2018高中化學(xué) 第一單元 走進化學(xué)工業(yè) 1.1 化工生產(chǎn)過程中的基本問題課件 新人教版選修2.ppt

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第一單元走進化學(xué)工業(yè) 課題1化工生產(chǎn)過程中的基本問題 1 以硫酸生產(chǎn)為例 能記住化工生產(chǎn)過程中應(yīng)解決的基本問題 2 會運用接觸法制硫酸的化學(xué)反應(yīng)原理 能記住其生產(chǎn)過程和典型設(shè)備 3 能記住防止硫酸工業(yè) 三廢 造成污染的方法和 廢熱 利用等知識 一 二 三 四 五 一 依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理確定生產(chǎn)過程1 化工生產(chǎn)與化學(xué)反應(yīng)的關(guān)系化工生產(chǎn)依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律基礎(chǔ)實驗室研究 2 確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過程的一般方法對于某一具體的化工產(chǎn)品 研究生產(chǎn)過程要從產(chǎn)品的化學(xué)組成和性質(zhì)考慮 來確定原料和生產(chǎn)路線 3 確定化工生產(chǎn)反應(yīng)原理與過程的案例研究 生產(chǎn)硫酸 1 關(guān)于工業(yè)制硫酸的反應(yīng)原理及過程需考慮的因素 分析產(chǎn)品的化學(xué)組成 據(jù)此確定生產(chǎn)該產(chǎn)品的主要原料 從H2SO4的組成看 原料應(yīng)該是自然界存在的含硫物質(zhì) 如硫黃 黃鐵礦 主要成分是FeS2 等 一 二 三 四 五 分析產(chǎn)品與生產(chǎn)原料之間關(guān)鍵元素的性質(zhì) 確定主要生產(chǎn)步驟 H2SO4中S的化合價是 6價 因此先從S或FeS2得到SO3 再由SO3與H2O反應(yīng)得到H2SO4 分析生產(chǎn)原料的性質(zhì) 確定反應(yīng)原理 生產(chǎn)H2SO4的主要化學(xué)過程可以分成SO2的生成和SO2轉(zhuǎn)化為SO3兩個階段 一 二 三 四 五 2 工業(yè)制硫酸的過程及反應(yīng)原理 工業(yè)上制硫酸主要分造氣 催化氧化和吸收三個階段 以硫黃為原料制硫酸的反應(yīng)原理用化學(xué)方程式表示為 一 二 三 四 五 生產(chǎn)硫酸的方法為什么叫接觸法 提示SO2和O2是在催化劑表面接觸反應(yīng)的 主要設(shè)備叫接觸室 SO3的吸收是用水還是用98 的硫酸 為什么 提示實際生產(chǎn)中 并不直接用水吸收SO3 而是用98 的硫酸吸收 這樣可避免形成酸霧并提高吸收效率 一 二 三 四 五 二 生產(chǎn)中原料的選擇1 在工業(yè)生產(chǎn)中 選擇原料除依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理外 還有許多因素要考慮 如廠址選擇 原料 能源 工業(yè)用水的供應(yīng)能力 貯存 運輸 預(yù)處理成本及環(huán)境保護等 2 目前 世界大多數(shù)國家生產(chǎn)硫酸主要以硫黃為原料 我國早期主要是以黃鐵礦為原料制硫酸的 一 二 三 四 五 三 生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制1 生產(chǎn)中反應(yīng)條件的選擇在化工生產(chǎn)中要通過反應(yīng)條件的控制使化學(xué)反應(yīng)速率和反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率都比較理想 還要同時考慮控制某些反應(yīng)條件的成本和實際可能性 2 硫酸工業(yè)生產(chǎn)中條件的選擇對二氧化硫的催化氧化 1 溫度條件 選擇400 500 作為操作溫度 因為在這個溫度范圍內(nèi) 反應(yīng)速率和二氧化硫的轉(zhuǎn)化率都比較理想 2 壓強條件 增大氣體壓強 SO2的平衡轉(zhuǎn)化率提高得并不多 所以 通常采用常壓操作 一 二 三 四 五 3 催化劑 催化劑對化學(xué)平衡沒有影響 但能改變到達平衡所需的時間 對于反應(yīng)2SO2 O22SO3 為什么降低溫度和增大壓強有利于提高轉(zhuǎn)化率 其他條件不變 增大O2的濃度或減小SO3的濃度對化學(xué)平衡有什么影響 提示 根據(jù)平衡移動原理 