1、课题1 化工生产过程中的基本问题名师导航知识梳理1.化工生产过程中的基本问题（1）生产过程：化工生产以_为依据，以_为基础，任何生产的完成都要符合_规律。 如从原料到产品必须遵循元素种类守恒、元素原子个数守恒、氧化还原规律、能量守恒规律、化学_理论及化学_理论等。（2）原料选择：综合考虑_原理、_选择、原料、能源、工业用水、存贮、运输、预处理、环保等因素。（3）条件控制：根据_特征（如可逆性、热效应、体积变化等）、_原理（如能量守恒、质量守恒、化学平衡、化学反应速率）来综合考虑温度、浓度、压强、催化剂的使用及物质的聚集状态等。（4）三废处理：根据生产中的_、_及_的性质决定回收、吸收及无害化处
2、理排放等事宜。（5）能量利用：根据反应的_、热值、热容决定_、废热利用方式等。2.硫酸的工业生产（1）用三句话概括：燃烧硫或硫铁矿制；SO2在适当的温度和催化剂作用下氧化SO3；SO3与水转成H2SO4。（2）写出三个主要反应：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO22SO2+O22SO3SO3+H2O=H2SO4。（3）反应分为三个阶段：_；接触氧化；SO3吸收。（4）三种主要设备：_；接触室；吸收塔。（5）三种主要杂质：矿尘；砷与硒化合物；水蒸气。（6）三种净化方法：除尘；洗涤；干燥。（7）接触氧化的三个适宜条件：压强用_压；温度用_；催化剂用V2O5。（8）产生的三废：废气主要是；废水
3、主要含；废渣含铁量较高。（9）计算涉及到的三个关系式：FeS22SO2；SO2SO3；SO3H2SO4。知识导学 首先要明确化工生产过程中的问题很多，只有按照系统分析方法将各种问题进行罗列、判断、按主次、先后等关系联系起来，理出化工生产中真正的基本问题。其次掌握：（1）化工生产的依据：是化学反应原理，化学反应过程在化工生产中就是生产过程。（2）化工生产的龙头要素：首要即属原料的选择 ，收尾则是三废处理，其中的条件控制是化工生产的主题与关键，化工生产条件则主要包括温度、压强、催化剂使用、设备（材料与尺寸）。（3）能量利用特别是提高能量的利用率，环境保护作为可持续发展的另一个重要内容也成为化工生产
4、的重点之一。 硫酸的工业生产主要从原料的选择、基本生产原理、反应条件的控制、三废的处理四个方面来掌握。可以总结为八个“三”和一个“五”即“三原料”“三反应”“ 三设备”“三阶段”、净化“三步骤”、生产过程“三原理”（即平衡移动原理、热交换原理、逆流原理）、“三公式”（即原料利用率计算公式、化合物中某元素的损失率计算公式、物质的纯度计算公式）、工业上“三废”。一个“五”即五大污染（废水、废气、废渣、废热、噪声）。对于平衡移动的原理，要结合SO2在适当的温度和催化剂作用下氧化SO3的具体条件来理解。特别是八个“三”中的具体内容应重点掌握。疑难突破1.化工生产实际与化学科学实验的关系如何？剖析：首先
5、，化工生产以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础，任何生产的完成都要符合化学反应规律。所以，化学科学实验是化工生产的基础和依据，化工生产离不开化学实验，任何一个化工生产工艺都要在化学科学实验的基础上再进行小型及中等规模试验，经过论证和试运行后才能投入实际运行。另一方面，在科学实验中，为了探索某个问题或实现某反应，可以不惜代价进行。而化工生产则需多方考虑综合效益，既要按要求生产出某种化工产品，又要得到最大的利润，还必须注意环境保护的问题。不过现在的化学科学实验也正在向关注经济效益的方向发展，不过它仍然是一种模式和带有研究目的，并不能单纯以经济效益来衡量一个化学科学实验的优劣，更不能以经济效益来
