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課題1 化工生產過程中的基本問題,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、空調的制冷劑氟氯代烴的排放等。,1．,2．,1．了解生產硫酸的基本流程。 2．了解生產原料的選擇。 3．了解化學科學實驗與化工生產的區(qū)別。 4．注意生產中的三廢處理，防止環(huán)境污染。,化工生產與化學反應的關系 化工生產是以_____________為依據(jù)，以___________為基礎的。任何生產的完成都要符合_____________。 確定化工生產反應原理與過程的一般方法 對于某一具體的化工產品，研究生產過程要從產品的____ _____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,原料和生產路線,確定化工生產反應原理與過程的案例研究——生產硫酸 (1)原料：從H2SO4的組成看，原料應該是自然界存在的含___ 物質，如____________ (主要成分是FeS2)等。 (2)生產步驟：生產硫酸的主要化學過程可以分成__________、_____________和SO3轉化為硫酸三個階段。 (3)工業(yè)上制硫酸的基本生產原理： 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轉化為SO3,放熱,2SO2＋O2,放熱,SO3＋H2O ===H2SO4,放熱,在工業(yè)生產中，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,生產中反應條件的選擇 在化工生產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．在生產中常用過量的空氣 B．在生產中常用過量的SO2 C．在生產中采用V2O5作催化劑 D．在生產中采用常壓 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)的綜合經濟效益，下列做法正確的是 ( )。 ①對硫酸工業(yè)生產中產生的廢氣、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。在實際生產中，選定400～500 ℃作為操作溫度，這時反應速率和SO2的轉化率都比較理想。 (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的平衡轉化率有利。但是，在常壓、400～500 ℃時，SO2的平衡轉化率已經很高，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的轉化率 C．使用催化劑能提高SO2的反應速率和轉化率 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，下列生產操作與說明生產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 質反應 C．SO2氧化為SO3時需使用催化劑，這樣可以提高SO2的 轉化率 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使催化劑中毒；催化劑只能提高反應速率，不能提高SO2的轉化率。 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 利用不同化工生產過程中產生的污水所含的雜質不同，根據(jù)雜質的性質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將其用于鋪路。,下列廢物處理方法中正確的是 ( )。 A．化學實驗中產生的二氧化硫廢氣可用濃硫酸吸收 B．化學實驗中產生的二氧化氮廢氣可用水吸收 C．用黃鐵礦作原料生產硫酸的過程中產生的廢渣可用于 提取燃料 D．用黃鐵礦作原料生產硫酸的過程中產生的廢氣可用于 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，又經過高溫煅燒后，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生出廢渣、又產生尾氣，這與綠色工業(yè)生產是相悖的。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，在收集產品時可將剩余反應物重新并入原料中，使生產過程帶有局部循環(huán)的特點，這是化工生產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，化工生產中應充分利用反應熱，這對于降低生產成本具有重要的意義：,在沸騰爐旁設置“廢熱”鍋爐，產生蒸汽來發(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,