高中化学工业.ppt

1、化工生产,设计和制作：童文琴,化工生产=化学反应原理+化学实验+化工技术,元素化合物知识、化学平衡,基本操作,原料：是否再生 价格 过程：循环利用 反应速率 转化率 能源：利用率 节约能源 环保：废气废水的处理,选择生产条件时主要考虑的几个因素,（1）尽可能提高反应混合物中所需物质的百分含量；,（2）尽可能缩短反应到达平衡所需要的时间；,（3）尽可能降低对耐高温设备所需材料的要求。,(4)符合绿色化学理念(一是注意环境保护 二是原子利用率接近百分之百),硫酸工业,生产原料,原理和方法,技术的发展,在我国，硫酸的年产量已超过800Mt，其中72%用硫铁矿作原料，其次是用硫磺（占16%）和冶炼废气

2、（占12%）为原料生产的。 硫磺是生产硫酸的优质原料。我国的天然硫资源很少，自从能从煤和石油的加工中回收硫磺后，陆续建立利用硫磺生产硫酸的工厂。 冶炼废气是冶炼有色金属时的废气，特别是硫化矿中的废气含有二氧化硫，含量可达5%以上。,1、硫铁矿的焙烧： 4FeS2+11O2 2Fe2O3+8SO2,沸腾炉,2、二氧化硫的催化氧化： 钒催化剂 2SO2+O2 2 SO3 400500,（放热的、体积缩小的可逆反应）,接触室,3、SO3的吸收：,吸收塔,SO3+ H2O H2 SO4,接触法,高温,接 触 法 制 硫 酸 小 结,硫铁矿粉碎,鼓入强大空气流,矿粉燃烧,沸腾炉,SO2,O2,净化处理,

3、催化氧化,接触室,SO3,热交换器,水 合,吸收塔,98.3%硫酸,高浓度硫酸,稀释,成品硫酸,硫酸厂要排放大量的废渣、废水、废气，严重污染环境。近20年来，对三废的治理已采取了一些有效的措施：利用废渣作建筑材料；采用封闭式流程，控制废水的排放；提高二氧化硫的转化率，达99.7%以上，防止吸收塔排放的尾气对空气的污染，等等。,硫酸生产过程中的几个主要反应都是放热的。包括硫铁矿的焙烧、二氧化硫氧化、三氧化硫吸收，每生产1吨硫酸，合计放热7.2*106kJ,折合电力2000度。,合成氨工业,1914年，第一次世界大战一开始，英国就从海上封锁德国从智利进口硝石。于是人们预言，德国得不到智利硝石，农田

4、将缺乏肥料，炸药工厂也将停产，那么德国最迟在1915年或1916年便要自动投降，可是1916年过去了，德国还在顽强的战斗，农田照样一派浓绿，前线的炮火反而更加猛烈。原来德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的化工原料:,氨,（NH3）,哈伯与合成氨,合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院

5、于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。,氨的合成以氮、氢两种气体为原料。,燃料（煤、焦碳、 液态石油烃、天然气、 石油炼厂气）,空气、水,CO、氢气 氮气,氢气、氮气 二氧化碳,氢气、氮气,勒沙特列（ Le Chatelier）原理 （平衡移动原理）, 如果改变 任一个影响平衡的条件（eg.c、p、T etc.），平衡就向着能够削弱这种改变的方向移动。,Henri Le Chatelier,高 温,高 压,高 压,低 温,使 用,不 影 响,合成氨,1.合成氨的适宜条件：,（1）压强：,2050MPa,（2）温度：,500,（3）催化剂：,铁触媒（以Fe为主体的多成分催化剂）,合成氨工业简述：

