课题1 化工生产过程中的基本问题
1．掌握接触法制硫酸的化学反应原理，并了解其生产过程和几个典型设备。
2．应用化学反应速率和化学反应的限度，分析并掌握硫酸工业适宜条件的选择。
3．了解防止硫酸工业“三废”造成污染和“废热”利用的初步知识。认识环境保护与节约的意义，强化环保与节约意识。
授课提示：对应学生用书第1页
一、依据化学反应原理确定生产过程
1．化工生产与化学反应的关系 化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化学反应规律。 2．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化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。 3．化工生产的案例研究——生产硫酸
(1)原料：从H 2SO 4的组成看，原料应该是自然界存在的含硫的物质，如硫黄、黄铁矿(主要成分是FeS 2)等。
(2)生产步骤：生产硫酸的主要化学过程可以分成SO 2的生成、SO 2转化为SO 3和SO 3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SO 2，反应方程式S ＋O 2=====点燃SO 2(属放热反应)。
②催化氧化：将SO 2氧化成SO 3，反应方程式2SO 2＋O 2催化剂450 ℃或△2SO 3(属放热反应)。
③SO 3吸收：三氧化硫转化成硫酸，反应方程式SO 3＋H 2O===H 2SO 4(属放热反应)。
二、生产中原料的选择
1．在工业生产中，选择原料除依据化学反应原理外，还有许多因素需要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、贮存、运输、预处理成本及环境保护等。
2．目前，世界大多数国家生产硫酸主要以硫黄为原料，我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸的。
三、生产中反应条件的控制
1．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化学反应速率和反应物的转化率都比较理想，还要同时考虑控制某些反应条件的成本和实际可能性。
2．二氧化硫催化氧化条件的选择
(1)温度条件：选择400～500_℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想。
(2)压强条件：增大气体压强，SO2的平衡转化率提高得并不多，所以，通常采用常压操作。
(3)催化剂：催化剂对化学平衡没有影响，但能改变到达平衡所需的时间。
四、生产中的三废处理
1．尾气吸收
硫酸生产的尾气中含有少量SO2，可用Ca(OH)2吸收，使其生成CaSO3，再用H2SO4处理，生成SO2和CaSO4。方程式为SO2＋Ca(OH)2===CaSO3＋H2O；CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。
2．污水处理
硫酸生产过程中的污水，含有酸性杂质，可用石灰乳中和法处理。方程式为Ca(OH)2＋H2SO4===CaSO4＋2H2O。
3．废渣的利用
废渣可用来制砖或制造水泥，炉渣和矿灰可作为炼铁的原料。
五、能量的充分利用
硫酸生产过程中的三个反应都是放热反应，如果能充分利用这些热量，不但可以由硫酸厂自行提供能量，而且还可以向外界输出大量能量，可大大降低生产成本。
授课提示：对应学生用书第2页
要点一解读工业制备硫酸的过程
1．三原料：硫铁矿(FeS2)、空气、水
接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气(含一定量的SO2)等。其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿(主要成分为FeS2)作生产硫酸的原料。
2．三反应
(1)4FeS2＋11O2===2Fe2O3＋8SO2(高温)
(2)2SO2＋O2催化剂
加热2SO3(催化剂，加热)
(3)SO3＋H2O===H2SO4
3．三设备：(1)沸腾炉(2)接触室(3)合成塔
4．三原理：化学平衡原理、热交换原理、逆流原理
(1)化学平衡原理：增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。
