202X高中化学第一单元走进化学工业1.1化工生产过程中的基本问题课件新人教版选修2

1、第一单元 走进化学工业课题1化工生产过程中的根本问题1.以硫酸生产为例以硫酸生产为例,能记住化工生产过程中应解决的根本问题。能记住化工生产过程中应解决的根本问题。2.会运用接触法制硫酸的化学反响原理会运用接触法制硫酸的化学反响原理,能记住其生产过程和典能记住其生产过程和典型设备。型设备。3.能记住防止硫酸工业能记住防止硫酸工业“三废造成污染的方法和三废造成污染的方法和“废热利用废热利用等知识。等知识。一二三四五一、依据化学反响原理确定生产过程1.化工生产与化学反响的关系化工生产依据化学反响原理符合化学反响规律根底实验室研究。2.确定化工生产反响原理与过程的一般方法对于某一具体的化工产品,研究生

2、产过程要从产品的化学组成和性质考虑,来确定原料和生产路线。3.确定化工生产反响原理与过程的案例研究生产硫酸(1)关于工业制硫酸的反响原理及过程需考虑的因素。分析产品的化学组成,据此确定生产该产品的主要原料。从H2SO4的组成看,原料应该是自然界存在的含硫物质,如硫黄、黄铁矿(主要成分是FeS2)等。一二三四五分析产品与生产原料之间关键元素的性质,确定主要生产步骤。H2SO4中S的化合价是+6价,因此先从S或FeS2得到SO3,再由SO3与H2O反响得到H2SO4。分析生产原料的性质,确定反响原理。生产H2SO4的主要化学过程可以分成SO2的生成和SO2转化为SO3两个阶段。一二三四五(2)工业

3、制硫酸的过程及反响原理。工业上制硫酸主要分造气、催化氧化和吸收三个阶段。以硫黄为原料制硫酸的反响原理用化学方程式表示为:一二三四五生产硫酸的方法为什么叫接触法?提示SO2和O2是在催化剂外表接触反响的,主要设备叫接触室。SO3的吸收是用水还是用98%的硫酸,为什么?提示实际生产中,并不直接用水吸收SO3,而是用98%的硫酸吸收。这样可防止形成酸雾并提高吸收效率。一二三四五二、生产中原料的选择1.在工业生产中,选择原料除依据化学反响原理外,还有许多因素要考虑,如厂址选择、原料、能源、工业用水的供给能力、贮存、运输、预处理本钱及环境保护等。2.目前,世界大多数国家生产硫酸主要以硫黄为原料,我国早期

4、主要是以黄铁矿为原料制硫酸的。一二三四五三、生产中反响条件的控制1.生产中反响条件的选择在化工生产中要通过反响条件的控制使化学反响速率和反响物的转化率都比较理想,还要同时考虑控制某些反响条件的本钱和实际可能性。2.硫酸工业生产中条件的选择对二氧化硫的催化氧化:(1)温度条件。选择400500 作为操作温度,因为在这个温度范围内,反响速率和二氧化硫的转化率都比较理想。 (2)压强条件。增大气体压强,SO2的平衡转化率提高得并不多,所以,通常采用常压操作。一二三四五(3)催化剂。催化剂对化学平衡没有影响,但能改变到达平衡所需的时间。对于反响2SO2+O2 2SO3:为什么降低温度和增大压强有利于提

5、高转化率?其他条件不变,增大O2的浓度或减小SO3的浓度对化学平衡有什么影响?提示根据平衡移动原理,降低温度和增大压强都使该化学平衡向正反响方向移动。增大O2的浓度或减小SO3的浓度都使该化学平衡向正反响方向移动。一二三四五四、生产中三废的处理1.尾气吸收硫酸生产的尾气中含有少量SO2,可用石灰水吸收,再用硫酸处理,从而得到含量较高的SO2,可返回用作原料。化学方程式为SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O,CaSO3+H2SO4 CaSO4+SO2+H2O。2.污水处理硫酸生产过程中的污水,含有酸性杂质,可用石灰乳进展中和处理。3.废渣的利用炉渣和矿灰可作为炼铁的原料,废渣还可作为制造水