6、,原料：,空气、水、燃料,原料气的制备,净化,压缩,(防止催化剂中毒),合成,分离,液氨,N2、H2,智利硝石(NaNO3),缺氮的棉花,氮的固定：,把大气中的氮转化为氮的化合物叫做氮的固定。,包括：, 自然固定：豆科植物固氮、雷雨天产生NO气体；, 人工固定：合成氨等。,硝酸工业,在17世纪，人们用硫酸分解硝石来生产硝酸。,NaNO3+H2SO4 NaHSO4+ HNO3,20世纪初，曾利用电弧产生的高温模拟闪电，使空气中的氮和氧合成一氧化氮，再冷却吸收生成硝酸。,1913年后，由于合成氨的工业化，用氨为原料生产硝酸成为主要方法。,1、氨的催化氧化,PtRh 4NH3+5O2 4NO+6H2

7、O 800C,2、一氧化氮的氧化：2NO+O2 2NO2,二氧化氮的吸收：3NO2+H2O 2HNO3+NO,（这是一个放热的、气体体积缩小的可逆反应，降温、加压对反应有利。补充空气可使二氧化氮充分被水吸收。),4NO2+O2 +2H2O 4HNO3,设备：吸收塔,设备： 氧化炉,生产浓硝酸（98%）可用浓缩法： 使浓硫酸和稀硝酸混合（如49份50%的硝酸和51份98%的硫酸混合），在精馏塔内精馏，从塔顶可得到浓硝酸，塔底得到稀硫酸。稀硫酸蒸发浓缩后能循环使用。,思考：,若蒸馏过程中HNO3、H2SO4、H2O均无损耗，则蒸馏后得到的稀硫酸的浓度？,已知蒸馏前的投料比即硝酸和硫酸的质量比，若蒸

8、馏过程中水有损耗，则投料比应（增大、减小、不变）,计算,硝酸工业尾气中氮的氧化物（NO、NO2）是主要的大气污染物之一。可用以下方法进行治理： 2NO2+2NaOH NaNO2+NaNO3+H2O NO2+NO+2NaOH 2NaNO2+H2O 现有aL（STP）NO2（其中占体积分数20%的气体是N2O4）和bLNO的混合气体，恰好可被200m LNaOH溶液完全吸收。问：欲保证尾气全部被吸收，则a:b的值应控制在什么范围。 氢氧化钠溶液的物质的量浓度是多少？,氯碱工业,在化学工业中，由电解食盐水生产氯气和烧碱的工业，叫做氯碱工业。当烧碱过剩时，可用碳化法把烧碱转化为纯碱：2NaOH+CO2

9、 Na2CO3+H2O 当烧碱不足时，可用苛化法生产部分烧碱： Na2CO3+Ca(OH)2 CaCO3 +2NaOH 氢气是氯碱工业的副产品，常用于生产盐酸。 氯气主要用于生产聚氯乙烯等有机氯产品。,电解饱和食盐水反应原理,阴极： 阳极： 总反应：,2H+ + 2e- = H2,2Cl- -2e- = Cl2,上述装置的弱点：,1.H2和Cl2 混合不安全 2.Cl2会和NaOH反应，会使得到的NaOH不纯,1离子交换膜电解槽的简单构造如何?2离子交换膜的作用是什么?3工业制碱的简单生产流程怎样?,思考：,隔膜通常用石棉制成，将浆状的石棉纤维均匀的吸附在阴极网上。近年来，有些工厂在石棉浆中添

10、加聚四氟乙烯、聚多 氟二氯乙烯纤维来延长隔膜的使用寿命。 阴极材料一般用铁丝网或打铁的铁板制成。阳极过去主要用石墨板，它使用寿命短，降低电能的利用率。70年代后，我国的一些大厂陆续改用金属钛为基体的金属阳极。,离子交换膜法制烧碱,1、生产设备名称：离子交换膜电解槽 阳极：金属钛网(涂钛钌氧化物) 阴极：碳钢网(有镍涂层) 阳离子交换膜：只允许阳离子通过，把电解槽隔成阴极室和阳极室。 2、离子交换膜的作用： (1)防止氯气和氢气混合而引起爆炸 (2)避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量,3、生产流程,氯碱工业的原料是食盐。有海盐、湖盐（青海）、井盐（四川）、岩盐（湖北）。我国的氯