(2)热交换原理：在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室的需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。
(3)逆流原理：液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。
[例1] 在接触法制硫酸的工业生产中，下列生产操作与说明这些操作的主要原因都正确的是( )
A．黄铁矿煅烧前需要粉碎，因为大块黄铁矿不能燃烧
B．从沸腾炉出来的炉气需要净化，这样可以提高产品的纯度
C．SO2氧化为SO3时需使用催化剂，这样可以提高反应速率和SO2的转化率
D．用质量分数为98.3%的硫酸吸收SO3，目的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收完全
[解析] 将黄铁矿粉碎的主要目的是为了增大和空气的接触面积，可使其燃烧得更充分、更快，所以选项A操作正确，但解释错误；炉气净化的目的是防止炉气中的杂质和矿尘使催化剂中毒、失效，所以选项B操作正确，但解释错误；使用催化剂是为了提高反应速率，缩短反应完成的时间，但对反应物的转化率和产物的产率均无影响，所以选项C也是操作正确，但解释错误；选项D是正确的。
[答案] D
[方法规律]
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化学组成和性质来确定原料和生产路线。①分析产品的化学组成，据此确定生产产品的主要原料；②分析产品与生产原料之间关键元素的性质，确定主要生产步骤；③分析生产原料的性质，确定反应原理。
1．在用接触法制硫酸的过程中，若将接触室内混合气体突然冷却到15 ℃，有白色晶体析出，此晶体是( )
A ．硫酸酐
B ．固态氧
C ．硫黄
D ．亚硫酸酐
解析：冷却到15 ℃，SO 3将会成为固体，而SO 2、O 2仍是气体，硫黄虽是固体但在接触室中不可能有它的存在。
答案：A
要点二 硫酸工业生产中反应条件的选择
1．影响硫酸生产效率的因素分析
(1)接触氧化的反应为：
SO 2(g)＋12O 2(g)催化剂△SO 3(g) 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，低温高压有利于SO 3的生成。
(2)从教材P 6表1－1和表1－2可以看出，温度越低、压强越大，越有利于SO 3的生成，但压强的影响不是很大。
(3)综合考虑低温时有利于SO 2的转化，但考虑催化剂活性，温度不能太低。高压有利于SO 2的转化，但实验表明增大压强，SO 2的转化率提高并不大，而且考虑设备、成本和能源消耗问题，压强不应很高，可以考虑常压。
2．硫酸工业实际生产中条件的选择
(1)温度：根据平衡移动原理，应在低温下进行，但低温时催化剂的活性不高，反应速率低，实际生产中采用400～500 ℃的温度。
(2)常压：根据平衡移动原理，应在高压下进行，但增大压强对SO 2的转化率提高不大，且加压会增大成本和能量消耗，而常压下的转化率已很高，实际生产采用常压操作。
(3)适当过量的空气：目的是提高SO
2的转化率。
(4)接触氧化的适宜条件：常压、较高的温度(400～500 ℃)和催化剂。
[例2] 工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO 2转化为SO 3是一个关键步骤。压强及温度对SO 2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数为：SO 2 7%，O 2 11%，N 2 82%)：
0.1
0.5 1 10 400 99.2 99.6 99.7 99.9
500 93.5 96.9 97.8 99.3
600 73.7 85.8 89.5 96.4
(1)已2此结论？________________________________________________________________________；
(2)在400～500 ℃时，SO2的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是
________________________________________________________________________；
(3)选择适宜的催化剂，是否可以提高SO2的转化率？________(填“是”或“否”)，是否可以增大该反应所放出的热量？________(填“是”或“否”)；
(4)为提高SO3吸收率，实际生产中用________吸收SO3；
