高中化學(xué)人教版選修2教案 石油、煤和天然氣的綜合利用1

1、 石油、煤和天然氣的綜合利用一、教材分析和建議在初中化學(xué)和必修化學(xué)2中，都介紹了石油、煤和天然氣的有關(guān)知識，并且，在必修化學(xué)2中又介紹了較多的有機(jī)化合物知識。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，本課題從化石能源綜合利用的角度，進(jìn)一步介紹了石油、煤和天然氣的知識。關(guān)于石油，教科書通過再現(xiàn)必修化學(xué)2的一幅“原油分餾及裂化的產(chǎn)品和用途示意圖”來引入，并用“思考與交流”的形式，使學(xué)生能回憶思考并充分交流，在此基礎(chǔ)上，介紹了石油煉制的方法。石油的分餾和裂化，在必修化學(xué)2中有簡單介紹，本課題又簡單介紹了其方法依據(jù)的原理和過程，但并沒有過多涉及實(shí)際的生產(chǎn)原理和過程。關(guān)于天然氣，學(xué)生已了解

2、很多，本課題只是簡單介紹了天然氣作為有機(jī)化工基本原料的技術(shù)進(jìn)步及應(yīng)用前景。關(guān)于煤，主要介紹了煤的干餾、煤的氣化和液化。煤的液化近年來在研究和應(yīng)用領(lǐng)域比較重視并有了一定的發(fā)展，我國在這方面也有新的進(jìn)展，教科書強(qiáng)調(diào)煤的綜合利用對于我國解決能源問題、環(huán)境問題的特殊意義。最后教科書還介紹了一碳化學(xué)的有關(guān)內(nèi)容，使學(xué)生了解與傳統(tǒng)的石油化工、煤化工和天然氣化工發(fā)展不同的思路和趨勢，幫助學(xué)生進(jìn)一步體會和認(rèn)識化學(xué)所特有的應(yīng)用價值和魅力。教學(xué)建議如下：1. 充分利用學(xué)生已有的相關(guān)知識，通過討論、思考、交流認(rèn)識石油、煤和天然氣，教學(xué)中可利用教科書中的“學(xué)與問”和“思考與交流”，復(fù)習(xí)已學(xué)過的知識。2. 配合課外活動，

3、讓學(xué)生通過查閱書籍、報刊、上網(wǎng)、調(diào)查訪問等方式，收集有關(guān)石油、煤和天然氣的有關(guān)信息，歸納整理或?qū)懗稣{(diào)查報告和小論文，在班上與同學(xué)交流。教學(xué)重點(diǎn)：石油、煤和天然氣綜合利用的新進(jìn)展。二、問題交流【學(xué)與問1】天然氣主要來自與石油伴生的油田中。天然氣的主要用途是作燃料和化工原料。此問題由學(xué)生先交流，然后教師再進(jìn)一步說明?！緦W(xué)與問2】幾種煤干餾的產(chǎn)品及主要成分：【學(xué)與問3】 【思考與交流1】石油煉制的方法有分餾、裂化、裂解等。可讓學(xué)生根據(jù)教科書表216，進(jìn)一步列舉出他們身邊見過或通過其他途徑知道的石油化工產(chǎn)品的用途?！舅伎寂c交流2】參考必修化學(xué)2，可讓學(xué)生結(jié)合生活實(shí)際，列舉一些他們生活中用到的以乙烯為原

4、料生產(chǎn)的產(chǎn)品。【思考與交流3】煤中所含的主要元素是碳。目前煤綜合利用的主要方法是煤的干餾、煤的液化和氣化。 CO2 = CO22CO2 = 2CO C+H2O = CO+H2練習(xí)與實(shí)踐參考1. （1）可用淀粉碘化鉀試紙。（2）可用硝酸酸化的硝酸銀溶液。（3）氯氣消毒會使水中所含的食物殘?jiān)透∮紊锏榷喾N有機(jī)物發(fā)生變化，生成對人體有害的鹵代烴（如三氯甲烷等）。這些鹵代烴中有些是有毒的，有的還可能具有致癌和致畸作用。2. （1）取水樣加入少量肥皂水，振蕩，觀察有無沉淀或渾濁等現(xiàn)象發(fā)生。（2）肯定含有碳酸鈣和碳酸鎂中的一種，或兩種都存在，也有可能還含有氫氧化鎂。（3）參考教學(xué)資源。3舉出三種生產(chǎn)、生