11、碱工业多建于沿海，所用食盐主要是海盐。 海盐中含有CaSO4、MgSO4、MgCl2等杂质，要净化制成饱和食盐水再电解。,思考,1、为什么要净化？ 2、如何净化？,1用什么方法除去泥沙？ 2用什么试剂除去Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-？ 3所用试剂只有过量才能除净这些杂质，你能设计一个合理的顺序逐一除杂吗？,思考：,粗盐水（Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-）,Ba2+ + SO42- =BaSO4,Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+,BaSO4,Ca2+ + CO32- = CaCO3 Ba2+ + CO32- =BaCO3,CaCO3 BaCO3,Mg2+、Fe3+、C

12、O32-,Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2 Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3,Fe(OH)3 Mg(OH)2,OH-、CO32-,精制食盐水,饱和食盐水的精制,杂质：泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-,加入BaCl2，除去SO42-，再加Na2CO3，以除去过量的Ba2+： Ba2+ SO42- =BaSO4 CO32-+ Ba2+ =BaCO3 加入Na2CO3溶液以除去Ca2+： Ca2+ + CO32-=CaCO3 加入NaOH溶液于除去Mg2+、Fe3+ ： Mg2+2OH-=Mg（OH）2 Fe3+ +3OH-=Fe（OH）3 再经过阳离子交换塔，用阳

13、离子交换树脂除去剩余的Ca2+、Mg2+等。,练习一：写出用碳棒作阳极，铁棒作阴极分别电解NaCl溶液、熔融的NaCl的电极反应式。 练习二：写出用铜棒或碳棒作阳极，铁棒作阴极分别电解CuSO4溶液电极反应式。,以氯碱工业为基础的化工生产,纯碱工业,知道纯碱的用途吗？,你,想一想？,获得纯碱的方法有哪些？,自然界中有纯碱吗？,内蒙古鄂尔多斯合同查汗淖碱湖,鄂尔多斯天然碱厂,纯碱即苏打，化学组成为Na2CO3。碳酸钠用途非常广泛。是一种重要的化工原料，虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得碳酸钠，但仍不能满足工业生产的需要。,盐湖,两种著名的制碱技术,(1)氨碱法制纯碱(索尔维制碱法) (2)联合制

14、碱法(侯氏制碱法),总原理相同:,两种著名的制碱技术,原料来源和副产物不同,历史,1810年法国物理学家福瑞斯奈尔用碳酸氢铵和食盐为原料制取纯碱：,NaCl+NH4HCO3 NaHCO3+NH4Cl,2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2,1859年,比利时化学家苏尔维利用他父亲煤气厂的副产品，发明了新的制碱法：,H2O+CO2+NH3 NH4HCO3 NH4HCO3+NaCl NaHCO3 +NH4Cl 2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2,氨碱法,（苏尔维法）,饱和食盐水,通氨气,氨盐水,过滤 洗涤,通CO2,碳酸氢钠,煅烧,纯碱（产品）,二氧化碳,滤液 NH4Cl NaCl

15、,加热,Ca(OH)2,氨（循环使用）,（循环使用）,废液CaCl2、NaCl,石灰石,煅烧,二氧化碳,CaO,Ca(OH)2石灰乳,氨碱法制纯碱原理（索尔维法）,氨碱法,优点,原料（食盐、石灰石）便宜,产品（纯碱）纯度高,副产品氨、二氧化碳可循环使用,步骤简单，适用于大规模生产,缺点,两种原料的成分里只利用了一半,食盐的利用率只有7274,侯德榜,侯氏制碱法的诞生,1921年10月侯德榜接受了永利碱业公司的聘请，毅然从美国启程回国，决心自己开发制碱新工艺， 经过600多次研究实验，分析了2000多个样品，历时5年，于1942年发明并创立了举世闻名的“侯氏制碱法”。,我国科学家侯德榜在研究了生