降低溫度和增大壓強都使該化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動 增大O2的濃度或減小SO3的濃度都使該化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動 一 二 三 四 五 四 生產(chǎn)中三廢的處理1 尾氣吸收硫酸生產(chǎn)的尾氣中含有少量SO2 可用石灰水吸收 再用硫酸處理 從而得到含量較高的SO2 可返回用作原料 化學(xué)方程式為SO2 Ca OH 2CaSO3 H2O CaSO3 H2SO4CaSO4 SO2 H2O 2 污水處理硫酸生產(chǎn)過程中的污水 含有酸性雜質(zhì) 可用石灰乳進行中和處理 3 廢渣的利用爐渣和礦灰可作為煉鐵的原料 廢渣還可作為制造水泥的原料或用于制磚 一 二 三 四 五 硫酸生產(chǎn)過程中的污水中含有酸性物質(zhì) 為減小其對環(huán)境的危害應(yīng)如何處理 提示可用堿性物質(zhì)將其中和 如用石灰乳或純堿處理廢水 涉及的化學(xué)方程式為 一 二 三 四 五 五 能量的充分利用1 硫酸生產(chǎn)過程中的三個反應(yīng)都是放熱反應(yīng) 2 硫酸工業(yè)充分利用廢熱的方法是 利用SO2氧化為SO3時放出的熱量來預(yù)熱即將參加反應(yīng)的SO2和O2 你認為在硫酸工業(yè)中合理利用能源 可采取哪些措施 提示 1 在沸騰爐 造氣爐 旁設(shè)置蒸汽鍋爐進行發(fā)電 2 在接觸室 催化反應(yīng)室 中設(shè)置熱交換器 一方面預(yù)熱反應(yīng)原料氣 另一方面使接觸氧化后的氣體降溫到適宜溫度 3 在接觸室 催化反應(yīng)室 附近建造浴室 提高勞動福利或創(chuàng)造經(jīng)濟效益 一 二 三 一 工業(yè)制備硫酸的過程1 三原料工業(yè)上制硫酸所需的原料有硫 S 空氣 水 用硫黃作原料成本低 對環(huán)境污染少 我國硫黃資源較少 在早期相當(dāng)一段時間內(nèi) 主要用黃鐵礦 FeS2 作原料 一 二 三 2 三反應(yīng) 3 三設(shè)備 以FeS2為原料 一 二 三 4 三原理 1 化學(xué)平衡原理 增大反應(yīng)物間接觸面積 能提高反應(yīng)速率 增大反應(yīng)物濃度 能提高反應(yīng)速率并使化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動 以充分提高原料利用率 2 熱交換原理 在接觸室中生成的熱量經(jīng)過熱交換器 傳遞給進入接觸室需要預(yù)熱的混合氣體 為二氧化硫的接觸氧化和三氧化硫的吸收創(chuàng)造了有利條件 3 逆流原理 液體由上向下流 氣體由下向上升 兩者在逆流過程中充分反應(yīng) 一 二 三 二 SO2接觸氧化適宜條件的選擇1 溫度SO2接觸氧化是一個放熱的可逆反應(yīng) 根據(jù)化學(xué)平衡移動原理判斷 溫度較低對提高SO2的轉(zhuǎn)化率有利 但是 溫度較低時催化劑活性不高 反應(yīng)速率低 在實際生產(chǎn)中 選定400 500 作為操作溫度 這時反應(yīng)速率和SO2的轉(zhuǎn)化率都比較理想 而且催化劑的活性較高 2 壓強SO2催化氧化是一個氣體總體積減小的可逆反應(yīng) 根據(jù)化學(xué)平衡移動原理判斷 增大壓強對提高SO2的轉(zhuǎn)化率有利 但是在常壓 400 500 時 SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高 增大壓強對設(shè)備的要求高 增大投資和能量消耗 故在實際生產(chǎn)中 通常采用常壓操作 一 二 三 3 適當(dāng)過量的空氣目的是提高SO2的轉(zhuǎn)化率 綜上所述 接觸氧化的適宜條件是常壓 較高溫度 400 500 和催化劑 特別提醒接觸法制硫酸應(yīng)注意 送進沸騰爐的原料要粉碎成細小的礦粒 通入接觸室的混合氣體必須預(yù)先凈化 防止催化劑中毒及水蒸氣對生產(chǎn)和設(shè)備造成不良影響 吸收塔中用質(zhì)量分數(shù)為98 的硫酸吸收SO3 而不用水或稀硫酸 防止形成酸霧 使吸收速率減慢 一 二 三 三 硫酸工業(yè)中連續(xù)多步反應(yīng)的計算1 關(guān)系式法關(guān)系式法解題需要找準(zhǔn)關(guān)系式 找關(guān)系式的一般方法是根據(jù)涉及的多步反應(yīng)的化學(xué)方程式 依照質(zhì)量守恒或電子守恒的原則找出連續(xù)多步反應(yīng)中元素的轉(zhuǎn)化關(guān)系 如在用黃鐵礦制硫酸時 