高中化学 2.3 硫酸工业教案2 苏教版选修2.doc

硫酸工业本单元是在已经学习了合成氨、氯碱工业等化工生产知识的基础上，学习化工生产的最后一部分内容。本单元学习重点：接触法制硫酸的化学原理和关于硫酸工业综合经济效益的讨论。本单元学习难点：接触氧化工艺条件的讨论。一、接触法制硫酸的原理、过程及典型设备1三种原料：硫铁矿（fes2）、空气、水。利用接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的so2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少.但我国硫黄资源较少,主要用黄铁矿（主要成分为fes2）作生产硫酸的原料。2三步骤、三反应：（1）4fes2 +11o2=2fe2o3+8so2（高温）（2）2 so2+o22so3 （催化剂，加热），（3）so3 +h2o =h2so43三设备：（1）沸腾炉（2）接触室（3）合成塔(吸收塔)4三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流原理。（1）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，传递给进入接触室的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。（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。接触法制硫酸的原理、过程及典型设备三原料三阶段三反应（均放热）三设备三净化黄铁矿或s造气4fes2+11o2=2fe2o3+8so2（高温）或s+o2=so2沸腾炉除尘空气接触氧化2 so2 +o22so3 （催化剂）接触室（含热交换器）洗涤98.3%浓硫酸三氧化硫吸收so3+h2o =h2so4吸收塔干燥接触法制硫酸示意图：5应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的、放热的反应。（1）温度 400500作为操作温度，这时反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想。（2）压强 根据化学平衡理论判断，加压对反应有利。但是，在常压、400500时，二氧化硫的转化率已经很高，加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，故在实际生产中，通常采用常压操作，并不加压。（3）二氧化硫接触氧化的适宜条件 常压、较高温度（400500）和催化剂6接触法制硫酸中应注意的几个问题（1）依据反应物之间的接触面积越大反应速率越快的原理，送进沸腾炉的矿石要粉碎成细小的矿粒，增大矿石跟空气的接触面积，使之充分燃烧。（2）依据增大廉价易得的反应物的浓度，使较贵重的原料得以充分利用的原理，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧。（3）通入接触室的混合气体必须预先净化，其原因是：炉气中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。砷、硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒；水蒸气对生产和设备有不良影响。因此，炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。（4）在接触室里装有热交换器，其作用是在二氧化硫接触氧化时，用放出的热量来加热未反应的二氧化硫和空气，充分利用热能，节约燃料。 （5）不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的浓硫酸，若用水或稀硫酸吸收，容易形成酸雾，且吸收速度慢。二、有关计算1物质纯度、转化率、产率的计算（1）物质纯度（%）=不纯物质中含纯物质的质量不纯物质的总质量100%（2）原料利用率（%）=实际参加反应的原料量投入原料总量100%（或转化率）（3）产率（%）=实际产量理论产量100%（4）化合物中某元素的损失率=该化合物的损失率2多步反应计算（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）元素守衡法：找出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。找出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，如： fes22h2so4， sh2so4。若已知（欲求）fes2含量，用前面的关系式，若已知（欲求）s的含量，用后一关系式，且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物fes2（或s）进行计算。例1在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：2so2(g)+o2(g) 2so3(g)；h=-196.6kj/mol（1）该反应在_（设备）中进行，这种生产硫酸的方法叫做_。（2）在实际生产中，操作温度选定400500，这是因为_。（3）硫酸工业选定压强通常采用_，作出这种选择的依据是_。例2接触法制硫酸的炉气组成是so2占7%，o2占11%，n2占82%，现有100l混合气体进入接触室反应后，总体积变为97.2l。则该变化过程中so2转化率是（a）50% （b）60% （c）70% （d）80%例3在下面的框图中，固体a和b都由两种相同的元素组成。在a、b中两种元素的原子个数比分别为1/1和1/2。由d最终可制得e（酸）。（1） 分析判断a和b 各是什么物质，写出各自的化学式。（2）写出各步反应的化学方程式。例4将so2和o2以体积比为1：3混合后，通入接触室发生反应2so2(g)+o2(g) 2so3(g)， 达平衡时，在同温、同压下测得反应前与反应后混合气体的密度之比为71：80。求so2的转化率？并回答so2接触氧化为so3时不采取加压措施的原因。例5为了防治酸雨，减少煤燃烧时向大气排放的so2，工业上通过生石灰和含硫的煤混合使用可以“固硫”（避免硫化合物进入大气），最后生成石膏。试回答：（1）整个“固硫”反应所涉及的反应类型包括：化合分解置换复分解氧化还原反应非氧化还原反应离子反应非离子反应（分子反应）。