化學課件（人教版）：選修2《化工生產過程中的基本問題》

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歡迎進入化學課堂 課題1化工生產過程中的基本問題 1 了解生產硫酸的基本流程 2 了解生產中原料的選擇 3 了解化學科學實驗與化工生產的區(qū)別 4 注意生產中的三廢處理 防止環(huán)境污染 一 依據(jù)化學反應原理確定生產過程1 化工生產與化學反應的關系化工生產是以為依據(jù) 以為基礎的 任何生產的完成都要符合 2 確定化工生產反應原理與過程的一般方法對于某一具體的化工產品 研究生產過程要從產品的和考慮 來確定 3 確定化工生產反應原理與過程的案例研究 生產硫酸 1 原料 從H2SO4的組成看 原料應該是自然界存在的含物質 如 主要成分是FeS2 等 化學反應原理 實驗室研究 化學反應規(guī)律 組成 化學 性質 原料和生產路線 硫 硫黃 黃鐵礦 2 生產步驟 生產硫酸的主要化學過程可以分成 和SO3轉化為硫酸三個階段 3 工業(yè)上制硫酸的基本生產原理 造氣 以S為原料制備SO2 反應方程式S O2SO2 屬反應 催化氧化 將SO2氧化成SO3 反應方程式 屬反應 SO3吸收 三氧化硫轉化成硫酸 反應方程式SO3 H2O H2SO4 屬反應 SO2的 生成 SO2轉化為SO3 放熱 放熱 放熱 2SO2 O2 二 生產中原料的選擇1 在工業(yè)生產中 選擇原料除依據(jù)外 還有許多因素需要考慮 如 能源 用水的供應能力 預處理成本及等 2 目前 世界大多數(shù)國家生產硫酸主要以為原料 我國主要是以為原料制硫酸的 化學反應原理 廠址選擇 原料 工業(yè) 貯存 運輸 環(huán)境保護 硫黃 黃鐵礦 三 生產中反應條件的控制1 生產中反應條件的選擇在化工生產中要通過反應條件的控制使和都比較理想 還要同時考慮和 2 硫酸工業(yè)生產中條件的選擇二氧化硫催化氧化的條件是 常壓 V2O5作催化劑 400 500 化學反應速率 反應物的轉化率 控制某些反應 條件的成本 實際可能性 四 硫酸工業(yè)廢氣和廢渣的處理1 尾氣吸收生產硫酸的尾氣中含有少量 可用吸收 然后再用硫酸處理 生成的SO2可返回用作生產硫酸的原料 其化學反應方程式為 SO2 石灰水 SO2 Ca OH 2 CaSO3 H2O CaSO3 H2SO4 CaSO4 SO2 H2O 2 廢渣的利用用黃鐵礦為原料生產硫酸的過程中 排出的爐渣和礦灰 可作為 還可以用來提煉 還可以作為制造或用于 五 能量的利用硫酸工業(yè)充分利用廢熱的方法是 利用SO2氧化為SO3時放出的熱量來預熱即將參加反應的和 煉鐵的原料 貴重的有色金屬 水泥的原料 制磚 SO2 O2 一 硫酸工業(yè)生產的原理與過程從綜合效益出發(fā) 我國生產硫酸首先需要考慮哪些方面的問題 學生交流 提示 1 從基建投資 加工費用及環(huán)保方面考慮 用硫黃制硫酸優(yōu)于用黃鐵礦制硫酸 2 我國天然硫資源缺乏 而且開采條件比較復雜 3 我國黃鐵礦儲量比天然硫要大 4 硫黃制硫酸比黃鐵礦制硫酸生產流程短 設備簡單 三廢治理量小 勞動生產率高 易于設備大型化 5 由于原料多需進口 硫黃制硫酸成本比黃鐵礦制硫酸略高等方面 分別寫出以硫黃 黃鐵礦為原料生產硫酸的各步反應原理 并指出目前硫酸生產中的原料是什么 工業(yè)生產硫酸分為幾個生產階段 對應的主要設備是什么 SO3的吸收是直接用水還是98 的硫酸 為什么 學生交流 提示 三個生產階段 造氣 催化氧化 SO3的吸收 三個主要設備 沸騰爐 造氣 接觸室 催化氧化室 