高中化学 第1单元课题1化工生产过程中的基本问题同步导学课件 新人教版选修2.ppt

课题1化工生产过程中的基本问题 1 了解生产硫酸的基本流程 2 了解生产中原料的选择 3 了解化学科学实验与化工生产的区别 4 注意生产中的三废处理 防止环境污染 一 依据化学反应原理确定生产过程1 化工生产与化学反应的关系化工生产是以为依据 以为基础的 任何生产的完成都要符合 2 确定化工生产反应原理与过程的一般方法对于某一具体的化工产品 研究生产过程要从产品的和考虑 来确定 3 确定化工生产反应原理与过程的案例研究 生产硫酸 1 原料 从h2so4的组成看 原料应该是自然界存在的含物质 如 主要成分是fes2 等 化学反应原理 实验室研究 化学反应规律 组成 化学 性质 原料和生产路线 硫 硫黄 黄铁矿 2 生产步骤 生产硫酸的主要化学过程可以分成 和so3转化为硫酸三个阶段 3 工业上制硫酸的基本生产原理 造气 以s为原料制备so2 反应方程式s o2so2 属反应 催化氧化 将so2氧化成so3 反应方程式 属反应 so3吸收 三氧化硫转化成硫酸 反应方程式so3 h2o h2so4 属反应 so2的 生成 so2转化为so3 放热 放热 放热 2so2 o2 二 生产中原料的选择1 在工业生产中 选择原料除依据外 还有许多因素需要考虑 如 能源 用水的供应能力 预处理成本及等 2 目前 世界大多数国家生产硫酸主要以为原料 我国主要是以为原料制硫酸的 化学反应原理 厂址选择 原料 工业 贮存 运输 环境保护 硫黄 黄铁矿 三 生产中反应条件的控制1 生产中反应条件的选择在化工生产中要通过反应条件的控制使和都比较理想 还要同时考虑和 2 硫酸工业生产中条件的选择二氧化硫催化氧化的条件是 常压 v2o5作催化剂 400 500 化学反应速率 反应物的转化率 控制某些反应 条件的成本 实际可能性 四 硫酸工业废气和废渣的处理1 尾气吸收生产硫酸的尾气中含有少量 可用吸收 然后再用硫酸处理 生成的so2可返回用作生产硫酸的原料 其化学反应方程式为 so2 石灰水 so2 ca oh 2 caso3 h2o caso3 h2so4 caso4 so2 h2o 2 废渣的利用用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中 排出的炉渣和矿灰 可作为 还可以用来提炼 还可以作为制造或用于 五 能量的利用硫酸工业充分利用废热的方法是 利用so2氧化为so3时放出的热量来预热即将参加反应的和 炼铁的原料 贵重的有色金属 水泥的原料 制砖 so2 o2 一 硫酸工业生产的原理与过程从综合效益出发 我国生产硫酸首先需要考虑哪些方面的问题 学生交流 提示 1 从基建投资 加工费用及环保方面考虑 用硫黄制硫酸优于用黄铁矿制硫酸 2 我国天然硫资源缺乏 而且开采条件比较复杂 3 我国黄铁矿储量比天然硫要大 4 硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短 设备简单 三废治理量小 劳动生产率高 易于设备大型化 5 由于原料多需进口 硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸略高等方面 分别写出以硫黄 黄铁矿为原料生产硫酸的各步反应原理 并指出目前硫酸生产中的原料是什么 工业生产硫酸分为几个生产阶段 对应的主要设备是什么 so3的吸收是直接用水还是98 的硫酸 为什么 学生交流 提示 三个生产阶段 造气 催化氧化 so3的吸收 三个主要设备 沸腾炉 造气 接触室 催化氧化室 吸收塔 实际生产中 并不直接用水吸收so3 而是用98 的硫酸吸收 这样可避免形成酸雾并提高吸收率 98 的硫酸吸收so3后形成了发烟硫酸 其中so3的含量可高达20 将发烟硫酸在水中稀释就能得到各种不同浓度的稀硫酸 2009年北京理综 以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下 4 每160gso3气体与h2o化合放出260 6kj的热量 该反应的热化学方程式是 5 吸收塔排出的尾气先用氨水吸收 再用浓硫酸处理 