(5)已知：2SO2(g)＋O2(g)===2SO3(g) ΔH＝－196.6 kJ·mol－1，计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量。
[解析] (1)根据表格中的数据可以看出，在相同压强下(如在0.1 MPa下)升高温度(如由400 ℃升高到500 ℃)时，SO2的转化率降低(由99.2%降低为93.5 %)，即升高温度时此化学平衡向逆反应方向移动，而升高温度化学平衡应该向吸热反应方向移动，所以此反应的正反应为放热反应。(2)根据表格中的数据可以得知：在0.1 MPa(即常压1 atm下)SO2的转化率已经很高，如在400 ℃时已达99.2%，若增大压强到10 MPa(即100 atm)，压强增大了100倍，但是SO2的转化率增大为99.9%，只增大了0.7%，变化不大。而压强增大100倍，需要对设备的材料、动力、能源等都作相应的提高，即要增大成本投入。(3)使用催化剂只能改变化学反应的速率，改变反应到达平衡的时间，不能使化学平衡发生移动，即对SO2的转化率不产生影响；而在一定条件下，化学反应放出的热量与参加反应的反应物的量成正比，因SO2的转化率不变，所以反应放出的热量也不会增大。(4)在生产实际中是采用98.3%的浓硫酸作吸收剂来吸收SO3的。因为若用水进行吸收会形成酸雾，将影响SO3的吸收速率和效率。
(5)SO2→SO3→H2SO4～反应热
80 g m SO3＝
98 g
104×106g×98%
＝
196.6 kJ/2
Q
解得：m(SO3)＝8.0×109 g＝8.0×103 t，Q＝9.83×109 kJ。
[答案] (1)压强一定时，温度升高，SO2转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应为放热反应
(2)增大压强对提高SO2转化率无显著影响，反而会增加成本(3)否否(4)浓硫酸(5)9.83×109 kJ
[方法规律]
化工生产条件的选择是理论联系生产实际,的一个重要应用，在选择生产条件时既涉及外界条,件对化学反应速率和化学平衡的影响，又要考虑生产实际问题。在学习时应对合成二氧化硫的催化氧化的生产条件的选择充分理解、熟练掌握，并学会举一反三。
2．下列说法正确的是( )
A ．在设计化工生产的化学反应条件时，只要将化学反应的特点和化学反应理论相结合进行全面分析就没问题了
B ．在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应的速率很高，就不需要考虑催化剂的问题
C ．在现代工业上将二氧化硫氧化为三氧化硫的适宜条件是高温、高压和催化剂
D ．在2SO 2＋O 2V 2O 5450 ℃2SO 3中，对“450 ℃”的选择，来自对反应物性质和催化剂性质
的综合考虑
解析：在设计化工生产的化学反应条件时，若化学反应速率过高而对生产不利时，就要考虑施加负催化剂的问题。
答案：D
要点三 硫酸工业中多步反应的计算方法
1．关系式法：先写出多步反应的化学方程式，然后找出反应物和生成物之间物质的量(或质量)之比，列出关系式，即可一步计算。
2．元素守恒法：找出主要原料和最终产物之间物质的量的对应关系。找出此关系的简便方法，就是分析原料与产物之间所含关键元素原子个数关系，如：FeS 2～2H 2SO 4，S ～H 2SO 4。若已知(欲求)FeS 2含量，用前面的关系式，若已知(欲求)S 的含量，用后一关系式，二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS 2(或S)进行计算。
[例3] 用含FeS 2 78%的硫铁矿制硫酸，若煅烧时损失6%的硫，在接触氧化时又损失2%，求制得1 t 98%的浓H 2SO 4需这种矿石多少吨？
[解析] 每种化合物都有固定的组成，即每种化合物的组成元素的质量都有一定的比例，当某一化合物损失a %时，其组分元素也必然损失各自的a %，反之亦然。由此可知接触氧化时硫损失2%，也就是接触氧化时FeS 2的转化率为98%。
设需硫铁矿的质量为x ，涉及的有关化学反应方程式如下：
4FeS 2＋11O 2=====高温2Fe 2O 3＋8SO 2
2SO 2＋O 2V 2O 5△2SO 3
SO 3＋H 2O===H 2SO 4
根据各化学方程式中反应物和生成物之间的比例关系，可找出FeS 2与每步反应中产物之间的关系式：4FeS 2～8SO 2～8SO 3～8H 2SO 4
容易得出这组连续反应的反应关系：
FeS 2 ～ 2H 2SO 4
120 t 2×98 t