吸收塔 實際生產中 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率 98 的硫酸吸收SO3后形成了發(fā)煙硫酸 其中SO3的含量可高達20 將發(fā)煙硫酸在水中稀釋就能得到各種不同濃度的稀硫酸 2009年北京理綜 以黃鐵礦為原料生產硫酸的工藝流程圖如下 4 每160gSO3氣體與H2O化合放出260 6kJ的熱量 該反應的熱化學方程式是 5 吸收塔排出的尾氣先用氨水吸收 再用濃硫酸處理 得到較高濃度的SO2和銨鹽 SO2既可作為生產硫酸的原料循環(huán)再利用 也可用于工業(yè)制溴過程中吸收潮濕空氣中的Br2 SO2吸收Br2的離子方程式是 為測定該銨鹽中氮元素的質量分數(shù) 將不同質量的銨鹽分別加入到50 00mL相同濃度的NaOH溶液中 沸水浴加熱至氣體全部逸出 此溫度下銨鹽不分解 該氣體經(jīng)干燥后用濃硫酸吸收完全 測定濃硫酸增加的質量 部分測定結果 銨鹽質量為10 00g和20 00g時 濃硫酸增加的質量相同 銨鹽質量為30 00g時 濃硫酸增加的質量為0 68g 銨鹽質量為40 00g時 濃硫酸的質量不變 計算 該銨鹽中氮元素的質量分數(shù)是 若銨鹽質量為15 00g 濃硫酸增加的質量為 計算結果保留兩位小數(shù) 解析 1 黃鐵礦的主要成分為FeS2 同時根據(jù)質量守恒也可推出 2 接觸室實現(xiàn)了SO2氧化為SO3的目的 3 a相當于增大接觸面積 正確 b中增加O2的量可使平衡向生成SO3的方向移動 提高SO2的轉化率 正確 c中催化劑只對反應速率有影響 對平衡無影響 錯誤 d中礦渣含大量Fe2O3可用于煉鐵 正確 5 SO2 Br2 2H2O H2SO4 2HBr所對應的離子方程式是 SO2 Br2 2H2O 4H SO42 2Br 設NaOH物質的量為x 10 00g銨鹽中 NH4 2SO4 NH4HSO4物質的量分別為y z 則20 00g銨鹽中 NH4 2SO4物質的量分別為2y 2z 30 00g銨鹽中 NH4 2SO4 NH4HSO4物質的量分別為3y 3z 40 00g銨鹽中 NH4 2SO4 NH4HSO4物質的量分別為4y 4z y z均可能為0 由10 00g銨鹽產生NH3與20 00g銨鹽產生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 優(yōu)先于OH 反應 故與NH4 反應的OH 為 0 232 0 096 mol 0 136mol 亦為產生NH3的量 故m NH3 0 136mol 17g mol 1 2 31g 點評 本題以工業(yè)生產硫酸為載體考查化學反應與能量變化及結合物質的量的簡單計算 綜合度高 難度大 考查綜合能力 1 有關接觸法制硫酸的敘述不正確的是 A 硫黃和硫鐵礦均可作為生產原料B 將礦石粉碎 是為了提高礦石的利用率C 反應中通入過量的空氣是為了提高FeS2和SO2的轉化率D 從吸收塔出來的硫酸經(jīng)濃縮后可以變成發(fā)煙硫酸 解析 A項 理論上 可轉化成SO2的任何含硫物質均可作為硫酸的生產原料 如S FeS FeS2 H2S等 但在生產實踐中 應選取那些儲量大 礦質品位高 資源豐富 便于開采和加工的礦物作為化工原料 綜合分析 A正確 答案 D 二 硫酸工業(yè)SO2接觸氧化適宜條件的選擇接觸氧化的反應特點是什么 根據(jù)化學反應速率及平衡理論闡述SO2接觸氧化生成SO3的適宜條件是什么 師生互動 提示 1 溫度SO2接觸氧化是一個放熱的可逆反應 根據(jù)化學平衡移動理論判斷 