其中正确的是a b c d（2） 第一步“固硫”反应的化学方程式中所需气态物质的化学计量数之和为a1 b 2 c3 d4（3）比较此法与“石灰石粉末与含硫煤混合”法哪个更好些?为什么?（4）你认为减少酸雨产生可采取的措施是少用煤作燃料把工厂的烟囱造高 先将燃料煤脱硫 在土壤中加石灰防止酸化 开发新能源,避免含s、n的氧化物大量排放a b c d例6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 m3/h的速率通过v2o5的催化剂层后，与20 l/h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2:1，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 m3/h的速率与20 l/h速率的氨气混合？（3） 若该厂每天排放10000 m3尾气，求该厂每月（按30天计算）可得到(nh4)2so4的质量为多少？例7含fes265%的硫铁矿在煅烧时有1.8%的硫损失而混入炉渣，二氧化硫转化为三氧化硫的利用率为99%。由这种硫铁矿制2t98%的硫酸，需硫铁矿多少吨？例8某设计院承担某硫酸厂的设计任务，该厂要求：为了控制污染和提高生产效率，不再使用黄铁矿，改用固体硫为原料。改二次送风（鼓入空气）为一次送风，即送风后使硫充分燃烧，并在下一步催化氧化时不再补充空气。每天生产50t98%的硫酸。送风机每天输送空气的体积为5000m3/台（标准状况）。（1）每天消耗含95%的固体硫多少吨？（2）理论上应安装多少台送风机？（3）固体硫充分燃烧后的混合气体中氧气的体积分数（o2）的下限为多少？（4）实际安装送风机的台数应略多于理论数（不考虑损坏），为什么？能否过分增加送风机的台数，为什么？（转化过程不考虑损耗；固体硫中杂质与空气不反应；空气中氧气的体积分数为21%）。三、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（1）注意科学实验与实际生产的区别在科学实验中，为了探索某个重要的原理或实现某个重要的反应，可以不惜大量的时间和资金。而化工生产必须在遵循科学原理、实现某个反应的基础上，着重考虑综合经济效益，最大限度地提高劳动生产率、降低成本、保护生态环境，为国民经济部门提供质优价廉的化工产品，以达到优质高效的目的。（2）硫酸生产中的“三废”处理硫酸厂的尾气必须进行处理，因为烟道气里含有大量的二氧化硫气体，如果不加利用而排空会严重污染空气。1) 尾气吸收 用氨水吸收，再用h2so4处理：so2+2nh3+h2o=(nh4)2so3 (nh4)2so3+h2so4=(nh4)2so4+so2+h2o用na2so3溶液吸收：na2so3+so2+h2o=2nahso3用naoh溶液吸收，再用熟石灰和o2处理；（此方法反应复杂，还可能发生其他反应）so2+ naoh = nahso3 naoh +nahso3= na2so3+ h2ona2so3+ca(oh)2= caso3+ 2naoh2 caso3 + o2= 2caso42)污水处理硫酸厂废水中含硫酸，排放入江河会造成水体污染。通常用消石灰处理：ca(oh)2+ h2so4=caso4+2h2o。生成的硫酸钙可制建材用的石膏板。3)废热利用硫酸工业三个生产阶段的反应都是放热反应，应当充分利用放出的热量，减少能耗。第一阶段黄铁矿燃烧放出大量的热，通常在沸腾炉处设废热锅炉，产生的过热蒸汽可用于发电，产生的电能再供应硫酸生产使用（如矿石粉碎、运输，气流、液流等动力用电）。第二阶段二氧化硫氧化放热可用于预热原料气，生产设备叫热交换器，原料气又将三氧化硫降温，再送入吸收塔。4）废渣的利用黄铁矿的矿渣的主要成分是fe2o3和sio2，可作为制造水泥的原料或用于制砖。含铁量高的矿渣可以炼铁。工业上在治理“三废”的过程中，遵循变“废”为宝的原则，充分利用资源，以达到保护环境的目的。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，这对于降低成本具有重要意义。硫酸厂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源。在硫酸生产过程中使用的热交换器就是利用了反应所放出的热量来加热二氧化硫和氧气的混合气体，以节约能源。3生产规模与厂址选择（1） 化工厂选址的因素一般来说，现代化工生产要求有较大的生产规模。化工厂厂址选择是很复杂的问题，涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素，应对这些因素综合考虑，权衡利弊，才能作出合理的选择。化工厂厂址选择一般应考虑下列因素：是否有市场需求；是否接近原料供应地；土地供应是否充足；水源是否充足；能源是否充足且廉价；交通运输是否方便；能否达到环境保护要求。上述这些因素必须在遵循科学原则的基础上，着重考虑综合经济效益，即要求最大限度地提高劳动生产率，降低成本，保护生态环境。（2） 硫酸厂选址的因素由于硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的地区，工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少决定；硫酸厂厂址应远离水源和河流的上游，以免工厂的污水污染水源；也不要设置在城镇和居民区盛行风向的上风地带，以免工厂排放的大量烟尘和有害气体污染城镇的水源和大气等。例9“绿色化学”要求从技术上、经济上设计可行的化学反应，使其尽可能减少对环境的负作用。下列化学反应中，不符合绿色化学概念的是a用氨水吸收硫酸厂的尾气：so2+2nh3+h2o=(nh4)2so3b除去硝酸工业尾气中的氮氧化合物：no2+no+2naoh=2nano2+h2oc.制硫酸铜：cu+2h2so4=cuso4+so2+2h2od制硫酸铜：2cu+o2=2cuo cuo+h2so4(稀)=cuso4+h2o例10随着社会的进步和人民生活水平的提高，环境问题越来越受到人们的关注。下列名词中与环境问题无关的是温室效应 赤潮 酸雨 光化学烟雾 臭氧空洞 潮汐 大脖子病 富营养化 白色污染a b c d例11已知氢氧化钙在水中存在下列溶解平衡：ca(oh)2(s) ca2+2oh-。在火力发电厂燃烧煤的废气中往往含有二氧化硫、氧