6、泥的原料或用于制砖。一二三四五硫酸生产过程中的污水中含有酸性物质,为减小其对环境的危害应如何处理?提示可用碱性物质将其中和,如用石灰乳或纯碱处理废水。涉及的化学方程式为一二三四五五、能量的充分利用1.硫酸生产过程中的三个反响都是放热反响。2.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响的SO2和O2。你认为在硫酸工业中合理利用能源,可采取哪些措施?提示(1)在沸腾炉(造气炉)旁设置蒸汽锅炉进展发电。(2)在接触室(催化反响室)中设置热交换器,一方面预热反响原料气,另一方面使接触氧化后的气体降温到适宜温度。(3)在接触室(催化反响室)附近建造浴室,提高劳动福

7、利或创造经济效益。一二三一、工业制备硫酸的过程1.三原料工业上制硫酸所需的原料有硫(S)、空气、水。用硫黄作原料本钱低、对环境污染少。我国硫黄资源较少,在早期相当一段时间内,主要用黄铁矿(FeS2)作原料。一二三2.三反响三反响 3.三设备(以FeS2为原料) 一二三4.三原理三原理(1)化学平衡原理化学平衡原理:增大反响物间接触面积增大反响物间接触面积,能提高反响速率能提高反响速率;增大增大反响物浓度反响物浓度,能提高反响速率并使化学平衡向正反响方向移动能提高反响速率并使化学平衡向正反响方向移动,以以充分提高原料利用率。充分提高原料利用率。(2)热交换原理热交换原理:在接触室中生成的热量经过

8、热交换器在接触室中生成的热量经过热交换器,传递给进传递给进入接触室需要预热的混合气体入接触室需要预热的混合气体,为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫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。的吸收创造了有利条件。(3)逆流原理逆流原理:液体由上向下流液体由上向下流,气体由下向上升气体由下向上升,两者在逆流过程两者在逆流过程中充分反响。中充分反响。一二三二、SO2接触氧化适宜条件的选择1.温度SO2接触氧化是一个放热的可逆反响,根据化学平衡移动原理判断,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,反响速率低。在实际生产中,选定400500 作为操作温度,这时反响速率和S

9、O2的转化率都比较理想,而且催化剂的活性较高。2.压强SO2催化氧化是一个气体总体积减小的可逆反响,根据化学平衡移动原理判断,增大压强对提高SO2的转化率有利。但是在常压、400500 时,SO2的转化率已经很高,增大压强对设备的要求高,增大投资和能量消耗,故在实际生产中,通常采用常压操作。一二三3.适当过量的空气目的是提高SO2的转化率。综上所述,接触氧化的适宜条件是常压、较高温度(400500 )和催化剂。特别提醒接触法制硫酸应注意:送进沸腾炉的原料要粉碎成细小的矿粒。通入接触室的混合气体必须预先净化,防止催化剂中毒及水蒸气对生产和设备造成不良影响。吸收塔中用质量分数为98%的硫酸吸收SO

10、3,而不用水或稀硫酸,防止形成酸雾,使吸收速率减慢。一二三三、硫酸工业中连续多步反响的计算1.关系式法关系式法解题需要找准关系式,找关系式的一般方法是根据涉及的多步反响的化学方程式,依照质量守恒或电子守恒的原那么找出连续多步反响中元素的转化关系,如在用黄铁矿制硫酸时,根据转化过程中硫原子守恒的原那么可以找到这样的关系式:FeS22SO22SO32H2SO4或SSO2SO3H2SO4在工业制硫酸的有关计算中通常利用以上两关系式解题。一二三2.常见量的计算公式 (5)多步反响的总转化率=各步反响转化率的乘积 一二三特别提醒(1)一种化合物中,一种元素的转化率等于该化合物的转化率,例如在FeS2向S

11、O2转化的过程中,假设硫元素的转化率为99%,那么FeS2的转化率也为99%。(2)在同一个化学反响或多个相关联的化学反响中,具有个别元素质量守恒关系的反响物和生成物,反响物的转化率等于生成物的产率,例如在FeS2向SO2转化的过程中,FeS2的转化率必等于SO2的产率,在FeS2向H2SO4转化的过程中,FeS2的转化率等于H2SO4的产率。知识点1知识点2知识点3硫酸工业的生产原理【例题1】 硫酸最古老的生产方法是把绿矾装入反响器中加强热,会流出油状液体,并放出有刺激性气味的气体(SO2),反响器中的固体变为红色。(1)写出这种方法中绿矾转化为硫酸的两个化学方程式:; 。 (2)与现代以硫