得到较高浓度的so2和铵盐 so2既可作为生产硫酸的原料循环再利用 也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的br2 so2吸收br2的离子方程式是 为测定该铵盐中氮元素的质量分数 将不同质量的铵盐分别加入到50 00ml相同浓度的naoh溶液中 沸水浴加热至气体全部逸出 此温度下铵盐不分解 该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全 测定浓硫酸增加的质量 部分测定结果 铵盐质量为10 00g和20 00g时 浓硫酸增加的质量相同 铵盐质量为30 00g时 浓硫酸增加的质量为0 68g 铵盐质量为40 00g时 浓硫酸的质量不变 计算 该铵盐中氮元素的质量分数是 若铵盐质量为15 00g 浓硫酸增加的质量为 计算结果保留两位小数 解析 1 黄铁矿的主要成分为fes2 同时根据质量守恒也可推出 2 接触室实现了so2氧化为so3的目的 3 a相当于增大接触面积 正确 b中增加o2的量可使平衡向生成so3的方向移动 提高so2的转化率 正确 c中催化剂只对反应速率有影响 对平衡无影响 错误 d中矿渣含大量fe2o3可用于炼铁 正确 5 so2 br2 2h2o h2so4 2hbr所对应的离子方程式是 so2 br2 2h2o 4h so42 2br 设naoh物质的量为x 10 00g铵盐中 nh4 2so4 nh4hso4物质的量分别为y z 则20 00g铵盐中 nh4 2so4物质的量分别为2y 2z 30 00g铵盐中 nh4 2so4 nh4hso4物质的量分别为3y 3z 40 00g铵盐中 nh4 2so4 nh4hso4物质的量分别为4y 4z y z均可能为0 由10 00g铵盐产生nh3与20 00g铵盐产生nh3相等 可得 1 5 0 064mol 0 096mol 故n nh4 0 03 2 0 096 mol 0 156mol 由于h 优先于oh 反应 故与nh4 反应的oh 为 0 232 0 096 mol 0 136mol 亦为产生nh3的量 故m nh3 0 136mol 17g mol 1 2 31g 点评 本题以工业生产硫酸为载体考查化学反应与能量变化及结合物质的量的简单计算 综合度高 难度大 考查综合能力 1 有关接触法制硫酸的叙述不正确的是 a 硫黄和硫铁矿均可作为生产原料b 将矿石粉碎 是为了提高矿石的利用率c 反应中通入过量的空气是为了提高fes2和so2的转化率d 从吸收塔出来的硫酸经浓缩后可以变成发烟硫酸 解析 a项 理论上 可转化成so2的任何含硫物质均可作为硫酸的生产原料 如s fes fes2 h2s等 但在生产实践中 应选取那些储量大 矿质品位高 资源丰富 便于开采和加工的矿物作为化工原料 综合分析 a正确 答案 d 二 硫酸工业so2接触氧化适宜条件的选择接触氧化的反应特点是什么 根据化学反应速率及平衡理论阐述so2接触氧化生成so3的适宜条件是什么 师生互动 提示 1 温度so2接触氧化是一个放热的可逆反应 根据化学平衡移动理论判断 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400 500 作为操作温度 这时反应速率和so2转化率都比较理想 2 压强so2接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应 根据化学平衡移动理论判断 加压对提高so2的平衡转化率有利 但是 在常压 400 500 时 so2的平衡转化率已经很高 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 接触氧化的适宜条件常压 较高的温度 400 500 和催化剂 2009届9月东北师大附中检测 工业制硫酸生产流程如下图 1 我国黄铁矿资源比较丰富 但很多工厂仍以硫黄为原料生产硫酸 理由是 2 在催化反应室 下列措施中有利于提高so2平衡转化率的有 a 升高温度b 减小压强c 不断补充空气d 及时分离出so3 3 在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施 