厂尾气中含有 SO2，可用氨水吸收处理；硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸厂废渣中含有 SiO2、Fe2O3 等，可用于制造水泥、炼铁；由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。答案：D3
20、煅烧黄铁矿损失 x%的硫，则 FeS2 的损失率与硫的损失率相比为()A大于 x%B小于 x%C等于 x%D不能确定解析：由元素守恒可知硫的损失率应该与 FeS2 的损失率相等。答案：C4下列关于硫酸工业综合经济效益的讨论中，叙述错误的是()A充分利用三个反应放出的热能，来降低生产成本B为了防止尾气的污染，用氨水吸收尾气C硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区，远离硫酸消费中心D生产过程中含有少量硫酸的污水，可用石灰乳中和处理解析：硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区。远离硫酸消费中心，势必造成运输、环境污染等问题。答案：C5在硫酸工业中，通过下列反应使 SO2 转化为
21、SO3：2SO2O22SO3 H0，已知常压下平衡混合气体中 SO3 体积分数为 91%。试回答：(1)在生产中常用过量的空气是为了_。(2)加热到 400500 是由于_。(3)压强采用_，原因是_。(4)常用浓硫酸来吸收 SO3 而不用水，因为_。解析：此题考查了在硫酸工业中运用化学平衡原理选择适宜生产条件的能力。选择适宜的反应条件，要从浓度、压强、温度、催化剂等条件中考虑该反应的速率、转化率，同时还要考虑工业生产的实际情况。如(2)(4)两问是考虑速率问题，第(1)(3)问则是考虑化学平衡问题，且第(3)问要考虑生产的实际情况。答案：(1)增大氧气浓度，提高成本较高的 SO2 的转化率(2)在此温度下，催化剂活性强，反应速率快，可缩短到达平衡的时间，提高单位时间内 SO3 的产率(3)常压 常压下平衡混合气体中 SO3 的体积分数已达 91%，若再加压，对设备动力系统要求高，成本高，加压实际意义不大(4)用水吸收易形成酸雾，降低吸收速率04 演练 效果检测