5、活中氯化鈉的用途即可。4Cl2+2Br- = 2Cl-+Br2 , 1.4108 m3教學(xué)資源1. 水的硬度和人體健康水的硬度最初是指水溶解肥皂的程度，現(xiàn)在主要用以指示水中含有鈣、鎂、錳、鐵等鹽類的濃度。國際上對水的硬度的表示方法和計(jì)算單位很不一致，我國目前習(xí)慣上以“德國度”來表示。如果1升水中含有10毫克氧化鈣，這種水的硬度就是1度。一般將04度的水稱為很軟水，48度的水稱為軟水，816度的水稱為中等硬水，1630度的水稱為硬水，30度以上的水稱為最硬水。自然界中的飲用水中，雨水屬軟水，江、河、湖、塘等普通地面水的硬度大都不高，而地下水的硬度往往偏高。水的硬度的高低與人體健康的關(guān)系極大。高硬

6、度水中的鈣、鎂離子能與硫酸根結(jié)合，使水產(chǎn)生苦澀味，還會使人的胃腸功能紊亂，出現(xiàn)暫時性的腹脹、排氣多、腹瀉等現(xiàn)象。我國北方不少地方飲用硬度較高的地下水，所以久居南方的人初到北方，開始一段時間會出現(xiàn)所謂“水土不服”現(xiàn)象，時間長了，胃腸逐漸適應(yīng)后，這種現(xiàn)象就會隨之消失。那么硬水是否毫無益處呢？情況恰恰相反，美、英等國家的一些科學(xué)家、醫(yī)學(xué)家根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，人類的某些心血管疾病，如高血壓和動脈硬化性心臟病的死亡率，與飲水的硬度成反比關(guān)系，即飲水硬度較高，心血管病的死亡率就低，水質(zhì)硬度低，死亡率反而高。這是為什么呢？實(shí)驗(yàn)證明，缺鎂可引起大白鼠的心肌壞死和心血管內(nèi)膜鈣鹽沉著，而攝入較多量的鎂可預(yù)防膽固醇所引起

7、的動脈粥樣硬化。生活在山區(qū)的人一般比較健康長壽，除了其他各種因素以外，與他們長期飲用礦物質(zhì)含量比較高的山泉水有重要的關(guān)系。當(dāng)然，生活用水的硬度也并非越高越好，硬度太高的水除了水味不好、對人體健康不利之外，還會使肥皂大大降低去污能力，會使水壺內(nèi)生成水垢，而增加燃料的消耗等。硬度高的水對人畢竟是弊多利少，因此世界各國制定的飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中，都對硬度作了明確的規(guī)定。我國目前對飲用水的硬度規(guī)定為“不超過25度”。2. 水垢的形成、危害和除去的方法一般水垢的主要成分是碳酸鈣、碳酸鎂和硫酸鈣，此外也還有硅酸鈣、硅酸鎂和氫氧化鎂等物質(zhì)。水垢大都堅(jiān)硬如石，但也有松軟如泥的，這要看水中雜質(zhì)的性質(zhì)而定。通常，水垢的

8、形成是因?yàn)樗軣嵴舭l(fā)時，水中所含各種鹽類發(fā)生物理、化學(xué)變化的結(jié)果。主要有以下幾個方面：（1）最主要的原因是由于水在鍋爐里不斷蒸發(fā)，水中所含各種鹽類不斷濃縮，當(dāng)達(dá)到飽和后即析出結(jié)晶。（2）水中所含碳酸氫鹽由于受熱分解，生成難溶的碳酸鹽沉淀。（3）另一個重要原因是形成水垢的某些鹽類（如CaSO4）的溶解度，隨溫度的升高而下降。在加熱鍋爐時，熱量必須經(jīng)爐壁傳入水中，所以爐壁的溫度常高于爐內(nèi)的水溫，這些鹽類在爐壁附近溶解度顯著下降，于是析出結(jié)晶，聚結(jié)在爐壁主要受熱面上。爐溫越高的地方，水垢也聚結(jié)得越厚、越堅(jiān)固。水垢是熱的不良導(dǎo)體，它的導(dǎo)熱能力比一般鋼鐵小3050倍。鍋爐內(nèi)結(jié)有水垢后，就會嚴(yán)重影響熱的傳

