1、第45讲 化工生产中综合经济效益的讨论一、要点精讲1、硫酸工业（1）硫酸的工业制法（接触法）高温 系统地学习掌握某一物质的工业制法，一般要从所用原料、化学反应、适宜条件、生产过程、主要设备、环境保护等角度去分析理解。按照上述要求，工业上接触法制硫酸概括为“五个三”，即三种原料、三个反应、适宜生产条件的三个问题、三个生产过程、三个主要设备等。二氧化硫的制取和净化：4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2 （沸腾炉） 催化剂D二氧化硫氧化成三氧化硫： 2SO2+O2 2SO3 （接触室）三氧化硫的吸收和硫酸的生成：SO3+ H2O=H2SO4 （吸收塔）（2）二氧化硫接触氧化反应适宜条件的选择
2、催化剂：为了加快反应速率，工业上常选用V2O5作SO2氧化的催化剂。温度：从反应速率要求看，反应温度必须较高，从化学平衡要求看，反应温度必须较低，结合催化剂的活性温度考虑，选择400 500 作为SO2氧化的温度。压强：从反应速率要求看，理想压强应该较高，从化学平衡要求看，理想压强也应较高，所以SO2氧化可以在压强很高的条件下进行。但常压下SO2的转化率已经较高，加压增大投资和能量消耗，因此SO2的氧化选择在常压下进行。2、关于硫酸工业综合经济效益的讨论 （1）环境保护与原料的综合利用。化工生产必须保护环境，严格治理“三废”，并尽可能把“三废”变为有用的副产品，实现原料的综合利用。硫酸厂的“三
3、废”经处理后，不仅消除了污染，而且也使SO2和黄铁矿矿渣得到合理利用。 尾气吸收：硫酸工业的尾气中含SO2等气体，直接排放会污染大气，工业上常用氨水吸收有毒气体：2NH3H2O + SO2= (NH4)2SO3+H2O，反应后再向其中加入稀硫酸：(NH4)2SO3+H2SO4= (NH4)2SO4+SO2+H2O，这样制得纯度较高的SO2，返回车间制硫酸或作他用，另一产物(NH4)2SO4可用作氮肥。污水处理：硫酸生成过程中生成的污水中含有H2SO4等杂质，可用石灰乳中和处理：Ca (OH)2 +H2SO4= CaSO4 + H2O，从而可制得石膏。废渣的利用：沸腾炉中出来的炉渣可作为制水泥或
4、砖的原料或炼铁。（2）能量的充分利用。许多化学反应是放热反应，化工生产中应充分利用反应热，以降低生产成本。硫酸生产中的反应热得到充分利用后，不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量，而且还可以由硫酸厂向外界输出大量能量。（3）合理选择厂址，发展规模生产化工厂厂址的选择是一个复杂的问题，它涉及到原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通运输、环境保护等因素，要综合考虑，权衡得弊，作出合理的抉择。现代化工生产投资大，便于采用先进的技术以提高劳动生产率，同时有关“废热”利用、环境保护等辅助设施也便于处理。所以现代化工中规模越大，则单位产量的成本越低，经济效益越高。当然规模的大小还要根据国情而定。 二、典例解
5、析【例1】在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因都正确的是A硫铁矿燃烧前需要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧B从沸腾炉出来的炉气需净化和干燥，因为炉气中SO2会与杂质反应CSO3用98.3%的浓硫酸吸收，目的是防止形成酸雾，而影响SO3的吸收D热交换器中冷、热气体流动方向相反的目的是为了使热交换充分【例2】有A、B、C、D四个中等城市，它们水源、能源充足、交通便利。它们的相对地理位置如图，各城市各有特点：A城是风光秀丽、人口稠密、土地供应紧张的旅游城市，环保要求高，近郊有丰富的FeS2资源。B城是一个新兴工业城，已建有大型磷肥厂，土地供应充足。C城近郊有丰富的磷灰石资源，工业发
6、达，但使用H2SO4的工业不多，土地供应充足。D城是一个古老城市，它的周围是重要的农业区，是大量肥料的集散地。现拟建年产10万吨的黄铁矿制硫酸的工厂，工厂厂址应选在A.A城近郊 B.B城近郊C.C城近郊 D.D城近郊三、当堂反馈1（2003年上海，15）在NH3、HNO3、H2SO4的工业生产中，具有的共同点是A使用吸收塔设备 B使用尾气吸收装置 C使用H2作原料 D 使用催化剂2 硫酸工业生产应考虑综合经济效益问题。（1）若从下列四个城市中选择一处新建一座硫酸厂，你认为厂址宜选在_的郊区（填选项的标号）。 A有丰富黄铁矿资源的城市 B风光秀丽的旅游城市C消耗硫酸甚多的工业城市 D人口稠密的文
