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2019-2020年高中化學 1.1化工生產(chǎn)過程中的基本問題同步教案 新人教選修2 教學目標：1.了解生產(chǎn)硫酸的基本流程 2.了解生產(chǎn)中原料的選擇 3. 了解化學科學實驗與化工生產(chǎn)的區(qū)別。 4.注意生產(chǎn)中的三廢處理，防止環(huán)境污染 教學過程： [共同復習硫酸的用途.引入第一個大問題。] 一、依據(jù)化學反應原理確定生產(chǎn)過程 【師】硫酸是化學工業(yè)中的重要產(chǎn)品之一。首先硫酸大量用于化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)；在有機合成工業(yè)中，硫酸用于各種磺化反應和硝化反應，生產(chǎn)醚、酯、有機酸、也要消耗硫酸；在無機化學工業(yè)中，HF、H3PO4等的生產(chǎn)及K、Fe、Cu、Zn、Al的硫酸鹽的生產(chǎn)等，都要消耗硫酸；在冶金工業(yè)及國防工業(yè)中，如生產(chǎn)炸藥；石油工業(yè)、染料、人造纖維、食品、電池、搪瓷、醫(yī)藥、機械加工工業(yè)等許多部門，都要用到硫酸。既然需要這么多硫酸，那么怎樣制取呢？ 【師、生】1、應結(jié)合硫酸的組成和性質(zhì)，來確定原料和生產(chǎn)路線。經(jīng)分析可知，生產(chǎn)硫酸主要化學過程可分為二氧化硫的生成和二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫兩個主要階段。 2、其具體生產(chǎn)原理為 造氣：4FeS2(S) +11 O2 (g) 2Fe2O3 (s)+ 8SO2(g) 或S（S）＋O2（g）SO2（g） 二氧化硫的催化氧化：2SO2(g) + O2 (g) 2SO3(g) 三氧化硫的吸收：SO3 (g) + H2O() = H2SO4() 注意：工業(yè)上是用98.3%的濃硫酸來吸收SO3的，而不是直接用水或稀硫酸作吸收劑，原因是用后者吸收時容易形成酸霧，吸收速率慢。 3、工業(yè)制硫酸主要生產(chǎn)流程 參看P5圖1-2 ，造氣→凈化、干燥→催化反應室→吸收塔→稀釋室→貯存室 另外，還需要考慮原料的凈化、適宜反應條件及設備的選擇、廢熱的利用等。 二、生產(chǎn)中原料的選擇 1、我國生產(chǎn)硫酸需考慮的問題 （1）從基建投資、加工費用及環(huán)保方面考慮，用硫磺制硫酸優(yōu)于用黃鐵礦制硫酸。 （2）我國天然硫資源缺乏，而且開采條件比較復雜。 （3）我國黃鐵礦儲量比天然硫要大。 （4）硫黃制硫酸比黃鐵礦制硫酸生產(chǎn)流程短、設備簡單、三廢治理量小，勞動生產(chǎn)率高，易于設備大型化。 （5）由于原料多需進口，硫黃制硫酸成本比黃鐵礦制硫酸略高等等方面。 2、以FeS2為原料 第一步4FeS2(S) +11 O2 (g) 2Fe2O3 (s)+ 8SO2(g) 第二步2SO2(g) + O2 (g) 2SO3(g) 第三步SO3 (g) + H2O() = H2SO4() 3、 以硫磺為原料: 第一步S（S）＋O2（g）SO2（g） 第二步2 SO2（g）＋O2（g）2 SO3（g） 第三步SO3（g）＋H2O（）= H2 SO4（） 硫和黃鐵礦相比，因后者產(chǎn)生的廢棄物太多，處理成本太高，因此，目前硫酸生產(chǎn)中的三種原料為硫磺, 空氣,和水。 4、 生產(chǎn)規(guī)模和廠址的選擇 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)一般要求有較大的規(guī)模，便于采用先進的技術和設備以提高勞動生產(chǎn)率， 便于“廢熱”利用，便于環(huán)境保護，成本低。根據(jù)以上原則和我國國情，我國硫酸工業(yè)宜發(fā)展年產(chǎn)在4萬噸以上的制硫酸裝置。 三、生產(chǎn)中反應條件的控制 閱讀P6表1-1，結(jié)合二氧化硫催化氧化的反應特點： 反應方程式2 SO2（g）＋O2（g）2 SO3（g），屬放熱的可逆反應。 【師】是否溫度越低越有利于SO2 轉(zhuǎn)化為SO3 ？ 【生】選擇溫度：低溫(400~500C)，因為在此溫度范圍內(nèi)，反應速度和SO2的平衡轉(zhuǎn)化率都比較高。但應注意:工業(yè)生產(chǎn)中反應溫度的選擇往往還要考慮該溫度下催化劑的活性。 【師】閱讀P6表1-2,分析隨壓強的增大，SO2的轉(zhuǎn)化率怎么改變？是否壓強越高越好 ? 【生】應選擇壓強:常壓。原因是增大氣壓，SO2 的平衡轉(zhuǎn)化率提高并不多，但卻大大增大了動力和設備的要求，增大了生產(chǎn)成本和能量消耗。所以硫酸廠通常采用常壓操作。 【師】注意:工業(yè)生產(chǎn)中壓強的選擇，往往還要考慮成本和能量消耗等問題。 四、 生產(chǎn)中三廢的處理 1、 廢氣的組成：SO2,O2,N2。其中的SO2是形成酸雨的主要因素。 常用的處理方法——氨水吸收法 （1）SO2+2NH3+H2O==（NH4）2SO3 （2）（NH4）2SO3+H2SO4==（NH4）2SO4+SO2+H2O 或 用NH3H2O 書寫： 2NH3H2O+SO2 ===(NH4)2SO3+H2O (NH4)2SO3 +SO2+H2O=NH4HSO3 或用堿液（Na2CO3）吸收法： Na2CO3+SO2===Na2SO3+CO2 Na2SO3+SO2+H2O===2NaHSO3 處理后的產(chǎn)品也可進一步利用： （NH4）2SO4作化肥 ； SO2可循環(huán)利用，可作它用。 2、廢水的處理—石灰乳中和法 硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程中的污水常含有硫酸等酸性雜質(zhì)，一般用石灰乳中和處理： H2SO4+Ca（OH）2=CaSO4+2H2O 。 3、廢渣的利用 硫酸工業(yè)生產(chǎn)過程中黃鐵礦的礦渣一般用作制造礦渣水泥和礦渣磚，含鐵品位高的礦渣，經(jīng)處理后可用于煉鐵，如： Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2，有的也可分離后循環(huán)利用，提煉貴重的有色金屬，剩下的作鋪路用的瀝青。 學點五、能量的充分利用 1.生產(chǎn)1t硫酸需消耗100kwh的電能，硫酸生產(chǎn)的三個過程都是放熱反應，生產(chǎn)1t硫酸放出的反應熱相當于200kwh的電能。這些廢熱的利用，可以向外界輸出大量的能量，能大大降低生產(chǎn)成本 。 2.可以利用SO2氧化成SO3 時，放出的熱量用來預熱即將參加反應的SO2 和O2 。 3. 硫酸工業(yè)的能量循環(huán)（理論：放熱大于吸熱） 開動機器設備——電能 維持接觸室400-500度----熱能 4FeS 2+11O 2=2Fe 2O3+8SO 2 吸熱 2SO 2+O 2=2SO3 放熱 SO3+H 2O=H 2SO4 放熱 思考：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）旁設置蒸汽鍋爐進行發(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(jīng)濟效益。