9、導(dǎo)，大量的熱從煙道排出而散失。根據(jù)實(shí)驗(yàn)得知，鍋爐內(nèi)壁產(chǎn)生1毫米厚的水垢，就要多消耗煤炭3%5%。當(dāng)鍋爐內(nèi)結(jié)成堅(jiān)厚水垢后，鍋爐中的水不能直接跟爐壁接觸，爐壁的熱不能被水很快吸收，爐壁溫度就可燒至千度以上，在鍋爐外表會形成一層易于脫落的氧化膜，發(fā)生嚴(yán)重的氧化腐蝕。此外，貼在鍋爐內(nèi)壁的水垢，在高溫下，其中的鹵化物產(chǎn)生鹵素離子，鹵素離子最易侵蝕鋼鐵，形成鐵鹽水垢，使鍋爐內(nèi)壁變脆。這種腐蝕還會不斷向爐壁深處發(fā)展。以上這些，對鍋爐形成內(nèi)外夾攻，致使鍋爐壽命大為縮短。另外，當(dāng)水垢分解時放出大量二氧化碳?xì)怏w，會使水垢局部爆裂脫落。當(dāng)爐壁處在高溫狀態(tài)下，一旦有水從水垢縫中滲入，爐壁驟然冷卻，就會發(fā)生炸裂。所以在

10、生產(chǎn)中，鍋爐內(nèi)如果結(jié)了較多的水垢就要除去。除去的方法：一般是用4%5%的鹽酸進(jìn)行酸洗，酸洗時為了減少酸液對金屬設(shè)備的腐蝕，常用烏洛托品作為緩蝕劑。3. 離子交換劑簡介凡具有離子交換能力的物質(zhì)稱為離子交換劑。離子交換劑分無機(jī)和有機(jī)兩大類：（1）無機(jī)離子交換劑無機(jī)離子交換劑有天然沸石和合成沸石等。這些離子交換劑使用歷史最久，但只有陽離子交換劑，而且由于顆粒核心為致密結(jié)構(gòu)，一般地說交換能力較低?，F(xiàn)在工廠里已很少使用。（2）有機(jī)離子交換劑有機(jī)離子交換劑又可分碳質(zhì)離子交換劑和有機(jī)合成離子交換劑兩種。碳質(zhì)離子交換劑，主要是磺化煤。這種交換劑因顆粒核心為粗松結(jié)構(gòu)，交換反應(yīng)可以在顆粒的表面和內(nèi)部進(jìn)行，所以它的

11、交換能力比天然無機(jī)離子交換劑大，常用于硬水軟化。碳質(zhì)離子交換劑由于具有不耐熱、機(jī)械強(qiáng)度低、交換容量小和再生劑耗費(fèi)大等缺點(diǎn)，已逐漸被有機(jī)合成離子交換樹脂代替。有機(jī)合成離子交換劑，又稱離子交換樹脂，它是由交換劑本體和交換基團(tuán)兩部分組成。交換本體是高分子化合物和交聯(lián)劑組成的高分子共聚物。交聯(lián)劑主要是使高分子化合物成為固體，并使其成為網(wǎng)狀。交換基團(tuán)是由能起交換作用的陽（陰）離子和與交換劑本體聯(lián)結(jié)在一起的陰（陽）離子組成的。例如，磺酸型苯乙烯-二乙烯苯強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂，它的本體是苯乙烯高分子聚合物和交聯(lián)劑二乙烯苯組成的共聚體。它的交換基團(tuán)是磺酸基（SO3H），其中H+是可游離的陽離子，而SO32-是