溫度較低對提高SO2的轉化率有利 但是溫度較低時催化劑活性不高 反應速率低 在實際生產中選定400 500 作為操作溫度 這時反應速率和SO2轉化率都比較理想 2 壓強SO2接觸氧化是一個氣體總體積縮小的可逆反應 根據(jù)化學平衡移動理論判斷 加壓對提高SO2的平衡轉化率有利 但是 在常壓 400 500 時 SO2的平衡轉化率已經(jīng)很高 加壓必須增加設備 增大投資和能量消耗 故在實際生產中 通常采用常壓操作 并不加壓 3 接觸氧化的適宜條件常壓 較高的溫度 400 500 和催化劑 2009屆9月東北師大附中檢測 工業(yè)制硫酸生產流程如下圖 1 我國黃鐵礦資源比較豐富 但很多工廠仍以硫黃為原料生產硫酸 理由是 2 在催化反應室 下列措施中有利于提高SO2平衡轉化率的有 A 升高溫度B 減小壓強C 不斷補充空氣D 及時分離出SO3 3 在生產中為提高催化劑催化效率采取了哪些措施 至少答出兩點措施 5 經(jīng)檢測生產硫酸的原料氣成分 體積分數(shù) 為SO27 O211 N282 在500 0 1MPa條件下達到平衡時 各種氣體的體積比為V SO2 V SO3 V O2 V N2 0 46 6 54 7 73 82 則SO2的利用率為 答案 1 黃鐵礦為原料的生產中產生的廢棄物太多 處理成本高 2 CD 3 凈化氣體 控制溫度在400 500 增大催化劑與反應氣體的接觸面積 4 在1atm和298K條件下 2molSO2和1molO2完全反應生成2molSO3 放出196kJ熱量 該反應為可逆反應 不可能進行完全 又因為反應溫度為450 所以放出的熱量小于196kJ 5 93 4 點評 本題主要考查了工業(yè)生產硫酸的適宜條件及綜合效益的提高 2 金屬鉀與金屬鈉的金屬活動性相近 且鉀比鈉略強 當利用金屬鉀制金屬鈉時 發(fā)現(xiàn)鉀與鈉的共熔體難以分離 如調整溫度到一定程度 則可用金屬鈉與氯化鉀反應 制出金屬鉀 下面是四種物質的熔 沸點 根據(jù)平衡移動原理 可推知 用鈉與氯化鉀反應制金屬鉀的適宜溫度是 A 97 8 770 B 770 774 C 850 D 1413 1500 解析 控制溫度使K蒸餾出來而Na不蒸餾出來 所以溫度應在774 882 9 之間 答案 C 三 硫酸生產過程中三廢的處理常說的工業(yè)三廢指的是什么 學生交流 提示 廢氣 廢液 廢渣 硫酸工業(yè)生產過程中三廢如何處理 師生互動 提示 三廢處理方法 尾氣吸收方法一 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 污水處理利用不同化工生產過程中產生的污水所含的雜質不同 根據(jù)雜質的性質利用不同的化學方法進行處理 硫酸工業(yè)廢水中常含有硫酸 常用石灰乳中和 Ca OH 2 H2SO4 CaSO4 2H2O 廢渣的利用黃鐵礦的礦渣的主要成分是Fe2O3和SiO2 可作為制造水泥的原料或用于制磚 含鐵高的礦渣經(jīng)處理后可以煉鐵 有的也可分離后循環(huán)利用或提煉貴重的有色金屬或將用于鋪路 下列廢物處理方法中正確的是 A 化學實驗中產生的二氧化硫廢氣可用濃硫酸吸收B 化學實驗中產生的二氧化氮廢氣可用燒堿溶液吸收C 用黃鐵礦作原料生產硫酸的過程中產生的廢渣可用于提取燃料D 用黃鐵礦作原料生產硫酸的過程中產生的廢氣可用于提取漂白劑 解析 二氧化硫在濃硫酸中的溶解度非常小 A項錯誤 二氧化氮可跟燒堿溶液發(fā)生化學反應2NO2 2NaOH NaNO2 NaNO3 H2O B項正確 黃鐵礦本來就是無機礦物質 又經(jīng)過高溫煅燒后 