16、产的苏尔维法后，发明了侯氏制碱法： 在苏尔维法的滤液中加入固体食盐，就会析出氯化铵晶体，母液还能回到氨碱法生产中。,NaCl+NH3+CO2+H2O NaHCO3+NH4Cl,2NaHCO3 Na2CO3+H2O+CO2,饱和食盐水,通氨气,氨盐水,过滤 洗涤,通CO2,碳酸氢钠,煅烧,纯碱（产品）,二氧化碳,滤液 NH4Cl NaCl,加氯化钠细粉、通氨气,冷却、过滤、洗涤、干燥,氯化铵（产品）,（循环使用）,饱和NaCl（循环使用）,合成氨工厂,二氧化碳,氨气,氯化铵在低温、氯化钠浓溶液里的溶解度小,联合制碱法,食盐的利用率提高到96以上,综合利用了氨厂的二氧化碳和氨气,，生产出纯碱和氯化

17、铵。,“侯氏制碱法”流程图,侯先生用了5年做了600次实验才完成此设计。,侯德榜1890年8月9日出生于福建的一个农民家庭,就读于福州英华书院和沪皖两省路矿学堂，1910年考入清华留美预备学堂，1913年公费赴美留学，19171921年先后获得麻省理工学院化学工程学学士学位、哥伦比亚大学硕士学位和该校哲学博士学位。,我国民族化学工业的先驱,吴蕴初（18911953）江苏嘉定人，是位值得称道与世人尊敬的中国人，是位对中华民族做出过突出贡献的人物。,他的家业，谈不上富裕，连温饱也不足以保障；他开创实业时，几乎是一文不名。有的只是良好的素质与知识，这是他的全部资本，也是最可靠、最强大的资本。,天厨天

18、原天盛天利天山，如同化学的连锁反应方程式一般，互为动因与补充，形成一个完善的天字号系列，虽有先后之序，却在国内都是天字第一号的化学工业企业,酱油的鲜味主要就是来自于蛋白质发酵后分解产生的谷氨酸钠，但过去人们不知道这个道理，1866年，德国的雷特豪生教授利用硫酸与小麦中的麦胶蛋白分离制出了谷氨酸钠，但他并没有发现谷氨酸钠在饮食上的用途。,天字第一号：敬请国人入“天厨”,1908年，日本东京帝国大学的化学教授池田菊苗进行关于海带的研究，从海带中成功地提取了谷氨酸钠。同时他发现，只要在汤或菜中放入极少量的谷氨酸钠，便可使其味道鲜美至极。后来池田与铃木三郎助合作，研制成功了通过酵解大豆或小麦蛋白质制取

19、谷氨酸钠的方法，他们后为谷氨酸钠的商品起名为 “味素 ”。,1921年，中国的化工实业家吴蕴初发明了盐酸水解法，成功提取出谷氨酸钠，并为它起了一个中国式的名字 “味精”。,它是提炼自植物蛋白，是素的，却兼有鲜肉之美。佛门之徒，食素已惯，必更喜欢，乐于享用。佛在天堂，供佛所用的美味自也多集中于天堂之上。,佛手味精大量生产，自然所需原料也随之猛增，这也就越发显出原料的重要性了。吴蕴初制造味精的原料，主要是面筋，其次是盐酸。当时国内根本没有生产盐酸的厂家，国内用盐酸基本上靠进口，也基本上靠从日本进口，自是价格十分昂贵，日商也往往用以卡中国的民族企业。,天字二三号：请赴“天原”观“天盛”,不到一年的时间，天原厂于1929年正式投产了。日产盐酸两吨、液碱四吨、漂白粉三吨。这些产品与味精一样，在此前的中国是没有的，如果说有，那么天原电化厂就是第一个，为中国的化学工业的发展奠定了一个新起点,“天原