根據(jù)轉(zhuǎn)化過程中硫原子守恒的原則可以找到這樣的關(guān)系式 FeS2 2SO2 2SO3 2H2SO4或S SO2 SO3 H2SO4在工業(yè)制硫酸的有關(guān)計算中通常利用以上兩關(guān)系式解題 一 二 三 2 常見量的計算公式 5 多步反應(yīng)的總轉(zhuǎn)化率 各步反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的乘積 一 二 三 特別提醒 1 一種化合物中 一種元素的轉(zhuǎn)化率等于該化合物的轉(zhuǎn)化率 例如在FeS2向SO2轉(zhuǎn)化的過程中 若硫元素的轉(zhuǎn)化率為99 則FeS2的轉(zhuǎn)化率也為99 2 在同一個化學(xué)反應(yīng)或多個相關(guān)聯(lián)的化學(xué)反應(yīng)中 具有個別元素質(zhì)量守恒關(guān)系的反應(yīng)物和生成物 反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率等于生成物的產(chǎn)率 例如在FeS2向SO2轉(zhuǎn)化的過程中 FeS2的轉(zhuǎn)化率必等于SO2的產(chǎn)率 在FeS2向H2SO4轉(zhuǎn)化的過程中 FeS2的轉(zhuǎn)化率等于H2SO4的產(chǎn)率 知識點1 知識點2 知識點3 硫酸工業(yè)的生產(chǎn)原理 例題1 硫酸最古老的生產(chǎn)方法是把綠礬裝入反應(yīng)器中加強熱 會流出油狀液體 并放出有刺激性氣味的氣體 SO2 反應(yīng)器中的固體變?yōu)榧t色 1 寫出這種方法中綠礬轉(zhuǎn)化為硫酸的兩個化學(xué)方程式 2 與現(xiàn)代以硫黃為主要原料生產(chǎn)硫酸的方法相比 這種古老的生產(chǎn)硫酸的方法存在若干不足 試從原料的利用率 環(huán)境保護 生產(chǎn)原理等方面加以說明 知識點1 知識點2 知識點3 解析 綠礬的化學(xué)式為FeSO4 7H2O 其中鐵的化合價是 2 硫的化合價是 6 題中指出 加強熱后容器內(nèi)生成了紅色固體 這說明有Fe2O3生成 在FeSO4 7H2OFe2O3的變化中鐵元素被氧化 則必有 6價的硫元素被還原 在此基礎(chǔ)上 運用質(zhì)量守恒原理和氧化還原反應(yīng)原理進行分析判斷 即可寫出FeSO4 7H2OFe2O3的完整的化學(xué)方程式 2 FeSO4 7H2O中的硫元素僅有50 轉(zhuǎn)化為SO3 原料利用率低 生成的SO2污染環(huán)境 反應(yīng)中易形成硫酸酸霧 知識點1 知識點2 知識點3 生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制 例題2 工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時 利用催化氧化反應(yīng)將SO2轉(zhuǎn)化為SO3是一個關(guān)鍵步驟 壓強及溫度對SO2轉(zhuǎn)化率的影響如下表 原料氣各成分的體積分數(shù) SO27 O211 N282 知識點1 知識點2 知識點3 1 已知SO2的氧化是放熱反應(yīng) 如何利用表中數(shù)據(jù)推斷此結(jié)論 2 在400 500 時 SO2的催化氧化采用常壓而不是高壓 主要原因是 3 選擇適宜的催化劑 是否可以提高SO2的轉(zhuǎn)化率 填 是 或 否 是否可以增大該反應(yīng)所放出的熱量 填 是 或 否 4 為提高SO3吸收率 實際生產(chǎn)中用吸收SO3 5 已知 2SO2 g O2 g 2SO3 g H 196 6kJ mol 1 計算每生產(chǎn)1 104t98 硫酸所需要的SO3質(zhì)量和由SO2生產(chǎn)這些SO3所放出的熱量 知識點1 知識點2 知識點3 解析 1 根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以看出 在相同壓強下 如在0 1MPa下 升高溫度 如由400 升高到500 時 SO2的轉(zhuǎn)化率降低 由99 2 降低為93 5 即升高溫度時 此化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動 而升高溫度 化學(xué)平衡應(yīng)該向吸熱反應(yīng)方向移動 所以此反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng) 2 根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以得知 