廢渣的主要成分是氧化鐵 二氧化硅 氧化鋁等 從中提取燃料是不現(xiàn)實的 C項錯誤 硫酸生產廠的廢氣中含有較高濃度的二氧化硫氣體 二氧化硫可用作漂白劑 D項正確 答案 BD 點評 無論化學實驗還是化工生產都要注意防止污染環(huán)境 3 2009屆10月全國重點高中一模 工業(yè)上以硫鐵礦為原料制硫酸所產生的尾氣除了含有N2 O2外 還含有SO2等對環(huán)境有較大影響的有害氣體 能用于測定硫酸尾氣中SO2含量的是 A NaOH溶液 酚酞試液B 石灰水 石蕊試液C 碘水 淀粉溶液D 氨水 酚酞試液 解析 測定SO2含量必須要能跟SO2反應 而且可以用顏色變化來準確確定反應終點 A項和D項雖然能反應 但A在完全生成Na2SO3時溶液還是堿性 沒變色 而D在SO2還沒與氨水完全反應時就開始變色了 C項石灰水中所含溶質較少 且石蕊試液的顏色變化不明顯 答案 C 業(yè)內專家認為 資源利用和技術改進仍是硫酸工業(yè)生存和發(fā)展面臨的兩大挑戰(zhàn) 近年來 各企業(yè)為了降低成本 競相將硫鐵礦制酸改為硫黃制酸 國際硫黃需求量的短缺也促使國內硫黃制酸裝置紛紛下馬 按2010年遠景規(guī)劃 我國將在云南和貴州興建兩個大型磷肥基地 自然增大了國內市場對硫酸的需求量 據(jù)估計 屆時我國對硫黃的年進口將達4萬萬噸 我國也將成為世界最大的硫黃進口國 同時面對的風險也相應增大 硫酸生產污染嚴重 相比而言 以硫黃為原料則可使凈化污水中不含砷 氟等雜質 易達到排放標準 但硫鐵礦制酸畢竟是我國硫酸生產的重頭戲 我國必須對硫鐵礦制酸加大科技投入 依托科技創(chuàng)新改進生產工藝 降低成本 有效利用我國資源優(yōu)勢 盡量減少進口 降低對國際市場的依賴 提示 增加SO2或O2的濃度 降低SO3濃度 降低溫度 因為反應物濃度越高 生成物濃度越低 反應正向移動 因為該反應放熱 所以降低溫度 平衡正向移動 雖然增大壓強促進平衡正向移動 但是常壓下該反應轉化率已經(jīng)很高 加壓之后轉化率提高很少 所以不需要增大壓強 1 原創(chuàng) 在硫酸的工業(yè)制法中 下列生產操作與說明生產操作的原因二者都正確的是 A 硫鐵礦燃燒前需將礦粒粉碎 這樣易于向沸騰爐中投料B 爐氣進入接觸室之前需要凈化 干燥 因為爐氣中的雜質易與SO2反應C SO2氧化為SO3時需使用催化劑 這樣可提高SO2的轉化率D 接觸室的反應溫度控制在400 500 因為在這個溫度范圍內 反應速率和SO2的轉化率都比較理想 且催化劑的活性也較高 解析 題中所提到的對硫酸工業(yè)采取的措施敘述都是正確的 但硫鐵礦進入沸騰爐之前粉碎的原因是為了增大礦粒與空氣的接觸面積 使其燃燒得更快 更充分 從而提高硫鐵礦的利用率 從沸騰爐出來的爐氣必須凈化干燥的目的是因為爐氣中的一些雜質氣體會使接觸室中的催化劑中毒 使催化劑喪失活性 同時防止爐氣中的水蒸氣和SO2生成酸而腐蝕管道 SO2轉化為SO3時使用催化劑是為了縮短到達平衡的時間 但它并不能影響化學平衡的移動 并不影響SO2的轉化率大小 接觸室控制反應的溫度在400 500 這是綜合考慮了催化劑活性 反應速率及SO2的轉化率等因素而確定的 故D項正確 答案 D 2 在硫酸工業(yè)生產中 為了有利于SO2的轉化 且能充分利用熱能 采用了中間有熱交換器的接觸室 見右圖 下列有關說法中錯誤的是 A 上端進入的氣體溫度較高 下端出來的氣體溫度較低 B 預熱含有二氧化硫的混合氣體 有利于接觸氧化C A處流出的氣體為SO2和O2D 預熱SO3 有利于被濃硫酸吸收 解析 此題考查了工業(yè)生產H2SO4的重要設備之一 