至少答出两点措施 5 经检测生产硫酸的原料气成分 体积分数 为so27 o211 n282 在500 0 1mpa条件下达到平衡时 各种气体的体积比为v so2 v so3 v o2 v n2 0 46 6 54 7 73 82 则so2的利用率为 答案 1 黄铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多 处理成本高 2 cd 3 净化气体 控制温度在400 500 增大催化剂与反应气体的接触面积 4 在1atm和298k条件下 2molso2和1molo2完全反应生成2molso3 放出196kj热量 该反应为可逆反应 不可能进行完全 又因为反应温度为450 所以放出的热量小于196kj 5 93 4 点评 本题主要考查了工业生产硫酸的适宜条件及综合效益的提高 2 金属钾与金属钠的金属活动性相近 且钾比钠略强 当利用金属钾制金属钠时 发现钾与钠的共熔体难以分离 如调整温度到一定程度 则可用金属钠与氯化钾反应 制出金属钾 下面是四种物质的熔 沸点 根据平衡移动原理 可推知 用钠与氯化钾反应制金属钾的适宜温度是 a 97 8 770 b 770 774 c 850 d 1413 1500 解析 控制温度使k蒸馏出来而na不蒸馏出来 所以温度应在774 882 9 之间 答案 c 三 硫酸生产过程中三废的处理常说的工业三废指的是什么 学生交流 提示 废气 废液 废渣 硫酸工业生产过程中三废如何处理 师生互动 提示 三废处理方法 尾气吸收方法一 石灰水吸收法so2 ca oh 2 caso3 h2o caso3 h2so4 caso4 so2 h2o 方法二 氨水吸收法so2 2nh3 h2o nh4 2so3 nh4 2so3 h2so4 nh4 2so4 so2 h2o 污水处理利用不同化工生产过程中产生的污水所含的杂质不同 根据杂质的性质利用不同的化学方法进行处理 硫酸工业废水中常含有硫酸 常用石灰乳中和 ca oh 2 h2so4 caso4 2h2o 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 含铁高的矿渣经处理后可以炼铁 有的也可分离后循环利用或提炼贵重的有色金属或将用于铺路 下列废物处理方法中正确的是 a 化学实验中产生的二氧化硫废气可用浓硫酸吸收b 化学实验中产生的二氧化氮废气可用烧碱溶液吸收c 用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废渣可用于提取燃料d 用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废气可用于提取漂白剂 解析 二氧化硫在浓硫酸中的溶解度非常小 a项错误 二氧化氮可跟烧碱溶液发生化学反应2no2 2naoh nano2 nano3 h2o b项正确 黄铁矿本来就是无机矿物质 又经过高温煅烧后 废渣的主要成分是氧化铁 二氧化硅 氧化铝等 从中提取燃料是不现实的 c项错误 硫酸生产厂的废气中含有较高浓度的二氧化硫气体 二氧化硫可用作漂白剂 d项正确 答案 bd 点评 无论化学实验还是化工生产都要注意防止污染环境 3 2009届10月全国重点高中一模 工业上以硫铁矿为原料制硫酸所产生的尾气除了含有n2 o2外 还含有so2等对环境有较大影响的有害气体 能用于测定硫酸尾气中so2含量的是 a naoh溶液 酚酞试液b 石灰水 石蕊试液c 碘水 淀粉溶液d 氨水 酚酞试液 解析 测定so2含量必须要能跟so2反应 而且可以用颜色变化来准确确定反应终点 a项和d项虽然能反应 但a在完全生成na2so3时溶液还是碱性 没变色 而d在so2还没与氨水完全反应时就开始变色了 c项石灰水中所含溶质较少 且石蕊试液的颜色变化不明显 答案 c 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 近年来 各企业为了降低成本 竞相将硫铁矿制酸改为硫黄制酸 国际硫黄需求量的短缺也促使国内硫黄制酸装置纷纷下马 按2010年远景规划 我国将在云南和贵州兴建两个大型磷肥基地 