课题1 化工生产过程中的基本问题

如果以硫黄为原料制硫酸，你能试着用化学方程式表示制硫酸的反应原理吗？ 提示 ①S(s)＋O2(g)===SO2(g)(放热反应) ③SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l)(放热反应) 试列举一些能引起大气污染的行为。 提示 ①煤的燃烧 ②工业废气的任意排放 ③燃放鞭炮 ④飞机、汽车尾气的排放 ⑤冰箱、空调的制冷剂氟氯代烃的排放等。 1． 2．

1．了解生产硫酸的基本流程。 2．了解生产原料的选择。 3．了解化学科学实验与化工生产的区别。 4．注意生产中的三废处理，防止环境污染。

笃学一　依据化学反应原理确定生产过程 化工生产与化学反应的关系 化工生产是以_____________为依据，以___________为基础的。任何生产的完成都要符合_____________。 确定化工生产反应原理与过程的一般方法 对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的____ _____和____考虑，来确定_______________。 1. 化学反应原理 实验室研究 化学反应规律 2． 化学 组成 性质 原料和生产路线

确定化工生产反应原理与过程的案例研究——生产硫酸 (1)原料：从H2SO4的组成看，原料应该是自然界存在的含___ 物质，如____________ (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__________、_____________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，反应化学方程式为___________ (属_____反应，填“放热”或“吸热”，下同)。 ②催化氧化：将SO2氧化成SO3，反应化学方程式为_________ ____________(属_____反应)。 ③SO3吸收：三氧化硫转化成硫酸，反应化学方程式为____________________(属______反应)。 3． 硫 硫黄、黄铁矿 SO2的生成 SO2转化为SO3 放热 2SO2＋O2 放热 SO3＋H2O ===H2SO4 放热

笃学二　生产中原料的选择 1. 原料选择依据 在工业生产中，选择原料除依据_____________外，还有许多因素需要考虑，如_________、____、能源、_____用水的供应能力、_____、_____、预处理成本及__________等。 工业制硫酸的原料 目前，世界大多数国家生产硫酸主要以_____为原料，我国主要是以_______为原料。 化学反应原理 厂址选择 原料 工业 贮存 运输 环境保护 2． 硫黄 黄铁矿

笃学三　生产中反应条件的控制 生产中反应条件的选择 在化工生产中要通过反应条件的控制使_____________和 _______________都比较理想，还要同时考虑__________ _____________和___________。 硫酸工业生产中条件的选择 二氧化硫催化氧化的条件是：___________________ ___________。 1. 化学反应速率 反应物的转化率 控制某些反 应条件的成本 实际可能性 2． 常压、V2O5作催化剂、 400～500 ℃

笃学四　硫酸工业废气和废渣的处理 尾气吸收 生产硫酸的尾气中含有少量____，可用______吸收，然后再用硫酸处理，生成的SO2可返回用作生产硫酸的原料，其化学反应方程式为： _______________________________、 ___________________________________。 废渣的利用 用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，排出的炉渣和矿灰，可作为___________；可以用来提炼_______________；废渣还可以作为制造___________或用于_____。 1. SO2 石灰水 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O 2． 炼铁的原料 贵重的有色金属 水泥的原料 制砖

笃学五　能量的充分利用 化工生产过程中通常都要消耗大量的能量。硫酸工业充分利用废热的方法是：在催化反应室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2。 SO3的吸收是用水还是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。这样可避免形成酸雾并提高吸收率。98%的硫酸吸收SO3后形成了发烟硫酸，其中SO3的含量可高达20%，将发烟硫酸在水中稀释就能得到各种不同浓度的硫酸。 【慎思1】

工业制硫酸需要哪些原料？分成哪几个阶段？发生哪些反应？需要哪些设备？ 提示 【慎思2】

【慎思3】 A．在生产中常用过量的空气 B．在生产中常用过量的SO2 C．在生产中采用V2O5作催化剂 D．在生产中采用常压 提示 增大空气浓度即增大O2的浓度，使平衡向正反应方向移动，提高了SO2的转化率；增大压强可使SO3的体积分数提高，但对设备的要求及成本都相应提高。 答案 B