6、考核化学科学实验项目。2制SO3是可逆反应，条件为何是常压，而不是高压？剖析：分析反应2SO2+O22SO3，H0 特征有：正反应为体积减小、放热的可逆反应。根据化学反应速率理论看增大压强可以提高反应速率；再从化学平衡的角度看高压有利于平衡向右移，即可以增大反应物的转化率，但由于该反应在常压及已有的条件下，转化率已经达到了较高的水平，如果再增大压强，势必要对设备、压力有较高要求，从经济效益看得不偿失，所以硫酸企业一般都选择常压作为生产条件。3.炉气的成分是什么？为什么要净化？如何净化？剖析：（1）从沸腾炉内出来的气体叫炉气。除SO2、O2、N2外，还含有水蒸气及砷、硒的化合物和矿尘等。（2）炉
7、气的净化：杂质和矿尘会使催化剂减弱或失去作用，这种现象叫催化剂中毒。因此，炉气在进入接触室之前，必须进行净化。矿尘、水蒸气和氮气除去后，可以节约能源和动力，也有较好的经济效益。（3）净化分为三步：除尘，除去矿尘；洗涤，除去砷、硒化合物；干燥，除去水蒸气。4.化工生产如何兼顾环境保护和综合效益？剖析：环境保护与企业综合效益并不是对立的，而是可以兼顾的，关键是要综合进行设计和策划，如：（1）硫酸生产中的废气可用氨气吸收生产的硫酸铵为肥料，SO2再送回制硫酸的设备中，作为制硫酸的原料。原理为：SO2+2NH3+H2O=（NH4）2SO3（NH4）2SO3+H2SO4=（NH4）2SO4+SO2+H2
8、O（2）废液用石灰乳中和，得到的石膏可以用于水泥等工业生产的原料：Ca（OH）2+H2SO4=CaSO4+2H2O。（3）废渣用来炼铁或制水泥。（4）硫酸生产中的每步反应都是放热反应，可用于自身生产硫酸中反应物的预热，还可向外界供热，用于发电或锅炉中。疑难导析 关键明确化学科学实验与化工生产实际是相辅相成的关系。一方面化学科学实验除了基础理论研究外，大部分实验最终都可能转化为化工生产技术。另一方面化工生产技术水平的提高也依赖于化学科学实验的进步，特别是在竞争越来越激烈的今天，更多的化工生产企业为提升自己的核心竞争力，将更多的资金和人力等资源投入到化学科学实验中，以获得更丰厚的生产利润，取得更为
9、有利的竞争地位。这也是“科学技术是第一生产力”的科学论断在化工生产领域中的一个十分真实的写照。 首先单从化学科学实验的角度看，根据平衡移动的原理，对SO2在适当的温度和催化剂作用下氧化SO3的反应，增大压强既可以增大反应速率，又可以增大反应物转化率，肯定是压强越大越好；其次从化工生产角度考虑还必须权衡增大压强以后它对设备、能源（设备需要使用耐压能力更强的材料，增大加压设备；增大压强需要动力支持）的影响，并比较两套方案的经济效益孰优孰劣，最后才能确定最有利的生产条件作为企业的选择。 关键搞清每个环节有哪些气体参加反应以及可能带进的气体成分。使用硫铁矿作为原料的硫酸厂，其炉气中除未反应彻底的SO2
10、和O2，还有原料空气带入的大量氮气，原料矿石中带入的杂质如砷、硒的化合物，还可能含有随原料进入的水分蒸发后形成的水蒸气。从这些气体可能造成的危害和经济效益两个方面考虑要对这些气体进行净化。 从环境保护角度考虑首先是要能够确保化工生产所产生的“三废”能够得到妥善的处理，不会对环境产生不利的影响，从综合利用的角度考虑，变废为宝，做到环境保护和经济效益双丰收，这就是更为有利的选择了。大多数环保工程设计的基本思路一是要确保能够消除污染，在此基础上，再综合考虑原料、能源、“三废”的综合利用，特别是可以做到化害为利，变废为宝的环保工程，则具有更好的社会效益和经济效益，越来越成为环保工程设计的潮流。问题探究
11、问题1：硫燃烧的主要产物中SO2，但也有少量的SO3产生，对于后一反应过程，温度的影响大于浓度的影响。若取一定质量的硫在两个容积相同分别装有相同体积的空气和纯氧的密闭容器中完全燃烧，混合气体中SO3的体积分数分别为a 和b，则a和b的关系如何?探究：在纯氧燃烧时，因氧气浓度大，反应速率快，单位时间放出热量多，使温度升高，而SO2氧化成SO3的反应是放热反应，平衡向SO3分解的方向移动，使SO3的含量降低，此时温度的影响大于浓度的影响，所以空气中燃烧硫所得的二氧化硫的含量更高一些。综合考虑分析盛有空气的密闭容器的体积分数高一些。问题2：MnO2和Zn是制造干电池的原料。电解法生产MnO2的传统工
