2024-2025学年高中化学第一单元走进化学工业课题1化工生产过程中的基本问题学案新人教版选修2

PAGE9-课题1化工生产过程中的基本问题1．驾驭接触法制硫酸的化学反应原理，并了解其生产过程和几个典型设备。2．应用化学反应速率和化学反应的限度，分析并驾驭硫酸工业相宜条件的选择。3．了解防止硫酸工业“三废”造成污染和“废热”利用的初步学问。相识环境爱护与节约的意义，强化环保与节约意识。授课提示：对应学生用书第1页一、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化学反应原理为依据，以试验室探讨为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。2．确定化工生产反应原理与过程的一般方法对于某一详细的化工产品，探讨生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途。3．化工生产的案例探讨——生产硫酸(1)原料：从H2SO4的组成看，原料应当是自然界存在的含硫的物质，如硫黄、黄铁矿(主要成分是FeS2)等。(2)生产步骤：生产硫酸的主要化学过程可以分成SO2的生成、SO2转化为SO3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：①造气：以S为原料制备SO2，反应方程式S＋O2eq\o(=,\s\up7(点燃))SO2(属放热反应)。②催化氧化：将SO2氧化成SO3，反应方程式2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(450℃或△))2SO3(属放热反应)。③SO3汲取：三氧化硫转化成硫酸，反应方程式SO3＋H2O=H2SO4(属放热反应)。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应原理外，还有很多因素须要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应实力、贮存、运输、预处理成本及环境爱护等。2．目前，世界大多数国家生产硫酸主要以硫黄为原料，我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸的。三、生产中反应条件的限制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限制使化学反应速率和反应物的转化率都比较志向，还要同时考虑限制某些反应条件的成本和实际可能性。2．二氧化硫催化氧化条件的选择(1)温度条件：选择400～500_℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和二氧化硫的转化率都比较志向。(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，通常采纳常压操作。(3)催化剂：催化剂对化学平衡没有影响，但能变更到达平衡所需的时间。四、生产中的三废处理1．尾气汲取硫酸生产的尾气中含有少量SO2，可用Ca(OH)2汲取，使其生成CaSO3，再用H2SO4处理，生成SO2和CaSO4。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，可用石灰乳中和法处理。方程式为Ca(OH)2＋H2SO4=CaSO4＋2H2O。3．废渣的利用废渣可用来制砖或制造水泥，炉渣和矿灰可作为炼铁的原料。五、能量的充分利用硫酸生产过程中的三个反应都是放热反应，假如能充分利用这些热量，不但可以由硫酸厂自行供应能量，而且还可以向外界输出大量能量，可大大降低生产成本。授课提示：对应学生用书第2页要点一解读工业制备硫酸的过程1．三原料：硫铁矿(FeS2)、空气、水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(含肯定量的SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。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。2．三反应(1)4FeS2＋11O2=2Fe2O3＋8SO2(高温)(2)2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(加热))2SO3(催化剂，加热)(3)SO3＋H2O=H2SO43．三设备：(1)沸腾炉(2)接触室(3)合成塔4．三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流原理(1)化学平衡原理：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须要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的汲取创建了有利条件。(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。[例1]在接触法制硫酸的工业生产中，下列生产操作与说明这些操作的主要缘由都正确的是()A．黄铁矿煅烧前须要粉碎，因为大块黄铁矿不能燃烧B．从沸腾炉出来的炉气须要净化，这样可以提高产品的纯度C．SO2氧化为SO3时需运用催化剂，这样可以提高反应速率和SO2的转化率D．用质量分数为98.3%的硫酸汲取SO3，目的是防止形成酸雾，以便使SO3汲取完全[解析]将黄铁矿粉碎的主要目的是为了增大和空气的接触面积，可使其燃烧得更充分、更快，所以选项A操作正确，但说明错误；炉气净化的目的是防止炉气中的杂质和矿尘使催化剂中毒、失效，所以选项B操作正确，但说明错误；运用催化剂是为了提高反应速率，缩短反应完成的时间，但对反应物的转化率和产物的产率均无影响，所以选项C也是操作正确，但说明错误；选项D是正确的。[答案]D[方法规律]确定化工生产反应原理与过程的一般方法：对于某一详细的化工产品，探讨生产过程要从产品的化学组成和性质来确定原料和生产路途。①分析产品的化学组成，据此确定生产产品的主要原料；②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；③分析生产原料的性质，确定反应原理。1．在用接触法制硫酸的过程中，若将接触室内混合气体突然冷却到15℃，有白色晶体析出，此晶体是()A．硫酸酐B．固态氧C．硫黄D．亚硫酸酐解析：冷却到15℃，SO3将会成为固体，而SO2、O2仍是气体，硫黄虽是固体但在接触室中不行能有它的存在。答案：A要点二硫酸工业生产中反应条件的选择1．影响硫酸生产效率的因素分析(1)接触氧化的反应为：SO2(g)＋eq\f(1,2)O2(g)eq\o(,\s\up7(催化剂),\s\do5(△))SO3(g)ΔH＝－98.3kJ·mol－1。这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应，低温高压有利于SO3的生成。(2)从教材P6表1－1和表1－2可以看出，温度越低、压强越大，越有利于SO3的生成，但压强的影响不是很大。(3)综合考虑低温时有利于SO2的转化，但考虑催化剂活性，温度不能太低。高压有利于SO2的转化，但试验表明增大压强，SO2的转化率提高并不大，而且考虑设备、成本和能源消耗问题，压强不应很高，可以考虑常压。2．硫酸工业实际生产中条件的选择(1)温度：依据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采纳400～500℃的温度。(2)常压：依据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产采纳常压操作。(3)适当过量的空气：目的是提高SO2的转化率。(4)接触氧化的相宜条件：常压、较高的温度(400～500℃)和催化剂。[例2]工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将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为：SO27%，O211%，N282%)：0.10.511040099.299.699.799.950093.596.997.899.360073.785.889.596.4(1)已知SO2的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？