x ·78%(1－6%)·(1－2%) 1 t×98%
解之得：x ＝0.83 t 。
[答案] 0.83 t
3．含硫48%的硫铁矿煅烧时FeS 2损失2%，则下列说法不正确的是( )
A ．该硫铁矿含FeS 2也是48%
B ．硫损失也是2%
C ．铁损失也是2%
D ．该硫铁矿含FeS 2 90%
解析：该硫铁矿含FeS 2为12064
×48%＝90%，故D 项正确，而A 项错误；煅烧时FeS 2损失2%，则其中的铁和硫也都损失2%。
答案：A
授课提示：对应学生用书第4页
1．在硫酸工业生产中，为了有利于SO 2的转化，且能充分利用热能，
采用了中间有热交换器的接触室(见右图)，下列有关说法中错误的是
( )
A ．上端进入的气体温度较高，下端出来的气体温度较低
B ．预热含有二氧化硫的混合气体，有利于接触氧化
C ．A 处流出的气体为SO 2和O 2
D ．预热SO 3，有利于被浓硫酸吸收
解析：此题考查了工业生产H 2SO 4的重要设备之一——接触室中气体的流向。SO 2和O 2进入热交换器的管外时，虽具备合成温度，但无V 2O 5催化，不会生成SO 3，只有SO 2和O 2。原料SO 2、O 2从装置左侧中间进入热交换器，吸收热能后由A 处流出再进入接触室发生反应，并放出大量的热，而热交换器的作用是把一部分热量交换给刚进入热交换器的原料气，然后由下端流入下一个装置，SO 3温度过高不易被吸收，所以下端出来的气体温度较低，这也是热交换器的作用之一。
答案：D
2．接触法生产硫酸的过程中，对废气、废水、废渣、废热的处理正确的是( )
①尾气用氨水处理②污水用石灰乳处理③废渣用来造水泥、炼铁④设置废热锅炉产生蒸汽，供热或发电
A．①②B．①③④
C．①②③ D．①②③④
解析：硫酸厂尾气中含有SO2，可用氨水吸收处理；硫酸厂废水中含有硫酸可用石灰乳中和；硫酸厂废渣中含有SiO2、Fe2O3等，可用于制造水泥、炼铁；由于硫酸生产过程中三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能来降低生产成本。
答案：D
3．煅烧黄铁矿损失x%的硫，则FeS2的损失率与硫的损失率相比为( )
A．大于x% B．小于x%
C．等于x% D．不能确定
解析：由元素守恒可知硫的损失率应该与FeS2的损失率相等。
答案：C
4．下列关于硫酸工业综合经济效益的讨论中，叙述错误的是( )
A．充分利用三个反应放出的热能，来降低生产成本
B．为了防止尾气的污染，用氨水吸收尾气
C．硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区，远离硫酸消费中心
D．生产过程中含有少量硫酸的污水，可用石灰乳中和处理
解析：硫酸工厂要远离人口稠密的居民区和环保要求高的地区。远离硫酸消费中心，势必造成运输、环境污染等问题。
答案：C
5．在硫酸工业中，通过下列反应使SO2转化为SO3：2SO2＋O22SO3ΔH<0，已知常压下平衡混合气体中SO3体积分数为91%。试回答：
(1)在生产中常用过量的空气是为了____________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)加热到400～500 ℃是由于__________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)压强采用________，原因是_______________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)常用浓硫酸来吸收SO3而不用水，因为__________________________________
________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：此题考查了在硫酸工业中运用化学平衡原理选择适宜生产条件的能力。选择适宜的反应条件，要从浓度、压强、温度、催化剂等条件中考虑该反应的速率、转化率，同时还
要考虑工业生产的实际情况。如(2)(4)两问是考虑速率问题，第(1)(3)问则是考虑化学平衡问题，且第(3)问要考虑生产的实际情况。
答案：(1)增大氧气浓度，提高成本较高的SO2的转化率
(2)在此温度下，催化剂活性强，反应速率快，可缩短到达平衡的时间，提高单位时间内SO3的产率
(3)常压常压下平衡混合气体中SO3的体积分数已达91%，若再加压，对设备动力系统要求高，成本高，加压实际意义不大
(4)用水吸收易形成酸雾，降低吸收速率