202X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

1、第一單元 走進化學(xué)工業(yè)課題1化工生產(chǎn)過程中的根本問題1.以硫酸生產(chǎn)為例以硫酸生產(chǎn)為例,能記住化工生產(chǎn)過程中應(yīng)解決的根本問題。能記住化工生產(chǎn)過程中應(yīng)解決的根本問題。2.會運用接觸法制硫酸的化學(xué)反響原理會運用接觸法制硫酸的化學(xué)反響原理,能記住其生產(chǎn)過程和典能記住其生產(chǎn)過程和典型設(shè)備。型設(shè)備。3.能記住防止硫酸工業(yè)能記住防止硫酸工業(yè)“三廢造成污染的方法和三廢造成污染的方法和“廢熱利用廢熱利用等知識。等知識。一二三四五一、依據(jù)化學(xué)反響原理確定生產(chǎn)過程1.化工生產(chǎn)與化學(xué)反響的關(guān)系化工生產(chǎn)依據(jù)化學(xué)反響原理符合化學(xué)反響規(guī)律根底實驗室研究。2.確定化工生產(chǎn)反響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

2、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)反響原理與過程的案例研究生產(chǎn)硫酸(1)關(guān)于工業(yè)制硫酸的反響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反響得到H2SO4。分析生產(chǎn)原料的性質(zhì),確定反響原理。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)

3、制硫酸的過程及反響原理。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響原理用化學(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是在催化劑外表接觸反響的,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。這樣可防止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)反響原理外,還有許多因素要考慮,如廠址選擇、原料、能源、工業(yè)用水的供給能力、貯存、運輸、預(yù)處理本錢及環(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

4、主要是以黃鐵礦為原料制硫酸的。一二三四五三、生產(chǎn)中反響條件的控制1.生產(chǎn)中反響條件的選擇在化工生產(chǎn)中要通過反響條件的控制使化學(xué)反響速率和反響物的轉(zhuǎn)化率都比較理想,還要同時考慮控制某些反響條件的本錢和實際可能性。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400500 作為操作溫度,因為在這個溫度范圍內(nèi),反響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。對于反響2SO2+O2 2SO3:為什么降低溫度和增大壓強有利于提

5、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)平衡向正反響方向移動。增大O2的濃度或減小SO3的濃度都使該化學(xué)平衡向正反響方向移動。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?；瘜W(xué)方程式為SO2+Ca(OH)2 CaSO3+H2O,CaSO3+H2SO4 CaSO4+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),可用石灰乳進展中和處理。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

6、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)過程中的三個反響都是放熱反響。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)熱即將參加反響的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)置蒸汽鍋爐進展發(fā)電。(2)在接觸室(催化反響室)中設(shè)置熱交換器,一方面預(yù)熱反響原料氣,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(催化反響室)附近建造浴室,提高勞動福

7、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。用硫黃作原料本錢低、對環(huán)境污染少。我國硫黃資源較少,在早期相當一段時間內(nèi),主要用黃鐵礦(FeS2)作原料。一二三2.三反響三反響 3.三設(shè)備(以FeS2為原料) 一二三4.三原理三原理(1)化學(xué)平衡原理化學(xué)平衡原理:增大反響物間接觸面積增大反響物間接觸面積,能提高反響速率能提高反響速率;增大增大反響物濃度反響物濃度,能提高反響速率并使化學(xué)平衡向正反響方向移動能提高反響速率并使化學(xué)平衡向正反響方向移動,以以充分提高原料利用率。充分提高原料利用率。(2)熱交換原理熱交換原理:在接觸室中生成的熱量經(jīng)過

8、熱交換器在接觸室中生成的熱量經(jīng)過熱交換器,傳遞給進傳遞給進入接觸室需要預(yù)熱的混合氣體入接觸室需要預(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。的吸收創(chuàng)造了有利條件。(3)逆流原理逆流原理:液體由上向下流液體由上向下流,氣體由下向上升氣體由下向上升,兩者在逆流過程兩者在逆流過程中充分反響。中充分反響。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響,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,反響速率低。在實際生產(chǎn)中,選定400500 作為操作溫度,這時反響速率和S

9、O2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響,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、400500 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(400500 )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SO

10、3,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)多步反響的計算1.關(guān)系式法關(guān)系式法解題需要找準關(guān)系式,找關(guān)系式的一般方法是根據(jù)涉及的多步反響的化學(xué)方程式,依照質(zhì)量守恒或電子守恒的原那么找出連續(xù)多步反響中元素的轉(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那么可以找到這樣的關(guān)系式:FeS22SO22SO32H2SO4或SSO2SO3H2SO4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)多步反響的總轉(zhuǎn)化率=各步反響轉(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S