________________________________________________________________________；(2)在400～500℃时，SO2的催化氧化采纳常压而不是高压，主要缘由是________________________________________________________________________；(3)选择相宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？________(填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？________(填“是”或“否”)；(4)为提高SO3汲取率，实际生产中用________汲取SO3；(5)已知：2SO2(g)＋O2(g)=2SO3(g)ΔH＝－196.6kJ·mol－1，计算每生产1万吨98%硫酸所须要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。[解析](1)依据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在0.1MPa下)上升温度(如由400℃上升到500℃)时，SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5%)，即上升温度时此化学平衡向逆反应方向移动，而上升温度化学平衡应当向吸热反应方向移动，所以此反应的正反应为放热反应。(2)依据表格中的数据可以得知：在0.1MPa(即常压1atm下)SO2的转化率已经很高，如在400℃时已达99.2%，若增大压强到10MPa(即100atm)，压强增大了100倍，但是SO2的转化率增大为99.9%，只增大了0.7%，变更不大。而压强增大100倍，须要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。(3)运用催化剂只能改变更学反应的速率，变更反应到达平衡的时间，不能使化学平衡发生移动，即对SO2的转化率不产生影响；而在肯定条件下，化学反应放出的热量与参与反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采纳98.3%的浓硫酸作汲取剂来汲取SO3的。因为若用水进行汲取会形成酸雾，将影响SO3的汲取速率和效率。(5)SO2→SO3→H2SO4～反应热eq\f(80g,mSO3)＝eq\f(98g,104×106g×98%)＝eq\f(196.6kJ/2,Q)解得：m(SO3)＝8.0×109g＝8.0×103t，Q＝9.83×109kJ。[答案](1)压强肯定时，温度上升，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本(3)否否(4)浓硫酸(5)9.83×109kJ[方法规律]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涉及外界条,件对化学反应速率和化学平衡的影响，又要考虑生产实际问题。在学习时应对合成二氧化硫的催化氧化的生产条件的选择充分理解、娴熟驾驭，并学会举一反三。2．下列说法正确的是()A．在设计化工生产的化学反应条件时，只要将化学反应的特点和化学反应理论相结合进行全面分析就没问题了B．在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应的速率很高，就不须要考虑催化剂的问题C．在现代工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的相宜条件是高温、高压和催化剂D．在2SO2＋O2eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(450℃))2SO3中，对“450℃”的选择，来自对反应物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应条件时，若化学反应速率过高而对生产不利时，就要考虑施加负催化剂的问题。答案：D要点三硫酸工业中多步反应的计算方法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．元素守恒法：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：FeS2～2H2SO4，S～H2SO4。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，二氧化硫转化率、三氧化硫汲取率均可折算成起始物FeS2(或S)进行计算。[例3]用含FeS278%的硫铁矿制硫酸，若煅烧时损失6%的硫，在接触氧化时又损失2%，求制得1t98%的浓H2SO4需这种矿石多少吨？[解析]每种化合物都有固定的组成，即每种化合物的组成元素的质量都有肯定的比例，当某一化合物损失a%时，其组分元素也必定损失各自的a%，反之亦然。由此可知接触氧化时硫损失2%，也就是接触氧化时FeS2的转化率为98%。设需硫铁矿的质量为x，涉及的有关化学反应方程式如下：4FeS2＋11O2eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe2O3＋8SO22SO2＋O2eq\o(,\s\up7(V2O5),\s\do5(△))2SO3SO3＋H2O=H2SO4依据各化学方程式中反应物和生成物之间的比例关系，可找出FeS2与每步反应中产物之间的关系式：4FeS2～8SO2～8SO3～8H2SO4简单得出这组连续反应的反应关系：FeS2～2H2SO4120t2×98tx·78%(1－6%)·(1－2%)1t×98%解之得：x＝0.83t。[答案]0.83t3．含硫48%的硫铁矿煅烧时FeS2损失2%，则下列说法不正确的是()A．该硫铁矿含FeS2也是48%B．硫损失也是2%C．铁损失也是2%D．该硫铁矿含FeS290%解析：该硫铁矿含FeS2为eq\f(120,64)×48%＝90%，故D项正确，而A项错误；煅烧时FeS2损失2%，则其中的铁和硫也都损失2%。答案：A授课提示：对应学生用书第4页1．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，采纳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，有利于被浓硫酸汲取解析：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，汲取热能后由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温度过高不易被汲取，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：D2．接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是()①尾气用氨水处理②污水用石灰乳处理③废渣用来造水泥、炼铁④设置废热锅炉产生蒸汽，供热或发电A．①② B．①③④C．①②③ D．①②③④解析：硫酸厂尾气中含有SO2，可用氨水汲取处理；硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸厂废渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、炼铁；由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。答案：D3．煅烧黄铁矿损失x%的硫，则FeS2的损失率与硫的损失率相比为()A．大于x% B．小于x%C．等于x% D．不能确定解析：由元素守恒可知硫的损失率应当与FeS2的损失率相等。答案：C4．下列关于硫酸工业综合经济效益的探讨中，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，用氨水汲取尾气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：C5．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2＋O22SO3ΔH<0，已知常压下平衡混合气体中SO3体积分数为91%。试回答：(1)在生产中常用过量的空气是为了____________________________________________________________________________________________________________________。(2)加热到400～500℃是由于________________