自然增大了国内市场对硫酸的需求量 据估计 届时我国对硫黄的年进口将达4万万吨 我国也将成为世界最大的硫黄进口国 同时面对的风险也相应增大 硫酸生产污染严重 相比而言 以硫黄为原料则可使净化污水中不含砷 氟等杂质 易达到排放标准 但硫铁矿制酸毕竟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 尽量减少进口 降低对国际市场的依赖 提示 增加so2或o2的浓度 降低so3浓度 降低温度 因为反应物浓度越高 生成物浓度越低 反应正向移动 因为该反应放热 所以降低温度 平衡正向移动 虽然增大压强促进平衡正向移动 但是常压下该反应转化率已经很高 加压之后转化率提高很少 所以不需要增大压强 1 原创 在硫酸的工业制法中 下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是 a 硫铁矿燃烧前需将矿粒粉碎 这样易于向沸腾炉中投料b 炉气进入接触室之前需要净化 干燥 因为炉气中的杂质易与so2反应c so2氧化为so3时需使用催化剂 这样可提高so2的转化率d 接触室的反应温度控制在400 500 因为在这个温度范围内 反应速率和so2的转化率都比较理想 且催化剂的活性也较高 解析 题中所提到的对硫酸工业采取的措施叙述都是正确的 但硫铁矿进入沸腾炉之前粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积 使其燃烧得更快 更充分 从而提高硫铁矿的利用率 从沸腾炉出来的炉气必须净化干燥的目的是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒 使催化剂丧失活性 同时防止炉气中的水蒸气和so2生成酸而腐蚀管道 so2转化为so3时使用催化剂是为了缩短到达平衡的时间 但它并不能影响化学平衡的移动 并不影响so2的转化率大小 接触室控制反应的温度在400 500 这是综合考虑了催化剂活性 反应速率及so2的转化率等因素而确定的 故d项正确 答案 d 2 在硫酸工业生产中 为了有利于so2的转化 且能充分利用热能 采用了中间有热交换器的接触室 见右图 下列有关说法中错误的是 a 上端进入的气体温度较高 下端出来的气体温度较低 b 预热含有二氧化硫的混合气体 有利于接触氧化c a处流出的气体为so2和o2d 预热so3 有利于被浓硫酸吸收 解析 此题考查了工业生产h2so4的重要设备之一 接触室中气体的流向 so2和o2进入热交换器的管外时 虽具备合成温度 但无v2o5催化 不会生成so3 只有so2和o2 原料so2 o2从装置左侧中间进入热交换器 吸收热能后由a处流出再进入接触室发生反应 并放出大量的热 而热交换器的作用是把一部分热量交换给刚进入热交换器的原料气 然后由下端流入下一个装置 so3温度过高不易被吸收 所以下端出来的气体温度较低 这也是热交换器的作用之一 答案 d 3 飘尘是物质燃烧时产生的粒状漂浮物 颗粒很小 不易沉降 它与空气中的so2 o2接触时 so2会部分转化为so3 使空气的酸度增加 飘尘所起的作用可能是 氧化剂 还原剂 催化剂 吸附剂a b c d 解析 飘尘会吸附so2和o2 并催化该反应的进行 使之转化为so3 答案 d 4 下列关于硫酸工业综合经济效益的讨论中 叙述错误的是 a 充分利用三个反应放出的热能 来降低生产成本b 为了防止尾气的污染 用氨水吸收尾气c 硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区 远离硫酸消费中心d 生产过程中含有少量硫酸的污水 可用石灰乳中和处理 解析 硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区 远离硫酸消费中心 势必造成运输 环境污染等问题 答案 c 5 某次采集酸雨样品 每隔一段时间测定一次ph 得到数据如下表 请回答 1 该酸雨的类型最有可能是 硝酸型 还是 硫酸型 用序号填空 该污染物主要来源于 用序号填空 硝酸型 硫酸型 燃煤火力发电 工业生产硫酸 工业电冶铝 实验室制备二氧化硫 2 放置时 雨水样