高中化學 2.3 硫酸工業(yè)教案2 蘇教版選修2.doc

硫酸工業(yè)本單元是在已經學習了合成氨、氯堿工業(yè)等化工生產知識的基礎上，學習化工生產的最后一部分內容。本單元學習重點：接觸法制硫酸的化學原理和關于硫酸工業(yè)綜合經濟效益的討論。本單元學習難點：接觸氧化工藝條件的討論。一、接觸法制硫酸的原理、過程及典型設備1三種原料：硫鐵礦（fes2）、空氣、水。利用接觸法制硫酸一般可以用硫黃、黃鐵礦、石膏、有色金屬冶煉廠的煙氣(含一定量的so2)等。其中用硫黃作原料成本低、對環(huán)境污染少.但我國硫黃資源較少,主要用黃鐵礦（主要成分為fes2）作生產硫酸的原料。2三步驟、三反應：（1）4fes2 +11o2=2fe2o3+8so2（高溫）（2）2 so2+o22so3 （催化劑，加熱），（3）so3 +h2o =h2so43三設備：（1）沸騰爐（2）接觸室（3）合成塔(吸收塔)4三原理：化學平衡原理、熱交換原理、逆流原理。（1）增大反應物濃度、增大反應物間接觸面積，能提高反應速率并使化學平衡向正反應方向移動，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過熱交換器，傳遞給進入接觸室的需要預熱的混合氣體，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。接觸法制硫酸的原理、過程及典型設備三原料三階段三反應（均放熱）三設備三凈化黃鐵礦或s造氣4fes2+11o2=2fe2o3+8so2（高溫）或s+o2=so2沸騰爐除塵空氣接觸氧化2 so2 +o22so3 （催化劑）接觸室（含熱交換器）洗滌98.3%濃硫酸三氧化硫吸收so3+h2o =h2so4吸收塔干燥接觸法制硫酸示意圖：5應用化學反應速率和化學平衡移動原理選擇適宜條件二氧化硫接觸氧化的反應是一個氣體總體積縮小的、放熱的反應。（1）溫度 400500作為操作溫度，這時反應速率和二氧化硫的轉化率都比較理想。（2）壓強 根據化學平衡理論判斷，加壓對反應有利。但是，在常壓、400500時，二氧化硫的轉化率已經很高，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）二氧化硫接觸氧化的適宜條件 常壓、較高溫度（400500）和催化劑6接觸法制硫酸中應注意的幾個問題（1）依據反應物之間的接觸面積越大反應速率越快的原理，送進沸騰爐的礦石要粉碎成細小的礦粒，增大礦石跟空氣的接觸面積，使之充分燃燒。（2）依據增大廉價易得的反應物的濃度，使較貴重的原料得以充分利用的原理，采用過量的空氣使黃鐵礦充分燃燒。（3）通入接觸室的混合氣體必須預先凈化，其原因是：爐氣中含有二氧化硫、氧氣、氮氣、水蒸氣以及砷、硒化合物、礦塵等。砷、硒化合物和礦塵等會使催化劑中毒；水蒸氣對生產和設備有不良影響。因此，爐氣必須通過除塵、洗滌、干燥等凈化處理。（4）在接觸室里裝有熱交換器，其作用是在二氧化硫接觸氧化時，用放出的熱量來加熱未反應的二氧化硫和空氣，充分利用熱能，節(jié)約燃料。 （5）不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的濃硫酸，若用水或稀硫酸吸收，容易形成酸霧，且吸收速度慢。二、有關計算1物質純度、轉化率、產率的計算（1）物質純度（%）=不純物質中含純物質的質量不純物質的總質量100%（2）原料利用率（%）=實際參加反應的原料量投入原料總量100%（或轉化率）（3）產率（%）=實際產量理論產量100%（4）化合物中某元素的損失率=該化合物的損失率2多步反應計算（1）關系式法：先寫出多步反應的化學方程式，然后找出反應物和生成物之間物質的量（或質量）之比，列出關系式，即可一步計算。（2）元素守衡法：找出主要原料和最終產物之間物質的量的對應關系。找出此關系的簡便方法，就是分析原料與產物之間所含關鍵元素原子個數關系，如： fes22h2so4， sh2so4。若已知（欲求）fes2含量，用前面的關系式，若已知（欲求）s的含量，用后一關系式，且二氧化硫轉化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物fes2（或s）進行計算。