12、艺主要流程是：软锰矿（主要成分是MnO2）加煤还原熔烧，用硫酸浸出熔烧料，浸出液经净化后电解，在阳极上析出MnO2。热还原法制锌的传统工艺为：闪锌矿（主要成分是ZnS）高温氧化脱硫再还原得锌。2ZnS+3O22ZnO+2SO2 2C+O22COZnO+COCO2+Zn 将所得的粗锌溶于硫酸，再电解硫酸锌溶液可生产纯度为99.9的锌。 20世纪90年代生产MnO2和Zn的新工艺是通过电解获得MnO2和Zn。 矿物ZnSO4，MnSO4溶液Zn+MnO2 试从环境保护和能量消耗的角度，评价20世纪90年代新工艺与传统工艺相比较有哪些优点。 探究：从本题的信息可知电解Zn的传统工艺与20世纪90年代
13、新工艺主要是反应条件、反应产物不同，前者的工艺条件是高温，需要消耗大量能源，且有污染环境的SO2产生；新法不需要高温焙烧，节约能源，对环境无热污染，也没有SO2对环境的污染。问题导思 主要根据两个化学反应理论来考虑。化学反应速率理论：增大反应物浓度和升高反应体系温度都有利于加快化学反应速率。 根据化学平衡理论：增大反应物浓度有利于平衡向右移动，而升温平衡则向吸热反应方向移动，在此即为向左移动。 综合温度和反应物浓度对化学反应速率与化学平衡的影响，比较这两个因素温度比浓度的影响程度更大，所以平衡向左移动。 对化工生产工艺进行评价是很复杂的过程，在中学阶段只是从理论上进行一些粗略的分析与讨论，而不
14、触及问题的细节。首先一个化工生产工艺的优劣可以从以下几个方面进行评价：（1）科学性：要符合化学反应规律及其他化学规律。（2）安全性：必须能保证安全生产，易燃易爆等危险品都有相应的安全保证措施。（3）可行性：设计的化工生产工艺不仅能在实验室顺利完成，也能够在工业生产线上稳定运行。（4）简约性：化工生产工艺要尽量简约，减少操作步骤和设备，以最小原料消耗和最简的工艺流程完成相同的工艺任务。 其次从环境保护的角度看：传统工艺产生的SO2可污染空气，而高温反应也不可避免地对周围环境造成热污染。 从能量消耗来看：新工艺不需高温焙烧，同时，一次电解得到两种产物，其综合效益并不是简单的加和关系。典题精讲【例1
15、】图1-1是现今常规的生产发烟硫酸和硫酸的流程简图。试回答：图1-1（1）在处投入的液态原料是什么？（2）在处发生1 500 的不完全燃烧，即先混入少量的干燥空气，然后再在处于700 下再发生继续燃烧。为何这种燃烧方式对环境保护是有利的？（3）在处SO2被催化氧化成SO3，为使SO3的产率高，该处应取等温过程还是绝热过程为宜？（4）为何二次催化炉是必需的？（5）处的气体混合物主要是N2和SO3，为什么气体混合物通过吸收塔后不立即通入二次催化炉？思路解析：先思考一下，在处投入原料是什么？由于它是一种液态的原料，不可能是硫铁矿，生产硫酸还可以以硫为原料，硫的熔点不是很高，可在加热时形成液体。液态硫
16、的温度较高，与空气混合后反应生成SO2，如在靠近进口处有大量的空气，会产生大量的SO2，逸散到空气中，对空气造成污染。SO2的催化氧化过程是一个气体体积减小、放热的可逆反应，升温不利于提高SO3的产率，因此在处可采用等温过程。可逆反应的特点是转化率不可能达到100%，二次催化炉是必需的，可将未反应的SO2继续反应氧化，使原料的利用率提高。在吸收塔处中SO3被浓硫酸吸收，由于SO3的浓度大，主要得到120%130%发烟硫酸。一部分未被吸收的SO3进入下一个吸收塔，得到99%的硫酸。通过两次吸收后，SO3几乎被完全吸收。答案：（1）硫磺。（2）如在靠近进口处有大量的空气，会产生大量的SO2，逸散到