接觸室中氣體的流向 SO2和O2進入熱交換器的管外時 雖具備合成溫度 但無V2O5催化 不會生成SO3 只有SO2和O2 原料SO2 O2從裝置左側中間進入熱交換器 吸收熱能后由A處流出再進入接觸室發(fā)生反應 并放出大量的熱 而熱交換器的作用是把一部分熱量交換給剛進入熱交換器的原料氣 然后由下端流入下一個裝置 SO3溫度過高不易被吸收 所以下端出來的氣體溫度較低 這也是熱交換器的作用之一 答案 D 3 飄塵是物質燃燒時產生的粒狀漂浮物 顆粒很小 不易沉降 它與空氣中的SO2 O2接觸時 SO2會部分轉化為SO3 使空氣的酸度增加 飄塵所起的作用可能是 氧化劑 還原劑 催化劑 吸附劑A B C D 解析 飄塵會吸附SO2和O2 并催化該反應的進行 使之轉化為SO3 答案 D 4 下列關于硫酸工業(yè)綜合經(jīng)濟效益的討論中 敘述錯誤的是 A 充分利用三個反應放出的熱能 來降低生產成本B 為了防止尾氣的污染 用氨水吸收尾氣C 硫酸工廠要遠離人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū) 遠離硫酸消費中心D 生產過程中含有少量硫酸的污水 可用石灰乳中和處理 解析 硫酸工廠要遠離人口稠密的居民區(qū)和環(huán)保要求高的地區(qū) 遠離硫酸消費中心 勢必造成運輸 環(huán)境污染等問題 答案 C 5 某次采集酸雨樣品 每隔一段時間測定一次pH 得到數(shù)據(jù)如下表 請回答 1 該酸雨的類型最有可能是 硝酸型 還是 硫酸型 用序號填空 該污染物主要來源于 用序號填空 硝酸型 硫酸型 燃煤火力發(fā)電 工業(yè)生產硫酸 工業(yè)電冶鋁 實驗室制備二氧化硫 2 放置時 雨水樣品pH變化的主要原因是 3 pH變化的離子方程式為 解析 硫的氧化物向硫酸轉化較慢 氮的氧化物向硝酸轉化較快 硫酸很穩(wěn)定 硝酸不穩(wěn)定 由酸雨的pH隨時間延長而變化的趨勢可知 該酸雨是硫酸型的 SO2跟H2O反應生成酸性較弱的H2SO3 H2SO3能被空氣緩慢氧化生成酸性很強且很穩(wěn)定的H2SO4 所以酸雨的pH先逐漸減小后保持不變 電冶鋁的主要原料是氧化鋁 主要能源是電 實驗室制備二氧化硫的原料用量很小 即使是有二氧化硫排放 也不是導致酸雨的主要原因 答案 1 2 雨水里的SO2和H2SO3逐漸被空氣氧化生成H2SO4 雨水的酸性逐漸增強 pH逐漸下降 雨水里的SO2和H2SO3全部被氧化后 H2SO4在溶液中穩(wěn)定存在 pH不再發(fā)生變化 3 2SO2 O2 2H2O 4H 2SO42 或2H2SO3 O2 4H 2SO42 1 在生產中常用過量的空氣是為了 2 加熱到400 500 是由于 3 壓強采用 原因是 4 常用濃硫酸來吸收SO3而不用水 因為 解析 此題考查了在硫酸工業(yè)中運用化學平衡原理選擇適宜生產條件的能力 選擇適宜的反應條件 要從濃度 壓強 溫度 催化劑等條件中考慮該反應的速率 轉化率 同時還要考慮工業(yè)生產的實際情況 如 2 4 兩問是考慮速率問題 第 1 3 問則是考慮化學平衡問題 且第 3 問要考慮生產的實際情況 答案 1 增大氧氣濃度 提高成本較高的SO2的轉化率 2 在此溫度下 催化劑活性強 反應速率快 可縮短到達平衡的時間 提高單位時間內SO3的產率 3 常壓因常壓下平衡混合氣體中SO3的體積分數(shù)已達91 若再加壓 對設備動力系統(tǒng)要求高 成本高 加壓實際意義不大 4 用水吸收易形成酸霧 降低吸收速率 同學們 來學校和回家的路上要注意安全 同學們 來學校和回家的路上要注意安全