为了提高硫酸工业的综合经济效益，下列做法正确的是 ( )。 ①对硫酸工业生产中产生的废气、废渣、废液进行综合利用 ②充分利用硫酸工业生产中的“废热” ③不把硫酸厂建在人口稠密的居民区和环保要求高的地区 A．① B．② C．③ D．①②③ 提示 ①建立处理“三废”措施，严格执行国家“三废”排放标准；②变“三废”为宝，实行综合利用。尽可能地利用“废气、废渣、废液、废热”，既可以提高原料的利用率，降低成本，又能减少对环境的污染。硫酸厂对环境的污染是比较严重的，不能建立在人口稠密的地区和环保要求高的地区。 答案 D 【慎思4】

【慎思5】 你认为硫酸工业可以怎样合理利用能源？ 提示 (1)在沸腾炉(造气炉)旁设置蒸气锅炉进行发电。 (2)在接触室(催化反应室)中设置热交换器，一方面预热反应原料气，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(催化反应室)附近建造浴室，提高劳动福利或创造经济效益。

要点一 | 硫酸工业SO2接触氧化适宜条件的选择 接触氧化的反应为： ΔH＝－98.3 kJ·mol－1 这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应。 (1)温度

SO2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡移动理论判断，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，反应速率低。在实际生产中，选定400～500 ℃作为操作温度，这时反应速率和SO2的转化率都比较理想。 (2)压强 SO2接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应，根据化学反应速率影响因素和化学平衡移动理论判断，加压对提高化学反应速率和SO2的平衡转化率有利。但是，在常压、400～500 ℃时，SO2的平衡转化率已经很高，加压必须对设备的要求高，增大投资和能量消耗，故在实际生产中，通常采用常压操作，并不加压。

(3)接触氧化的适宜条件 常压、较高的温度(400～500 ℃)和催化剂。 在实际化工生产中还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性。

以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下： (1)将煅烧黄铁矿的化学方程式补充完整。 (2)接触室中发生反应的化学方程式是________________________________________________。 【例1】►

(3)依据工艺流程图判断下列说法正确的是____________ (填字母)。 A．为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎 B．过量空气能提高SO2的转化率 C．使用催化剂能提高SO2的反应速率和转化率 D．沸腾炉排出的矿渣可供炼铁 (4)能用于测定硫酸尾气中SO2含量的是_______(填字母)。 A．NaOH溶液、酚酞试液 B．KMnO4溶液、稀硫酸 C．碘水、淀粉溶液 D．氨水、酚酞试液

解析 (3)催化剂只能改变可逆反应的化学反应速率，而不会使其平衡发生移动，故不能提高SO2的转化率及反应过程中放出的热量；ABD正确。 (4)要测定SO2的含量，所用试剂需能与SO2反应，且能明显指示反应的终点，分析知答案为B、C。 (5)对于可逆反应，其热化学方程式中的焓变是指可逆反应进行到底的热效应，计算时根据方程式列比例计算即可。一万吨98%的H2SO4溶液中含H2SO4的质量为9.8×109g，

SO3 ～ H2SO4 ～ ΔH 80 g 98 g 196.6 kJ×0.5 m(SO3) 9.8×109 g Q (3)ABD (4)BC (5)8.0×103 t，9.83×109 kJ

在硫酸的工业制法中，下列生产操作与说明生产操作的主要原因二者都正确的是 ( )。 A．硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能在空气 中燃烧 B．从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO2会与杂 质反应 C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可以提高SO2的 转化率 D．SO3用98.3%的浓H2SO4吸收，目的是防止形成酸雾， 以便使SO3吸收完全 【体验1】►

解析 将硫铁矿粉碎使燃烧速率更快、反应更充分；净化SO2的主要目的是防止杂质使催化剂中毒；催化剂只能提高反应速率，不能提高SO2的转化率。 答案 D

要点二 | 硫酸工业生产过程中三废的处理 (1)三废：废气、废液、废渣 (2)三废处理方法： ①尾气吸收 法一 石灰水吸收法 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O； CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。 法二 氨水吸收法 SO2＋2NH3＋H2O===(NH4)2SO3； (NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O。