例1在硫酸工業(yè)中，通過下列反應使二氧化硫轉化為三氧化硫：2so2(g)+o2(g) 2so3(g)；h=-196.6kj/mol（1）該反應在_（設備）中進行，這種生產硫酸的方法叫做_。（2）在實際生產中，操作溫度選定400500，這是因為_。（3）硫酸工業(yè)選定壓強通常采用_，作出這種選擇的依據是_。例2接觸法制硫酸的爐氣組成是so2占7%，o2占11%，n2占82%，現有100l混合氣體進入接觸室反應后，總體積變?yōu)?7.2l。則該變化過程中so2轉化率是（a）50% （b）60% （c）70% （d）80%例3在下面的框圖中，固體a和b都由兩種相同的元素組成。在a、b中兩種元素的原子個數比分別為1/1和1/2。由d最終可制得e（酸）。（1） 分析判斷a和b 各是什么物質，寫出各自的化學式。（2）寫出各步反應的化學方程式。例4將so2和o2以體積比為1：3混合后，通入接觸室發(fā)生反應2so2(g)+o2(g) 2so3(g)， 達平衡時，在同溫、同壓下測得反應前與反應后混合氣體的密度之比為71：80。求so2的轉化率？并回答so2接觸氧化為so3時不采取加壓措施的原因。例5為了防治酸雨，減少煤燃燒時向大氣排放的so2，工業(yè)上通過生石灰和含硫的煤混合使用可以“固硫”（避免硫化合物進入大氣），最后生成石膏。試回答：（1）整個“固硫”反應所涉及的反應類型包括：化合分解置換復分解氧化還原反應非氧化還原反應離子反應非離子反應（分子反應）。其中正確的是a b c d（2） 第一步“固硫”反應的化學方程式中所需氣態(tài)物質的化學計量數之和為a1 b 2 c3 d4（3）比較此法與“石灰石粉末與含硫煤混合”法哪個更好些?為什么?（4）你認為減少酸雨產生可采取的措施是少用煤作燃料把工廠的煙囪造高 先將燃料煤脫硫 在土壤中加石灰防止酸化 開發(fā)新能源,避免含s、n的氧化物大量排放a b c d例6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)。為了進一步除去so2,并將so2轉變?yōu)?nh4)2so4,有人設計了如下方案:在400時,尾氣以5 m3/h的速率通過v2o5的催化劑層后，與20 l/h速率的氨氣混合噴水。此時氣體溫度由400降至200，在熱的結晶裝置中得到(nh4)2so4晶體（氣體的體積已轉為標準狀況）。請回答下列問題：（1）按反應中的理論值，so2和o2的體積比為2:1，但實際生產中這個比值是多少？為什么？（2） 通過計算說明為什么尾氣以5 m3/h的速率與20 l/h速率的氨氣混合？（3） 若該廠每天排放10000 m3尾氣，求該廠每月（按30天計算）可得到(nh4)2so4的質量為多少？例7含fes265%的硫鐵礦在煅燒時有1.8%的硫損失而混入爐渣，二氧化硫轉化為三氧化硫的利用率為99%。由這種硫鐵礦制2t98%的硫酸，需硫鐵礦多少噸？例8某設計院承擔某硫酸廠的設計任務，該廠要求：為了控制污染和提高生產效率，不再使用黃鐵礦，改用固體硫為原料。改二次送風（鼓入空氣）為一次送風，即送風后使硫充分燃燒，并在下一步催化氧化時不再補充空氣。每天生產50t98%的硫酸。送風機每天輸送空氣的體積為5000m3/臺（標準狀況）。（1）每天消耗含95%的固體硫多少噸？（2）理論上應安裝多少臺送風機？（3）固體硫充分燃燒后的混合氣體中氧氣的體積分數（o2）的下限為多少？（4）實際安裝送風機的臺數應略多于理論數（不考慮損壞），為什么？能否過分增加送風機的臺數，為什么？（轉化過程不考慮損耗；固體硫中雜質與空氣不反應；空氣中氧氣的體積分數為21%）。三、關于硫酸工業(yè)綜合經濟效益的討論1環(huán)境保護與原料的綜合利用（1）注意科學實驗與實際生產的區(qū)別在科學實驗中，為了探索某個重要的原理或實現某個重要的反應，可以不惜大量的時間和資金。而化工生產必須在遵循科學原理、實現某個反應的基礎上，著重考慮綜合經濟效益，最大限度地提高勞動生產率、降低成本、保護生態(tài)環(huán)境，為國民經濟部門提供質優(yōu)價廉的化工產品，以達到優(yōu)質高效的目的。