12、和本體聯(lián)結(jié)在一起的不可游離的陰離子。常用的離子交換樹脂一般都做成球狀，因?yàn)榍驙顦渲品ê唵?，而且球形磨損性小，表面積大，有利于交換。離子交換樹脂多呈透明或半透明狀，顏色有白、黃、黑及赤褐色等數(shù)種，幾乎不溶于一切有機(jī)和無機(jī)溶劑中（除醛類外）。離子交換樹脂在交換和再生時，體積會發(fā)生脹縮，經(jīng)多次的脹縮后，就會發(fā)生老化和失效。離子交換樹脂可認(rèn)為是一種不溶性固態(tài)的多價酸（或堿），它具有一般酸堿的反應(yīng)性能，具有進(jìn)行離子交換、催化及形成絡(luò)鹽等作用，不過離子交換樹脂具有一定的選擇性。有機(jī)合成離子交換劑按加工成的形狀，有離子交換樹脂；離子交換膜；離子交換纖維；離子交換紙；離子交換液；離子交換塊。目前使用最廣泛的

13、是離子交換樹脂。它在電子、電力、醫(yī)藥、化工、冶金、造紙、紡織、石油、鐵路、食品加工和原子能等工業(yè)部門中，已被廣泛應(yīng)用于純水制取、硬水軟化、原料提純、脫色精制、元素分離、有機(jī)合成等方面，特別是在純水制取及硬水軟化方面，應(yīng)用更為廣泛。4. 幾種工業(yè)廢水的處理（1）含氰廢水含氰廢水來自礦石萃取和采礦、照相加工、焦?fàn)t、合成纖維生產(chǎn)、鋼的表面硬化和酸洗及工業(yè)氣體洗滌，主要來源是電鍍工業(yè)。處理氰化物廢水的方法有氯化法、電解法、臭氧氧化法、蒸發(fā)回收法以及反滲透、離子交換和催化氧化法。（2）酚類廢水酚類污染物來源廣泛：煤氣、炸藥、木材干餾、煤焦油蒸餾、煉油、浮選礦廢液、農(nóng)藥、化工、樹脂生產(chǎn)、顯像劑、煉焦?fàn)t。這

14、類廢水可包括多種多樣類似的化合物，其中有各種酚、氯酚和苯氧基酸。因此，從污染控制方法來說，按含酚廢水中酚類濃度的不同，采用不同的處理方法。濃的含酚廢水中回收酚比較普通和成功的方法，全都是用不混溶的有機(jī)溶劑萃取，此法效率極高，可回收98%99%的酚。中等含酚濃度廢水，廣泛地采用生物法來處理，生物法包括有活性污泥法等。稀含酚廢水通常用化學(xué)法或物理化學(xué)法，而不用生物法。（3）含油廢水含油廢水的主要來源是鋼鐵制造、金屬加工、煉油廠以及食品加工工業(yè)。含油廢水的處理在基本原理上類似于生活下水的處理。先用初級處理將浮油（游離油）從水和乳化含油物料中分出。然后，再用二級處理以破壞油水乳液并將剩下的油與水分離。

15、（4）氟化物廢水氟化物廢水的來源有：焦炭生產(chǎn)、玻璃和陶瓷制造、晶體管制造、電鍍、鋼和鋁加工以及農(nóng)藥和肥料生產(chǎn)。玻璃和電鍍廢水一般含有呈氟化氫（HF）或氟離子（F-）形態(tài)的氟。肥料生產(chǎn)過程中排出的氟化物，由于是處理磷礦，一般呈四氟化硅（SiF4）形態(tài)。制鋁工業(yè)用氟化物冰晶石（Na3AlF6）作為鋁礬土還原的催化劑，生成的氣態(tài)氟化物經(jīng)洗滌而轉(zhuǎn)換成水相廢液。有多種方法可用來處理含氟化物廢水，較重要的有沉淀法和吸附法。沉淀法系加化學(xué)品處理，形成氟化物沉淀或氟化物在生成的沉淀物上共沉淀，通過沉淀物的固體分離達(dá)到氟的去除。采用的化學(xué)品有石灰、鎂化合物和硫酸鋁。摘編自楊宏秀等編.化學(xué)與社會發(fā)展.化學(xué)工業(yè)出版