17、空气中，对空气造成污染。（3）采用等温过程。（4）可使原料的利用率提高。（5）通过两次吸收后，SO3几乎被完全吸收。【例2】接触法制硫酸是先把SO2催化氧化为SO3，然后用水和浓硫酸吸收得到SO3。某工厂接触室出口气体中含N2、O2、少量SO2和10%（体积分数）的SO3。把出口气体送进吸收塔，使SO3转化成98%（质量分数）的H2SO4和发烟H2SO4H2SO4和SO3混合物，其中含20%（质量分数）的SO3。（1）设上述工厂只生产发烟H2SO4：算出1 000 m3 出口气体所需要的水的质量；算出每1 000 m3出口气体生产的发烟硫酸的质量。（2）设上述工厂只生产98%的H2SO4：算出
18、每1 000 m3出口气体所需要的水的质量；算出同时生产的98% H2SO4的质量。注：上述气体体积均转化为标准状况下的体积。（3）若该工厂同时生产发烟硫酸和98%硫酸（两种产物的质量比x=m1/m2，m1和m2分别是发烟硫酸和98%硫酸的质量）。导出数学表达式，用来描述每1 000 m3出口气体中所消耗水的质量同上述x间的关系。说明问题（1）和问题（2）中得到的有关数据是否符合你导出的数学表达式。思路解析：由题目所给数据可先求出1 000 m3出口气体中SO3的物质的量。发烟硫酸可表示为H2SO4xSO3，即（1+x）SO3H2O，已知SO3的质量分数是20%，求出x，进而得出结论。第二问与
19、第一问采取的解题步骤相似。第三问可利用第一问和第二问的数据，而且可用前面所得的数据验证关系式是否正确。解：（1）1 000 m3中含n（SO3）=4 464 mol，设此发烟硫酸为H2SO4xSO3，其中含20%的SO3，列式计算：100=20% x=0.306相应的化学方程式：1.306 SO3+H2O=H2SO40.306SO3设需用水M1，生成H2SO40.306SO3 M2由SO3H2OH2SO40.306SO34 464 mol 4 464 mol 4 464 molM1=4 464 mol18 gmol-1=6.15104 gM2=4 464 mol（98+0.30680） gmo
20、l-1=4.19105 g（2）98%的H2SO4中的H2SO4与H2O的物质的量之比为=1，因而98% H2SO4可写成：H2SO42OSO3+H2O=H2SO4H2O设1 000 m3出口气体需水m1，生成98%的H2SO4 m2，则m1=4 464 mol18 gmol-1=8.93104 gm2=4 464（98+18）gmol-1=4.46105 g（3）6.15104g+8.93104g=6.15104g+8.93104g若全部生成发烟硫酸，x，上式=6.15104 g；若全部生成98%的硫酸，x=0，上式=8.93104 g。答案：（1）6.15104 g，4.19105 g。（
21、2）8.93104 g，4.46105 g。（3）符合。【例3】 在标准状况下，SO2和O2混合气体500 mL，通过灼热V2O5层后，体积变为450 mL（恢复到原状况），将此450 mL气体通过NaOH溶液后，溶液增重0.985 g，问原混合气体中有SO2多少克?思路解析：SO2与O2的反应是可逆的，其中SO2的转化率不可能达到100。因此，溶液增重的质量是生成的SO3和剩余的SO2的总质量。从0.985 g中减去参加反应的O2的质量，即混合气体中SO2的质量。解：设有x mLSO2参加了反应，生成了y mLSO32SO2+O22SO3 V 2 1 2 1 x y 500 - 450=50
22、（ mL）解得：x =100 mL y=100 mL原混合气体中的SO2总质量为0.985-（80 g-64 g)=0.914 g。即,原混合气体中SO2的质量为0.914 g。答：0.914 g。典题导考绿色通道：了解化工生产的原理，用理论知识解释化工生产的操作过程，同时将环境保护与工业生产问题相联系。 任何复杂的问题解题时总有一个知识基础，离开基本内容去提高只能是建立空中楼阁，因此我们对课本上生产硫酸的流程要熟悉。由于题目所给的原料、设备以及生产过程与课本上介绍的都有很大的不同，必须具备一定的知识迁移能力。【典题变式1】观察图1-2，回答以下问题：图1-1-2（1）设备的名称是_，反应的化