12、黄为主要原料生产硫酸的方法相比,这种古老的生产硫酸的方法存在假设干缺乏,试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。知识点1知识点2知识点3解析：绿矾的化学式为FeSO47H2O,其中铁的化合价是+2、硫的化合价是+6。题中指出,加强热后容器内生成了红色固体,这说明有Fe2O3生成。在FeSO47H2O Fe2O3的变化中铁元素被氧化,那么必有+6价的硫元素被复原。在此根底上,运用质量守恒原理和氧化复原反响原理进展分析判断,即可写出FeSO47H2O Fe2O3的完整的化学方程式。(2)FeSO47H2O中的硫元素仅有50%转化为SO3,原料利用率低,生成的SO2污染环境,反响中易形成

13、硫酸酸雾。知识点1知识点2知识点3生产中反响条件的控制【例题2】 工业上生产硫酸时,利用催化氧化反响将SO2转化为SO3是一个关键步骤。压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数:SO2 7%,O2 11%,N2 82%):知识点1知识点2知识点3(1)SO2的氧化是放热反响,如何利用表中数据推断此结论? 。 (2)在400500 时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,主要原因是。 (3)选择适宜的催化剂,是否可以提高SO2的转化率?(填“是或“否)。是否可以增大该反响所放出的热量?(填“是或“否)。 (4)为提高SO3吸收率,实际生产中用吸收SO3。 (5):2SO2(g

14、)+O2(g) 2SO3(g)H=-196.6 kJmol-1,计算每生产1104 t 98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。知识点1知识点2知识点3解析：(1)根据表格中的数据可以看出,在一样压强下(如在 MPa下),升高温度(如由400 升高到500 )时,SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5%),即升高温度时,此化学平衡向逆反响方向移动,而升高温度,化学平衡应该向吸热反响方向移动,所以此反响的正反响为放热反响。(2)根据表格中的数据可以得知,在400 、 MPa时,SO2的转化率已经很高,假设增大压强到10 MPa,SO2的转化率只增大了0.7%,变

15、化不大。而压强增大100倍,需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高,即要增大本钱投入。(3)使用催化剂只能改变反响到达平衡的时间,不能使化学平衡发生移动,即对SO2的转化率不产生影响;而在一定条件下,化学反响放出的热量与参加反响的反响物的量成正比,因SO2的转化率不变,所以反响放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用98%的硫酸作吸收剂来吸收SO3的。因为假设用水或稀硫酸进展吸收会形成酸雾,将影响SO3的吸收速率和效率。知识点1知识点2知识点3(5)SO2SO3H2SO4反响热解得:m(SO3)=8.0109 g=8.0103 t,Q=9.83109 kJ。答案：(1)压强一定时,

16、温度升高,SO2转化率下降,说明升温有利于反响逆向进展,所以正反响为放热反响(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响,反而会增加本钱(3)否否(4)98%的硫酸(5)m(SO3)=8.0103 t,放出9.83109 kJ热量知识点1知识点2知识点3点拨(1)化工生产条件的选择是理论联系生产实际的一个重要应用,在选择生产条件时既要考虑外界条件对化学反响速率和化学平衡的影响,又要考虑生产实际问题。(2)催化剂只能改变可逆反响的化学反响速率,而不会使其平衡发生移动,故不能提高SO2的转化率及反响过程中放出的热量。(3)对于可逆反响,其热化学方程式中的焓变是指可逆反响进展到底的热效应,计算时根据方

17、程式列比例计算即可。知识点1知识点2知识点3硫酸工业中的多步计算题【例题3】 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)。为了进一步除去尾气中的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 m3h-1的速率通过V2O5的催化剂层后,与20 Lh-1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(气体的体积已转换为标准状况)。请答复以下问题:(1)按反响中的理论值,SO2和O2的体积比为2 1,但实际生产中尾气处理时这个比值是多少?为什么?(2)通过计算说明为什么尾气以5

18、 m3h-1的速率与20 Lh-1 速率的氨气混合?(3)假设该厂每天排放10 000 m3尾气,求该厂每月(按30天计算)可得到(NH4)2SO4的质量为多少?知识点1知识点2知识点3解析：(1)根据2SO2+O2 2SO3,SO2和O2按2 1(体积比)的理论值反响,但实际上V(SO2) V(O2)=0.2% 10%=1 50。根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度,可以提高较贵重的二氧化硫的转化率。SO22NH3(NH4)2SO4 L132 g107 L0.2%30m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.54106 t知识点1知识点2知识点3答案：(1)1 50。原因:根据化学平