7、化、商业中心城市（2）据测算，接触法制硫酸过程中，若反应热都未被利用，则每生产1t 98%硫酸需消耗3.6105kJ能量。请通过计算判断，若反应：SO2 (g) + 1/2O2 (g) SO3 (g) ；H= -98.3kJ/mol放出的热量能在生产过程中得到充分利用，则每生产1t 98%硫酸只需外界提供（或可向外界输出）多少kJ能量？（3）CuFeS2是黄铁矿的另一成分，煅烧时，CuFeS2转化为CuO、Fe2O3和SO2，该反应的化学方程式为_。（4）由硫酸厂沸腾炉排出的矿渣中含有Fe2O3、CuO、CuSO4（由CuO和SO3在沸腾炉中化合而成），其中CuSO4的质量分数随沸腾炉温度不同
8、而变化（见下表）。沸腾炉温度/600620640660矿渣中CuSO4的质量分数/%9.39.29.08.4已知CuSO4在低于660时不会分解，请简要分析上表中CuSO4的质量分数随温度升高而降低的原因。3近年来。工业上用Mg(NO3)2替代浓H2SO4作为制取浓HNO3的脱水剂（以下数据均为质量百分比浓度）。65%HNO3（质量为M1）中加72%Mg(NO3)2溶液（质量为M2）后蒸馏。分别得到97.5%HNO3和60%Mg(NO3)2溶液（不含HNO3）。（1）若蒸馏过程中HNO3、Mg(NO3)2、H2O均无损耗，求蒸馏前的投料比M1/M2的值。（2）蒸馏过程中，若H2O的损耗占总质量
9、的5.0%，即有M1+M25.0%的H2O流失。则投料时，比值M1/M2应该 （选填增大、减小或不变）。第45讲 化工生产中综合经济效益的讨论1、为筹建一个别大型化工生产基地，关于选址的意见中正确的是A拟建立在干旱山区，使之脱贫致富 B拟建立在长江边，便于排放污水和废水C不宜建立在居民区附近 D拟建立在水资源丰富且交通便利的城郊2、一个国家工业发展水平的标志是A石油的产量 B乙烯的产量 C硫酸的消费量 D合成纤维的产量3、下列物质一般不能用作硫酸工业的原料的是A硫磺 B有色金属冶炼厂含SO2的烟气 C石油脱硫获得的硫磺 D天然气4、关于热交换器，下列说法中错误的是A 热交换器装在接触室中，位于
10、两层催化剂中间B 预热含有SO2的混合气体，有利于接触氧化C 预热SO3，有利于浓硫酸的吸收 D热交换器可调节液体温度，利用余热5、关于能源开发和节约，以下哪些观点是错误的 A根据能量守恒定律，担心能源枯竭实在是一种杞人忧天的表现 B能源是有限的，无节制地利用常规能源如石油之类，是一种短期的盲目行为 C能源的开发利用，必须要同时考虑其对环境的影响 D通过核聚变和平利用核能是目前开发新能源的一项有效途径6、下列对硫酸生产中化学反应原理的分析中正确的是 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非氧化还原反应 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
11、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条件下进行7、工业上用接触法制硫酸时，从沸腾炉中导出的炉气，要经过净化的理由是 A为了减少对大气的污染 B防止催化剂中毒 C炉气还含有一些其它有用的成分，以便综合利用 D为了制得更纯的硫酸8、接触法制硫酸时，进入接触室的气体合理的是A体积组成：SO2 7% ， O2 11% ，其余为N2、CO2等B质量组成：SO2 30% ， O2 7% ，其余为N2、CO2等C体积组成：SO2 14% ， O2 7% ，其余为N2、CO2等D体积组成：SO2 14% ， O2 5% ，其余为N2、CO2等 9、下列哪些措施不能提高硫酸工业的经济效益
12、A在接触室设置热交换器利用反应放出的热量预热反应气体B沸腾炉旁设置“废热”锅炉发电C将尾气中的二氧化硫回收利用 D将原料硫磺改用黄铁矿催化剂D10、已知 2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g) ；H0，其实验数据如下：原料气成分（体积分数）SO2 7% ， O2 11% ， N2 82%不同压强下SO2的转化率（%）1 atm5 atm10 atm50 atm100 atm45097.598.999.299.699.755085.692.994.997.798.3（1） 应选用的温度是_，其理由是_。（2） 应采用的压强是_，其理由是_。（3） 常用浓硫酸来吸收SO3而不是用水的原因
13、是_。（4） 我国在硫酸工业生产中，为了防止污染，保护环境，尾气可用_吸收，然后再用_处理，这样不仅得到了SO2含量较高的气体，可返回车间再用，又得到了一种化肥。写出有关反应的化学方程式_。CO2Na2CO3X食盐水循环II循环I母液(提取副产品)煅烧炉合成氨厂沉淀池NH3NH311、（2005年上海，26）我国化学侯德榜（右图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下：(1) 上述生产纯碱的方法称，副产品的一种用途为。(2) 沉淀池中发生的化学反应方程式是。(3) 写出上述流程中X物质的分子式。 (4) 使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了（填上述流程中的编号）的