16、社，20025. 煤的氣化與常規(guī)燃燒工藝并存的技術(shù)是把煤轉(zhuǎn)化為另一種燃料形式，即氣體和液體燃料燃燒。從能量轉(zhuǎn)換的角度來講，煤的氣化技術(shù)是把固體（煤）的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成易于利用的氣體的化學(xué)能的過程。煤的氣化反應(yīng)可分成：煤的熱分解即干餾，以及隨后的炭（或焦炭）的氣化反應(yīng)。干餾氣體大部分是甲烷和氫：然后，炭與作為氣化劑的空氣、氧氣、水蒸氣和氫進(jìn)行反應(yīng)，產(chǎn)生的氣體又相互反應(yīng)。（1）氧化燃燒（與氧反應(yīng)） C+O2 CO2（2-1） C+1/2O2CO（2-2）（2）蒸汽轉(zhuǎn)化（與水蒸氣反應(yīng)） C+H2OCO+H2（2-3） C+2H2OCO2+2H2 (2-4) CO+H2OCO2+H2（2-5）（3）甲烷化

17、（與氫反應(yīng)） C+2H2CH4（2-6） CO+3H2CH4+H2O（2-7）（4）還原反應(yīng) C+CO22CO（2-8）煤的氣化反應(yīng)比較復(fù)雜，在氣化爐內(nèi)先后或同時發(fā)生氧化燃燒、還原、轉(zhuǎn)化、甲烷化反應(yīng)。式（2-3）、式（2-5）、式（2-8）為吸熱反應(yīng)，余為放熱反應(yīng)。式（2-3）是煤氣化的主反應(yīng)之一。式（2-4）是式（2-3）的副反應(yīng)，溫度高于1 000 時可以忽略，式（2-5）為一氧化碳變換反應(yīng)，只有在催化劑存在下才以顯著的速率進(jìn)行，式（2-6）、式(2-7)在加壓氣化下較為重要。煤的氣化有3種可能的應(yīng)用途徑，如圖2-1所示。由此可見，將煤與空氣和水蒸氣（在大氣壓下）起反應(yīng)，所得的煤氣熱值大約

18、在4.75.6 MJ/m3，這主要是因?yàn)橛写罅康钠鹣♂屪饔玫牡獨(dú)獯嬖谟诿簹庵械木壒?。這樣的煤氣熱值很低（例如發(fā)生爐煤氣），能直接用于工業(yè)上作氣體燃料。將煤與氧-水蒸氣混合物起反應(yīng)，所得氣態(tài)產(chǎn)物主要是一氧化碳和氫（還有少量CO2），其熱值大約是11.213.0 MJ/m3。這種煤氣可用于化學(xué)工業(yè)上（合成煤氣）的后處理以制造氨、甲醇等，或者也可作為合成天然氣的組分之一，以供民用。當(dāng)在高壓下用水蒸氣和氧進(jìn)行煤氣化時，會生成甲烷。通過催化甲烷化的過程會產(chǎn)生更多甲烷，而最終產(chǎn)物是含有大量甲烷的煤氣，其熱值約35.437.3 MJ/m3，這就被稱之為合成天然氣或者管道優(yōu)質(zhì)煤氣。煤的氣化技術(shù)在生產(chǎn)城市煤氣、

19、提高動力工業(yè)的發(fā)電效率和在化學(xué)工業(yè)中代替部分天然氣和石油產(chǎn)品等方面，受到廣泛的重視。中國煤的蘊(yùn)藏十分豐富，發(fā)展煤的氣化技術(shù)對提高城市煤氣普及率、發(fā)展相關(guān)工業(yè)等方面將起重要作用。6. 煤液化技術(shù)煤的液化方法主要分為煤的直接液化和煤的間接液化兩大類。（1）煤直接液化煤在氫氣和催化劑作用下，通過加氫裂化轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的過程稱為直接液化。裂化是一種使烴類分子分裂為幾個較小分子的反應(yīng)過程。因煤直接液化過程主要采用加氫手段，故又稱煤的加氫液化法。（2）煤間接液化間接液化是以煤為原料，先氣化制成合成氣，然后，通過催化劑作用將合成氣轉(zhuǎn)化成烴類燃料、醇類燃料和化學(xué)品的過程。1923年，德國開發(fā)成功費(fèi)托合成技術(shù)，