在400 0 1MPa時 SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高 若增大壓強到10MPa SO2的轉(zhuǎn)化率只增大了0 7 變化不大 而壓強增大100倍 需要對設(shè)備的材料 動力 能源等都作相應(yīng)的提高 即要增大成本投入 3 使用催化劑只能改變反應(yīng)到達平衡的時間 不能使化學(xué)平衡發(fā)生移動 即對SO2的轉(zhuǎn)化率不產(chǎn)生影響 而在一定條件下 化學(xué)反應(yīng)放出的熱量與參加反應(yīng)的反應(yīng)物的量成正比 因SO2的轉(zhuǎn)化率不變 所以反應(yīng)放出的熱量也不會增大 4 在生產(chǎn)實際中是采用98 的硫酸作吸收劑來吸收SO3的 因為若用水或稀硫酸進行吸收會形成酸霧 將影響SO3的吸收速率和效率 知識點1 知識點2 知識點3 5 SO2 SO3 H2SO4 反應(yīng)熱解得 m SO3 8 0 109g 8 0 103t Q 9 83 109kJ 答案 1 壓強一定時 溫度升高 SO2轉(zhuǎn)化率下降 說明升溫有利于反應(yīng)逆向進行 所以正反應(yīng)為放熱反應(yīng) 2 增大壓強對提高SO2轉(zhuǎn)化率無顯著影響 反而會增加成本 3 否否 4 98 的硫酸 5 m SO3 8 0 103t 放出9 83 109kJ熱量 知識點1 知識點2 知識點3 點撥 1 化工生產(chǎn)條件的選擇是理論聯(lián)系生產(chǎn)實際的一個重要應(yīng)用 在選擇生產(chǎn)條件時既要考慮外界條件對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響 又要考慮生產(chǎn)實際問題 2 催化劑只能改變可逆反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)速率 而不會使其平衡發(fā)生移動 故不能提高SO2的轉(zhuǎn)化率及反應(yīng)過程中放出的熱量 3 對于可逆反應(yīng) 其熱化學(xué)方程式中的焓變是指可逆反應(yīng)進行到底的熱效應(yīng) 計算時根據(jù)方程式列比例計算即可 知識點1 知識點2 知識點3 硫酸工業(yè)中的多步計算題 例題3 某硫酸廠初步處理后的尾氣中含0 2 的SO2和10 的O2 均為體積分數(shù) 為了進一步除去尾氣中的SO2 并將SO2轉(zhuǎn)變?yōu)?NH4 2SO4 有人設(shè)計了如下方案 在400 時 尾氣以5m3 h 1的速率通過V2O5的催化劑層后 與20L h 1速率的氨氣混合噴水 此時氣體溫度由400 降至200 在熱的結(jié)晶裝置中得到 NH4 2SO4晶體 氣體的體積已轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)狀況 請回答下列問題 1 按反應(yīng)中的理論值 SO2和O2的體積比為2 1 但實際生產(chǎn)中尾氣處理時這個比值是多少 為什么 2 通過計算說明為什么尾氣以5m3 h 1的速率與20L h 1速率的氨氣混合 3 若該廠每天排放10000m3尾氣 求該廠每月 按30天計算 可得到 NH4 2SO4的質(zhì)量為多少 知識點1 知識點2 知識點3 解析 1 根據(jù)2SO2 O22SO3 SO2和O2按2 1 體積比 的理論值反應(yīng) 但實際上V SO2 V O2 0 2 10 1 50 根據(jù)化學(xué)平衡移動原理 增大廉價的氧氣的濃度 可以提高較貴重的二氧化硫的轉(zhuǎn)化率 SO2 2NH3 NH4 2SO422 4L132g107L 0 2 30m NH4 2SO4 m NH4 2SO4 3 54 106g 3 54t 知識點1 知識點2 知識點3 答案 1 1 50 原因 根據(jù)化學(xué)平衡移動原理 增大廉價的氧氣的濃度可使反應(yīng) 2SO2 g O2 g 2SO3 g 向生成三氧化硫方向移動 這樣可以提高較貴重的SO2的轉(zhuǎn)化率 2 2NH3 SO221v NH3 5 103L h 1 0 2 v NH3 20L h 1 3 3 54t 123456 1下列對硫酸生產(chǎn)中化學(xué)反應(yīng)原理的分析正確的是 A 硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)因原料的不同可能全部是氧化還原反應(yīng)B 硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng)C 硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都需要使用催化劑D 硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都需要在較高溫度下進行解析 硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反應(yīng)都是放熱反應(yīng) 三個反應(yīng)中只有SO2SO3需使用催化劑 SO3H2SO4在常溫下進行 是非氧化還原反應(yīng) 答案 B 123456 2下列說法中正確的是 A 在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時 只要將化學(xué)反應(yīng)的特點和化學(xué)反應(yīng)理論相結(jié)合進行全面分析就沒問題了B 在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時 若化學(xué)反應(yīng)的速率很高 就不需要考慮催化劑的問題C 在現(xiàn)代 工業(yè)上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫 高壓和催化劑D 在2SO2 O22SO3中 對 450 的選擇 來自對反應(yīng)物性質(zhì)和催化劑性質(zhì)的綜合考慮解析 在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反應(yīng)條件時 若化學(xué)反應(yīng)速率很高而對生產(chǎn)不利時 就要考慮施加負催化劑的問題 答案 D 123456 3下列關(guān)于硫酸工業(yè)生產(chǎn)的說法中正確的是 A 建筑高煙囪 使尾氣在高空擴散稀釋B 設(shè)置 廢熱 鍋爐 產(chǎn)生蒸汽來供熱或發(fā)電C 使用V2O5作催化劑 提高SO2的轉(zhuǎn)化率D 在吸收塔中 直接用水吸收三氧化硫解析 A項不能從根本上處理尾氣 C項使用V2O5不能提高SO2的轉(zhuǎn)化率 只能加快反應(yīng)速率 D項應(yīng)該用98 的硫酸代替水吸收SO3 可防止產(chǎn)生酸霧 答案 B 123456 4硫酸工業(yè)中 常用濃硫酸吸收三氧化硫 而不用水來吸收的原因是 A 三氧化硫溶于濃硫酸 不易溶于水B 用濃硫酸吸收三氧化硫速度雖慢 但損失三氧化硫少C 用水吸收易形成酸霧 吸收速度慢D 用水吸收得到的不是純硫酸解析 用98 的硫酸吸收SO3可以避免形成酸霧并提高吸收率 答案 C 123456 5近年來 我國大部分地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的霧霾天氣 環(huán)境保護引起了公眾廣泛的關(guān)注 治理工業(yè) 三廢 保護環(huán)境最主要的方法是 A 關(guān)閉污染嚴重的工廠B 把 三廢 深埋C 提高認識D 變廢為寶 綜合利用解析 治理 三廢 關(guān)鍵是變廢為寶 綜合利用 答案 D 123456 6工業(yè)上制硫酸的設(shè)備分為三大部分 一是沸騰爐 二是接觸室 三是吸收塔 在沸騰爐內(nèi)煅燒黃鐵礦生成二氧化硫 在接觸室內(nèi)有催化劑存在下二氧化硫進一步與氧氣結(jié)合 生成三氧化硫 三氧化硫流經(jīng)吸收塔時 采用98 的硫酸吸收 使三氧化硫最終與水化合形成硫酸 下面的裝置是仿照工業(yè)上制備硫酸的工藝流程設(shè)計出來的 用于探究工業(yè)上為何采用98 的硫酸吸收三氧化硫 123456 請回答下列問題 1 寫出沸騰爐內(nèi)煅燒黃鐵礦的化學(xué)方程式 2 上圖中的乙 丙分別相當(dāng)于工業(yè)上制取硫酸裝置中的 3 丙中的現(xiàn)象為 丁中的現(xiàn)象為 4 下表是壓強對SO2平衡轉(zhuǎn)化率的影響 對SO2轉(zhuǎn)化為SO3的反應(yīng) 增大壓強可使轉(zhuǎn)化率 通常采用常壓操作是因為 123456 解析 硫酸工業(yè)生產(chǎn)中的三大步 其中第一步為制氣 4FeS2 11O22Fe2O3 8SO2 甲 乙 丙分別相當(dāng)于沸騰爐 接觸室 吸收塔 2SO2 O22SO3 增大壓強SO2轉(zhuǎn)化率增大 因為常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已很大 增大壓強 會增加投資和能量消耗 所以采用常壓操作 答案 1 4FeS2 11O22Fe2O3 8SO2 2 接觸室吸收塔 3 無霧有霧 4 增大常壓下SO2的轉(zhuǎn)化率已很大 增大壓強 會增加投資和能量消耗