14、循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是。(5)为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加 。(6) 向母液中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品，通氨气的作用有。(a) 增大NH4+的浓度，使NH4Cl更多地析出(b) 使NaHCO3更多地析出(c) 使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度12、（1997年上海，36）接触法制硫酸排放的尾气中含少量的SO2，为防止污染大气，在排放前设法进行综合利用。（1） 某硫酸厂每天排放的10,000m3尾气中含0.2%（体积分数）的SO2，问用NaOH溶液、石灰及O2处理后，假设硫元素不损失，理论上可得到多少千克石膏（
15、CaSO42H2O）？（2） 如果将一定体积的尾气通入100mL 2mol/L的NaOH溶液中使其完全反应，经测定所得溶液含16.7 g溶质。试分析该溶液的成分，并计算确定各成分的物质的量。（3） 工厂在尾气处理制石膏的过程中，中间产物是NaHSO3 。调节尾气排放的流量，以取得SO2与NaOH间物质的量的最佳比值，从而提高NaHSO3的产量。现设n(SO2)、n(NaOH)、n(NaHSO3)分别表示SO2、NaOH、NaHSO3的物质的量，且n(SO2) / n(NaOH)=x ，试写出x在不同取值范围时，n(NaHSO3)的值或n(NaHSO3)与n(SO2)、n(NaOH)间的关系式。
16、第45讲 典例解析【例1】矿石不粉碎只是燃烧速率慢且不充分；净化炉气是为了防止混有的杂质使催化剂中毒，以及水蒸气对设备的腐蚀；因SO3极易与水反应，用水或稀硫酸吸收SO3时会形成大量的酸雾，影响吸收，而98.3%的浓硫酸的液面上基本没有水蒸气，故用它来吸收 SO3；热交换器中冷、热气体逆流，始终保持一定的温度差，使热的传递有较大的动力，热交换充分。本题答案选CD。【例2】B当堂反馈：1D 2（1）C （2）由关系式和热化学方程式可知，生产1t 98%硫酸能放出热量9.83105kJ，则9.83105kJ -3.6105kJ=6.23105kJ，即可向外界输出高温6.23105kJ能量。（3）4
17、CuFeS2+13O2 4CuO+2Fe2O3+8SO2 （4）SO2 转化为SO3是正反应放热的可逆反应，随温度升高，平衡向逆反应方向移动，SO3物质的量减少，所以CuSO4的量减少（或温度升高，SO3物质的量减少，所以CuSO4的量减少）。3（1）M1+M2=（说明：其它合理解法也可以）（2）增大课后练习：1CD 2C 3D 4C 5A 6B 7B 8A 9D 10（1）450 在450时SO2的转化率明显高于550，且在该温度条件下催化剂的催化活性最大。（2）1 atm 该条件下SO2的转化率已高达97.5%，与加压时SO2的转化率相比相差无几，常压可节省动力，简化设备。（3）用水吸收S
18、O3易形成酸雾，吸收速率慢，效率低。（4）氨水 硫酸 2NH3+H2O + SO2= (NH4)2SO3 (NH4)2SO3+H2SO4= (NH4)2SO4+SO2+H2O 11（1）联合制碱法或侯德榜制碱法 化肥或电解液或焊药等（其他合理答案均给分）（2）NH3 + CO2 + H2O + NaCl NH4Cl + NaHCO3或 NH3 + CO2 + H2O NH4HCO3 NH4HCO3 + NaCl NaHCO3 + NH4Cl（3）CO2 （4）I 过滤 （5）稀硝酸和硝酸银溶液 （6）a、c12（1）由硫原子守恒可行关系式： SO2 CaSO42H2O 22.4L 172 g
19、11041030.2%L m(CaSO42H2O)103 可解得m(CaSO42H2O)153.6 kg （2）应用极端法进行推断可知，16.7g是Na2SO3 与NaHSO3的混合物。 设混合物中NaHSO3的物质的量为a , Na2SO3的物质的量 为b ，则 （质量守恒）及 a+ 2b = 0.2 mol （Na+守恒） 联解得a=0.1mol ,b=0.05mol （3）可借用数轴进行分析讨论：由反应式可知两个界点，n(SO2) / n(NaOH)=1/2和 n(SO2) / n(NaOH)=1 。反应 （） （）和（） （）产物 Na2SO3 Na2SO3 与NaHSO3 NaHSO3 1/2 1 讨论结果为xn(NaHSO3)0x1/201/2x1n(NaHSO3)=2 n(SO2)-n(NaOH)x1n(NaHSO3)=n(NaOH)