11、O2轉(zhuǎn)化的過程中,假設(shè)硫元素的轉(zhuǎn)化率為99%,那么FeS2的轉(zhuǎn)化率也為99%。(2)在同一個化學(xué)反響或多個相關(guān)聯(lián)的化學(xué)反響中,具有個別元素質(zhì)量守恒關(guān)系的反響物和生成物,反響物的轉(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響器中加強熱,會流出油狀液體,并放出有刺激性氣味的氣體(SO2),反響器中的固體變?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

12、黃為主要原料生產(chǎn)硫酸的方法相比,這種古老的生產(chǎn)硫酸的方法存在假設(shè)干缺乏,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FeSO47H2O,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FeSO47H2O Fe2O3的變化中鐵元素被氧化,那么必有+6價的硫元素被復(fù)原。在此根底上,運用質(zhì)量守恒原理和氧化復(fù)原反響原理進展分析判斷,即可寫出FeSO47H2O Fe2O3的完整的化學(xué)方程式。(2)FeSO47H2O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,反響中易形成

13、硫酸酸霧。知識點1知識點2知識點3生產(chǎn)中反響條件的控制【例題2】 工業(yè)上生產(chǎn)硫酸時,利用催化氧化反響將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):SO2 7%,O2 11%,N2 82%):知識點1知識點2知識點3(1)SO2的氧化是放熱反響,如何利用表中數(shù)據(jù)推斷此結(jié)論? 。 (2)在400500 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)。是否可以增大該反響所放出的熱量?(填“是或“否)。 (4)為提高SO3吸收率,實際生產(chǎn)中用吸收SO3。 (5):2SO2(g

14、)+O2(g) 2SO3(g)H=-196.6 kJmol-1,計算每生產(chǎn)1104 t 98%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,在一樣壓強下(如在 MPa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)平衡向逆反響方向移動,而升高溫度,化學(xué)平衡應(yīng)該向吸熱反響方向移動,所以此反響的正反響為放熱反響。(2)根據(jù)表格中的數(shù)據(jù)可以得知,在400 、 MPa時,SO2的轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高,假設(shè)增大壓強到10 MPa,SO2的轉(zhuǎn)化率只增大了0.7%,變

15、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,即要增大本錢投入。(3)使用催化劑只能改變反響到達平衡的時間,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)反響放出的熱量與參加反響的反響物的量成正比,因SO2的轉(zhuǎn)化率不變,所以反響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。因為假設(shè)用水或稀硫酸進展吸收會形成酸霧,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)SO2SO3H2SO4反響熱解得:m(SO3)=8.0109 g=8.0103 t,Q=9.83109 kJ。答案：(1)壓強一定時,

16、溫度升高,SO2轉(zhuǎn)化率下降,說明升溫有利于反響逆向進展,所以正反響為放熱反響(2)增大壓強對提高SO2轉(zhuǎn)化率無顯著影響,反而會增加本錢(3)否否(4)98%的硫酸(5)m(SO3)=8.0103 t,放出9.83109 kJ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)反響速率和化學(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響的化學(xué)反響速率,而不會使其平衡發(fā)生移動,故不能提高SO2的轉(zhuǎn)化率及反響過程中放出的熱量。(3)對于可逆反響,其熱化學(xué)方程式中的焓變是指可逆反響進展到底的熱效應(yīng),計算時根據(jù)方

17、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5 m3h-1的速率通過V2O5的催化劑層后,與20 Lh-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)換為標準狀況)。請答復(fù)以下問題:(1)按反響中的理論值,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5

18、 m3h-1的速率與20 Lh-1 速率的氨氣混合?(3)假設(shè)該廠每天排放10 000 m3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+O2 2SO3,SO2和O2按2 1(體積比)的理論值反響,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。SO22NH3(NH4)2SO4 L132 g107 L0.2%30m(NH4)2SO4m(NH4)2SO43.54106 t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

19、衡移動原理,增大廉價的氧氣的濃度可使反響: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) 5103 Lh-10.2%v(NH3)=20 Lh-1(3)3.54 t1 2 3 4 5 61以下對硫酸生產(chǎn)中化學(xué)反響原理的分析正確的選項是以下對硫酸生產(chǎn)中化學(xué)反響原理的分析正確的選項是()A.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響因原料的不同可能全部是氧化硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響因原料的不同可能全部是氧化復(fù)原反響復(fù)原反響B(tài).硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都是放熱反響硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都是放熱反響C.硫酸生產(chǎn)