②污水处理 利用不同化工生产过程中产生的污水所含的杂质不同，根据杂质的性质利用不同的化学方法进行处理。硫酸工业废水中常含有硫酸，常用石灰乳中和： Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O。 ③废渣的利用 黄铁矿的矿渣的主要成分是Fe2O3和SiO2，可作为制造水泥的原料或用于制砖。含铁高的矿渣经处理后可以炼铁，有的也可分离后循环利用或提炼贵重的有色金属或将其用于铺路。

下列废物处理方法中正确的是 ( )。 A．化学实验中产生的二氧化硫废气可用浓硫酸吸收 B．化学实验中产生的二氧化氮废气可用水吸收 C．用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废渣可用于 提取燃料 D．用黄铁矿作原料生产硫酸的过程中产生的废气可用于 提取漂白剂 【例2】►

解析 二氧化硫在浓硫酸中的溶解度非常小，A项错误；二氧化氮一般用烧碱溶液吸收，发生的反应为：2NO2＋2NaOH===NaNO2＋NaNO3＋H2O，B项错误；黄铁矿本来就是无机矿物质，又经过高温煅烧后，废渣的主要成分是氧化铁、二氧化硅、氧化铝等，从中提取燃料是不现实的，C项错误；硫酸生产厂的废气中含有较高浓度的二氧化硫气体，二氧化硫可用作漂白剂，D项正确。 答案 D

(1)SO2主要来自于硫酸工厂废气和含硫矿物的燃烧。 ①若用Na2SO3溶液来吸收工厂的SO2尾气，加热吸收液可获得高浓度的SO2，变废为宝。你能写出主要的化学方程式吗？ ②为除去燃料中的硫，可采用如图脱硫工艺。你能写出主要的化学方程式吗？ 【体验2】►

(2)接触法制硫酸过程中既产生出废渣、又产生尾气，这与绿色工业生产是相悖的。请你写出这些废渣、尾气的用途。 废渣用途：__________________________________， 尾气用途：_______________________________。

实验探究一 硫酸工业综合经济效益 讨论主要从三个方面入手：一是环境保护与原料的综合利用；二是能量的充分利用；三是生产规模及厂址的选择，特别是注意环保与原料、能量的充分利用。 (1)环境保护与综合利用原料 硫酸工业三废的处理： ①尾气吸收：石灰水吸收法 SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O； CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O 【探究过程】

②污水处理：硫酸工业污水中常含有硫酸，常用石灰乳中和： Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O ③废渣的利用： 黄铁矿矿渣一般可用于制造水泥或制砖，含铁量高的矿渣可用于炼铁。 在最终产生的三废中，往往还含有未反应的反应物，为了充分利用原料，在收集产品时可将剩余反应物重新并入原料中，使生产过程带有局部循环的特点，这是化工生产工艺设计中常用的方法。 (2)能量的充分利用 许多化学反应是放热反应，化工生产中应充分利用反应热，这对于降低生产成本具有重要的意义：

在沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生蒸汽来发电；在催化反应室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热量来预热即将参加反应的SO2和O2，使其达到适宜反应的温度；生产中如能充分利用这些“废热”，不仅不需外界向硫酸厂供应能量，还可由硫酸厂向外界输出大量能量。 (3)生产规模和厂址的选择 一般要对原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通、环境保护等因素进行综合性和系统性的研究。

在以下条件下，你认为A城市该不该建硫酸厂？ (1)A城市郊区有丰富的黄铁矿资源、水源、能源充足，交通方便。 (2)A城市需使用硫酸的工业不多，而离它远的B城市是一个消耗硫酸甚多的工业城市。 (3)A城市是一个风光秀丽的旅游城市，对环境保护的要求甚高，而且土地价格较贵，土地供应紧张。 【案例】►

解析 全面分析三个条件：第一个条件有利于A城市建硫酸厂；第二个条件从市场需求和运输成本考虑，在A城市建厂不如在B城市建厂合算；第三个条件从根本上否定了在A城市建厂的设想。因为是一个风光秀丽的旅游城市，对环保的要求一定很高，而且该地的土地价格也较贵，如果在该地建污染比较严重的硫酸厂，必然会破坏旅游资源，得不偿失。所以结论是：在B城市建硫酸厂，再运输少量硫酸到A城市供应生产的需要，这样资源配置比较合理。 答案 不该在A城市建硫酸厂