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2SO2O22SO3的转化率，会采用哪些措施？答案：增加反应
2、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
3、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：2SO2O2 2SO3为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率？其他条件不变，增大O2的浓度或
4、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)SO3SO3 (3)SO2的生成 SO2转化为SO32造气 催化氧化 吸收(1)S
5、O2 SO2 放(2)2SO2O22SO3 放(3)SO3H2O=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、1.400500 反应速率 二氧化硫的转化率2并不多 常压3没有影响自主思考提示：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。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 SO2Ca(OH)2=CaSO3H2O CaSO3H2SO4=CaSO4SO2H2O2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
6、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)SO2 SO2(4FeS211O2 2Fe2O38SO2)(2)2SO2O2 2SO3(3)SO3H2O=H2SO43三设备(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
7、。(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。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400500 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、400500 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
8、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(400500 )和催化剂。接触法制硫酸应注意：送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。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。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：_；_。(2)与现代以硫黄为主要原料生产
9、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FeSO47H2O，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FeSO47H2OFe2O3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FeSO47H2OFe2O3的完整的化学方程式。答案：(1)2FeSO47H2O Fe2O3SO2SO314H2OSO3H2O=H2SO4(2)FeSO47H2O中的硫元素仅有50%转化为SO3，原料利用率低
10、，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FeSO47H2OFe2O3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%)：(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400500 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
11、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1104 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。
12、(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)SO2SO3H2SO4
13、 反应热解得：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，反而会增加成本 (3)否 否 (4)浓硫酸 (5)m(SO3)8.0103 t，放出9.83109 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】
14、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 m3h1的速率通过V2O5的催化剂层后，与20 Lh1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21，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 m3h1的速率与20 Lh1 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
15、(按30天计算)可得到(NH4)2SO4的质量为多少？解析：(1)根据2SO2O2 2SO3，SO2和O2按21(体积比)的理论值反应，但实际上V(SO2)V(O2)0.2%10%150。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) 51030.2%v(NH3)20 Lh1(3)根据2SO2O22SO3，以及SO3H2O2NH3=(NH4)2SO4得关系式：SO2 2NH3 (NH4)2SO4224 L 132 g107 L0.2%30 m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.54106 g3.54 t答案：(
16、1)150。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) 51030.2%v(NH3)20 Lh1(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：SH2SO4，FeS22H2SO4。1 下列
17、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2SO2O22SO3中，对“450 ”的选择，来自对反应物性质和催化剂性
18、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 molL1的氢氧化钠溶液完全中和。原化合物中硫的质量分数为( )。A30% B36.4% C40% D53.3%答案:1B 三个化学反应都是放热反应；三个反应中只有SO2SO3需使用催化剂；SO3H2SO4在常温下进行，且是非氧化还原反应。2D 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。3C 采用关系式法。根据硫元素守恒知，SH2SO4；根据H2SO4和NaOH的中和反应可知，H2SO42NaOH，因此关系式：S 2NaOH1 mol 2 moln(S) 0.02 L0.5 molL1解得n(S)0.005 mol，w(S)100%40%。