（2）硫酸生產中的“三廢”處理硫酸廠的尾氣必須進行處理，因為煙道氣里含有大量的二氧化硫氣體，如果不加利用而排空會嚴重污染空氣。1) 尾氣吸收 用氨水吸收，再用h2so4處理：so2+2nh3+h2o=(nh4)2so3 (nh4)2so3+h2so4=(nh4)2so4+so2+h2o用na2so3溶液吸收：na2so3+so2+h2o=2nahso3用naoh溶液吸收，再用熟石灰和o2處理；（此方法反應復雜，還可能發(fā)生其他反應）so2+ naoh = nahso3 naoh +nahso3= na2so3+ h2ona2so3+ca(oh)2= caso3+ 2naoh2 caso3 + o2= 2caso42)污水處理硫酸廠廢水中含硫酸，排放入江河會造成水體污染。通常用消石灰處理：ca(oh)2+ h2so4=caso4+2h2o。生成的硫酸鈣可制建材用的石膏板。3)廢熱利用硫酸工業(yè)三個生產階段的反應都是放熱反應，應當充分利用放出的熱量，減少能耗。第一階段黃鐵礦燃燒放出大量的熱，通常在沸騰爐處設廢熱鍋爐，產生的過熱蒸汽可用于發(fā)電，產生的電能再供應硫酸生產使用（如礦石粉碎、運輸，氣流、液流等動力用電）。第二階段二氧化硫氧化放熱可用于預熱原料氣，生產設備叫熱交換器，原料氣又將三氧化硫降溫，再送入吸收塔。4）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。含鐵量高的礦渣可以煉鐵。工業(yè)上在治理“三廢”的過程中，遵循變“廢”為寶的原則，充分利用資源，以達到保護環(huán)境的目的。2能量的充分利用許多化學反應是放熱反應。化工生產中應充分利用反應熱，這對于降低成本具有重要意義。硫酸廠生產中的反應熱得到充分利用后，不僅不需要由外界向硫酸廠供應能量，而且還可以由硫酸廠向外界輸出大量能源。在硫酸生產過程中使用的熱交換器就是利用了反應所放出的熱量來加熱二氧化硫和氧氣的混合氣體，以節(jié)約能源。3生產規(guī)模與廠址選擇（1） 化工廠選址的因素一般來說，現代化工生產要求有較大的生產規(guī)模?；S廠址選擇是很復雜的問題，涉及原料、水源、能源、土地供應、交通運輸、環(huán)境保護和市場需求等諸多因素，應對這些因素綜合考慮，權衡利弊，才能作出合理的選擇?；S廠址選擇一般應考慮下列因素：是否有市場需求；是否接近原料供應地；土地供應是否充足；水源是否充足；能源是否充足且廉價；交通運輸是否方便；能否達到環(huán)境保護要求。上述這些因素必須在遵循科學原則的基礎上，著重考慮綜合經濟效益，即要求最大限度地提高勞動生產率，降低成本，保護生態(tài)環(huán)境。（2） 硫酸廠選址的因素由于硫酸是腐蝕性液體，不便貯存和運輸，因此要求把硫酸廠建在靠近硫酸消費中心的地區(qū)，工廠規(guī)模的大小，主要由硫酸用量的多少決定；硫酸廠廠址應遠離水源和河流的上游，以免工廠的污水污染水源；也不要設置在城鎮(zhèn)和居民區(qū)盛行風向的上風地帶，以免工廠排放的大量煙塵和有害氣體污染城鎮(zhèn)的水源和大氣等。例9“綠色化學”要求從技術上、經濟上設計可行的化學反應，使其盡可能減少對環(huán)境的負作用。下列化學反應中，不符合綠色化學概念的是a用氨水吸收硫酸廠的尾氣：so2+2nh3+h2o=(nh4)2so3b除去硝酸工業(yè)尾氣中的氮氧化合物：no2+no+2naoh=2nano2+h2oc.制硫酸銅：cu+2h2so4=cuso4+so2+2h2od制硫酸銅：2cu+o2=2cuo cuo+h2so4(稀)=cuso4+h2o例10隨著社會的進步和人民生活水平的提高，環(huán)境問題越來越受到人們的關注。下列名詞中與環(huán)境問題無關的是溫室效應 赤潮 酸雨 光化學煙霧 臭氧空洞 潮汐 大脖子病 富營養(yǎng)化 白色污染a b c d例11已知氫氧化鈣在水中存在下列溶解平衡：ca(oh)2(s) ca2+2oh-。在火力發(fā)電廠燃燒煤的廢氣中往往含有二氧化硫、氧