20、中涉及的三個化學(xué)反響都需要使用催化劑硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都需要使用催化劑D.硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都需要在較高溫度下進展硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都需要在較高溫度下進展解析：硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都是放熱反響解析：硫酸生產(chǎn)中涉及的三個化學(xué)反響都是放熱反響;三個反響中三個反響中只有只有SO2 SO3需使用催化劑需使用催化劑;SO3 H2SO4在常溫下進在常溫下進展展,是非氧化復(fù)原反響。是非氧化復(fù)原反響。答案：答案：B 1 2 3 4 5 62以下說法中正確的選項是以下說法中正確的選項是()A.在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反響條件時在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反響條件時,只要將化學(xué)反響的特點

21、和化只要將化學(xué)反響的特點和化學(xué)反響理論相結(jié)合進展全面分析就沒問題了學(xué)反響理論相結(jié)合進展全面分析就沒問題了B.在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反響條件時在設(shè)計化工生產(chǎn)的化學(xué)反響條件時,假設(shè)化學(xué)反響的速率很高假設(shè)化學(xué)反響的速率很高,就不需要考慮催化劑的問題就不需要考慮催化劑的問題C.在現(xiàn)代在現(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、工業(yè)上將二氧化硫氧化為三氧化硫的適宜條件是高溫、高壓和催化劑高壓和催化劑D.在在2SO2+O2 2SO3中中,對對“450 的選擇的選擇,來自對反響物來自對反響物性質(zhì)和催化劑性質(zhì)的綜合考慮性質(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)反響條件時解析：在設(shè)計化工生產(chǎn)

22、的化學(xué)反響條件時,假設(shè)化學(xué)反響速率很高假設(shè)化學(xué)反響速率很高而對生產(chǎn)不利時而對生產(chǎn)不利時,就要考慮施加負催化劑的問題。就要考慮施加負催化劑的問題。答案：答案：D1 2 3 4 5 63以下關(guān)于硫酸工業(yè)生產(chǎn)的說法中正確的選項是以下關(guān)于硫酸工業(yè)生產(chǎn)的說法中正確的選項是()A.建筑高煙囪建筑高煙囪,使尾氣在高空擴散稀釋使尾氣在高空擴散稀釋B.設(shè)置設(shè)置“廢熱鍋爐廢熱鍋爐,產(chǎn)生蒸汽來供熱或發(fā)電產(chǎn)生蒸汽來供熱或發(fā)電C.使用使用V2O5作催化劑作催化劑,提高提高SO2的轉(zhuǎn)化率的轉(zhuǎn)化率D.在吸收塔中在吸收塔中,直接用水吸收三氧化硫直接用水吸收三氧化硫解析：解析：A項不能從根本上處理尾氣項不能從根本上處理尾氣;C

23、項使用項使用V2O5不能提高不能提高SO2的的轉(zhuǎn)化率轉(zhuǎn)化率,只能加快反響速率只能加快反響速率;D項應(yīng)該用項應(yīng)該用98%的硫酸代替水吸收的硫酸代替水吸收SO3,可防止產(chǎn)生酸霧?？煞乐巩a(chǎn)生酸霧。答案：答案：B1 2 3 4 5 64硫酸工業(yè)中硫酸工業(yè)中,常用濃硫酸吸收三氧化硫常用濃硫酸吸收三氧化硫,而不用水來吸收的原因是而不用水來吸收的原因是()A.三氧化硫溶于濃硫酸三氧化硫溶于濃硫酸,不易溶于水不易溶于水B.用濃硫酸吸收三氧化硫速度雖慢用濃硫酸吸收三氧化硫速度雖慢,但損失三氧化硫少但損失三氧化硫少C.用水吸收易形成酸霧用水吸收易形成酸霧,吸收速度慢吸收速度慢D.用水吸收得到的不是純硫酸用水吸收得到的不是純硫酸解析：用解析：用98%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3可以防止形成酸霧并提高吸收率?？梢苑乐剐纬伤犰F并提高吸收率。答案：答案：C1 2 3 4 5 65近年來近年來,我國大局部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的霧霾天氣我國大局部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)嚴重的霧霾天氣,環(huán)境保護引起環(huán)境保護引起了公眾廣泛的關(guān)注。治理工業(yè)了公眾廣泛的關(guān)注。治理工業(yè)“三廢三廢,保護環(huán)境最主要的方法是保護環(huán)境最主要的方法是()A.關(guān)閉污染嚴重的工廠關(guān)閉污染嚴重的工廠B.把把“三廢深埋三