19、衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度可使反响:2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)向生成三氧化硫方向移动,这样可以提高较贵重的SO2的转化率。(2)2NH3 SO221v(NH3) 5103 Lh-10.2%v(NH3)=20 Lh-1(3)3.54 t1 2 3 4 5 61以下对硫酸生产中化学反响原理的分析正确的选项是以下对硫酸生产中化学反响原理的分析正确的选项是()A.硫酸生产中涉及的三个化学反响因原料的不同可能全部是氧化硫酸生产中涉及的三个化学反响因原料的不同可能全部是氧化复原反响复原反响B.硫酸生产中涉及的三个化学反响都是放热反响硫酸生产中涉及的三个化学反响都是放热反响C.硫酸生产

20、中涉及的三个化学反响都需要使用催化剂硫酸生产中涉及的三个化学反响都需要使用催化剂D.硫酸生产中涉及的三个化学反响都需要在较高温度下进展硫酸生产中涉及的三个化学反响都需要在较高温度下进展解析：硫酸生产中涉及的三个化学反响都是放热反响解析：硫酸生产中涉及的三个化学反响都是放热反响;三个反响中三个反响中只有只有SO2 SO3需使用催化剂需使用催化剂;SO3 H2SO4在常温下进在常温下进展展,是非氧化复原反响。是非氧化复原反响。答案：答案：B 1 2 3 4 5 62以下说法中正确的选项是以下说法中正确的选项是()A.在设计化工生产的化学反响条件时在设计化工生产的化学反响条件时,只要将化学反响的特点

21、和化只要将化学反响的特点和化学反响理论相结合进展全面分析就没问题了学反响理论相结合进展全面分析就没问题了B.在设计化工生产的化学反响条件时在设计化工生产的化学反响条件时,假设化学反响的速率很高假设化学反响的速率很高,就不需要考虑催化剂的问题就不需要考虑催化剂的问题C.在现代在现代,工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、高压和催化剂高压和催化剂D.在在2SO2+O2 2SO3中中,对对“450 的选择的选择,来自对反响物来自对反响物性质和催化剂性质的综合考虑性质和催化剂性质的综合考虑解析：在设计化工生产的化学反响条件时解析：在设计化工生产

22、的化学反响条件时,假设化学反响速率很高假设化学反响速率很高而对生产不利时而对生产不利时,就要考虑施加负催化剂的问题。就要考虑施加负催化剂的问题。答案：答案：D1 2 3 4 5 63以下关于硫酸工业生产的说法中正确的选项是以下关于硫酸工业生产的说法中正确的选项是()A.建筑高烟囱建筑高烟囱,使尾气在高空扩散稀释使尾气在高空扩散稀释B.设置设置“废热锅炉废热锅炉,产生蒸汽来供热或发电产生蒸汽来供热或发电C.使用使用V2O5作催化剂作催化剂,提高提高SO2的转化率的转化率D.在吸收塔中在吸收塔中,直接用水吸收三氧化硫直接用水吸收三氧化硫解析：解析：A项不能从根本上处理尾气项不能从根本上处理尾气;C

23、项使用项使用V2O5不能提高不能提高SO2的的转化率转化率,只能加快反响速率只能加快反响速率;D项应该用项应该用98%的硫酸代替水吸收的硫酸代替水吸收SO3,可防止产生酸雾。可防止产生酸雾。答案：答案：B1 2 3 4 5 64硫酸工业中硫酸工业中,常用浓硫酸吸收三氧化硫常用浓硫酸吸收三氧化硫,而不用水来吸收的原因是而不用水来吸收的原因是()A.三氧化硫溶于浓硫酸三氧化硫溶于浓硫酸,不易溶于水不易溶于水B.用浓硫酸吸收三氧化硫速度虽慢用浓硫酸吸收三氧化硫速度虽慢,但损失三氧化硫少但损失三氧化硫少C.用水吸收易形成酸雾用水吸收易形成酸雾,吸收速度慢吸收速度慢D.用水吸收得到的不是纯硫酸用水吸收得到的不是纯硫酸解析：用解析：用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3可以防止形成酸雾并提高吸收率。可以防止形成酸雾并提高吸收率。答案：答案：C1 2 3 4 5 65近年来近年来,我国大局部地区经常出现严重的雾霾天气我国大局部地区经常出现严重的雾霾天气,环境保护引起环境保护引起了公众广泛的关注。治理工业了公众广泛的关注。治理工业“三废三废,保护环境最主要的方法是保护环境最主要的方法是()A.关闭污染严重的工厂关闭污染严重的工厂B.把把“三废深埋三