20、將一氧化碳、氫合成烴類燃料。二次大戰(zhàn)后，僅有南非出于政治和地理因素，在20世紀(jì)50年代后，先后建立了大型以煤為原料的SASOL-、SASOL-、SASOL-費(fèi)托合成油工廠。1973年第一次石油大幅度漲價以后，在尋找替代能源的過程中，甲醇及低碳醇的優(yōu)異的抗爆性能，以及低碳醇對汽油混合燃料的助溶性能，使醇類燃料的應(yīng)用前景引人注目。同時，美國莫比爾公司開發(fā)的將甲醇直接轉(zhuǎn)化為高辛烷值汽油的技術(shù)在新西蘭投入工業(yè)應(yīng)用，促進(jìn)了煤間接液化技術(shù)的發(fā)展。煤間接液化工藝流程主要包括：煤氣化、氣體凈化、合成及產(chǎn)品分離與改質(zhì)等部分。煤間接液化技術(shù)具有下述特點(diǎn)：使用一氧化碳和氫，故可利用廉價碳資源；可按需要調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)；

21、工藝過程中各單元與石油煉制工業(yè)相似，可以借鑒。7. 石油煉制地下開采出來的石油，未經(jīng)加工前，叫做原油，從原油中提取各種燃料油、潤滑油、石蠟、瀝青等產(chǎn)品的生產(chǎn)過程，通常叫石油煉制。要了解石油煉制的生產(chǎn)過程，首先需要知道石油的化學(xué)組成、物理性質(zhì)等基礎(chǔ)知識。（1）石油石油是化石燃料之一，是從地下深處開采出來的黃色乃至黑色的可燃性黏稠液體，常與天然氣并存。它是由遠(yuǎn)古海洋或湖泊中的生物，在地下經(jīng)過漫長的地球化學(xué)演化而形成的復(fù)雜混合物，其組分主要是烴類。石油是現(xiàn)代社會主要能源之一。目前全世界每年約消耗石油30億噸，其中85%以上作為燃料。石油的組成石油的主要組成元素是碳和氫，其中碳占83%87%，氫占11

22、%14%，氫碳原子比為1.651.95。此外，尚含有少量硫（0.06%8.00%）、氮（002%1.70%）、氧（0.08%1.82%）以及微量金屬元素（鎳、釩、鐵、銅等）。石油的組分構(gòu)成復(fù)雜，含有相對分子質(zhì)量從幾十到幾千的各種組分。組成石油的化合物主要是烴類，包括烷烴、環(huán)烷烴和芳烴。摘編自楊宏秀等編.化學(xué)與社會發(fā)展.化學(xué)工業(yè)出版社，20028. 石油的催化反應(yīng)裂化用加熱蒸餾的辦法所得輕油約占原油的1/31/4。但社會需要大量的分子量小的各種烴類，采用催化裂化法，可以使碳原子數(shù)多的碳?xì)浠衔锪呀獬筛鞣N小分子的烴類，如：裂解產(chǎn)物成分很復(fù)雜，從C1至C10都有，既有飽和烴又有不飽和烴，經(jīng)分餾后分別使用。裂解產(chǎn)物的種類和數(shù)量隨催化劑和溫度、壓力等條件不同而異。不同質(zhì)量的原油對催化劑的選擇和溫度、壓力的控制也不相同。我國原油成分中重油比例較大，所以催化裂化就顯得特別重要，對外國的經(jīng)驗(yàn)只能借鑒，不能照搬。經(jīng)過30多年的研究和實(shí)踐，我國已開發(fā)適用于我國各種原油的一系列鋁硅酸鹽分子篩型催化劑。經(jīng)催化裂化，從重油中能獲得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料，也能獲得較多較好的汽油。催化重整這是石油工業(yè)中另外一個重要過程。在一定的溫度壓