23、学方程式是_。（2）图中标号处通入或放出的物质是：_；_；_；_。（3）在该设备里，矿石燃烧前要粉碎成细小矿粒的原因是_。（4）从设备里放出的气体必须经过、_处理后，才能进入下一个设备，其原因是_。 绿色通道：首先弄清发烟硫酸是将SO3溶于浓硫酸中所得到的一种化学工业品，它可以视为是浓硫酸与SO3的混合物，它的组成根据浓硫酸与SO3的比例不同也存在着较大的差异。围绕发烟硫酸这一概念，突出了化工生产和化学知识的应用，在计算中首先把发烟以H2SO4xSO3，即（1+x）SO3H2O通式表示，熟练掌握计算物质的量的有关计算的基本计算技能和有关守恒法用于化学计算中基本技能的应用即可求解此题。【典题变式
24、2】1.将三氧化硫溶解在浓硫酸中所得到的混合物称为“发烟硫酸”，通常以三氧化硫的质量分数表示其组成。今将0.118 5 g发烟硫酸试样溶于水，用0.125 molL-1的NaOH标准溶液滴定。用此标准溶液20 mL恰好中和，则试样中SO3的质量分数为（ ）A.15% B.17% C.34% D.60%答案：A2.H2SO4是SO3的水合物，设某种（90%）浓硫酸只存在三种水合物形式H2SO4（SO3H2O）、H2S2O7（2SO3H2O）、H2SO42H2O（SO33H2O），若SO33H2O的物质的量占一半，则H2SO4和H2S2O7物质的量之比约为（ ）A.11 B.98168 C.163
25、191 D.168191答案：A3.将SO3溶解在浓硫酸中所形成的溶液，由于挥发出的SO3与空气中的水蒸气形成小液滴而发烟，故称为发烟硫酸。通常以100%硫酸中含游离SO3的量表示不同浓度的发烟硫酸，发烟硫酸的组成可表示成xSO3yH2SO4或（x+y）SO3yH2O，现有1 L含SO3为30%（质量分数）的发烟硫酸（密度为1.95 gcm-3）要把它稀释成浓度为95%的浓硫酸，加水约多少克？4.为方便某些计算，有人将98%的浓硫酸表示成下列形式，其中合理的是（ ）A.H2SO4H2O B.H2SO4H2O C.H2SO4SO3 D.SO3H2O答案：AD5.固体A和B都是由两种相同元素组成，
26、在A、B中两种原子的个数之比分别为11和12。将A和B在高温下煅烧，产物都是固体C和气体D，由D最终可制得酸E。E的稀溶液和A反应时，生成气体G和F溶液， G通入D的溶液中有浅黄色的沉淀产生，该沉淀加热时又可转化为D。根据以上事实回答下列问题。（1）A的化学式是_；B的化学式是_。（2）写出下列反应的化学方程式：B煅烧生成C和D：_；G通入D的溶液中：_；在F中滴入溴水：_；A和E反应：_。答案：（1）FeS FeS2 （2）4FeS2+11O2=8SO2+2Fe2O3 2H2S+SO2=3S+2H2O 6FeSO4+3Br2=2Fe2（SO4）3+2FeBr3 FeS+H2SO4=FeSO4
27、+H2S 绿色通道：关于化学平衡的计算的基本方法是列出“始、转、平”三个量，然后用“变化量”与化学计量数建立比例关系进行计算。【典题变式3】 硫酸厂为保证正常生产，每小时需检验一次炉气中SO2的体积分数。方法是使炉气通过含淀粉的10 mL 0.05 molL-1碘溶液，使溶液的蓝色恰好消失，这时没有发生变化的剩余气体在标准状况下为101 mL。（1）写出反应的化学方程式:_。（2）炉气中SO2的体积分数为_。典题变式答案【典题变式1】 （1）沸腾炉，方程略 （2）硫铁矿 空气 炉气（N2、SO2、O2、水蒸气、杂质、如砷硒的化合物和矿尘） 矿渣 （3）增大矿石与O2的接触面积燃烧充分。（4）净化、干燥。除去水和有害杂质防止催化剂中毒【典题变式2】 1.A 2.A 3.240 g 4.AD【典题变式3】 （1）SO2+I2+2H2O=H2SO4+2HI （2）10%