化学 人教-选修2

课堂讲义 化学 选修2 化学与技术 第一单元

走进化学工业

课题1 化工生产过程中的基本问题

[目标导航] 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。

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．化工生产过程确定的案例——生产硫酸

(1)分析产品的化学组成，确定生产该产品的主要原料。从H2SO4的组成看，生产原料应该是自然界中含硫的物质，如硫黄、黄铁矿(主要成分FeS2)等。

(2)分析产品与生产原料之间关键元素的性质，确定反应原理和主要生产步骤。H2SO4中S的化合价是＋6价，而硫黄和黄铁矿中的硫分别为0价和－1价，因而不能直接得到H2SO4，需要经过多步氧化还原反应，先得到SO3，SO3再与H2O反应得到H2SO4。

(3)以S为原料制硫酸的反应原理用化学方程式表示为：

①S＋O2=====点燃SO2(放热反应)；

②2SO2＋O2催化剂△2SO3(放热反应)；

③SO3＋H2O===H2SO4(放热反应)。

【议一议】 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？

答案

三原料 三阶段 三反应(均放热) 三设备

黄铁矿(FeS2)或S 造气 4FeS2＋11O2=====高温2Fe2O3＋8SO2

或S＋O2=====点燃SO2

沸腾炉

空气 催化氧化 2SO2＋O2催化剂△2SO3 接触室(含热交换器)

98%浓H2SO4 SO3的吸收 SO3＋H2O===H2SO4(用98%浓H2SO4吸收) 吸收塔

2.工业生产中实际用98%的硫酸代替水吸收SO3的原因是什么？

答案 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。

3．在我国，工业制硫酸原料的选择方面，通常要考虑哪些方面的问题？

答案 ①从基建投资、加工费用及环境保护等方面考虑，用硫黄制硫酸的装置优于用黄铁矿制硫酸的装置；

②我国的天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂；

③我国黄铁矿储量比天然硫黄要大，但也存在供不应求的趋势；

④硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化；

⑤由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本略高于黄铁矿制硫酸；设备大型化可降低成本。

二、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．在硫酸工业生产中，二氧化硫催化氧化的条件是：常压、V2O5作催化剂、400～500_℃。 3．化学平衡状态

如果外界条件不发生变化，可逆反应进行到一定程度时，正反应速率和逆反应速率相等，反应物和生成物的浓度将保持不变，反应体系处于化学平衡状态。

4．化学平衡移动原理

(1)概念：如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、温度、压强等)，平衡就向能减弱这种改变的方向移动。

(2)催化剂对化学平衡没有(“有”或“没有”)影响，但能改变到达平衡所需时间。

【议一议】

1．硫酸工业SO2接触氧化的反应为：

SO2(g)＋12O2(g) 催化剂△SO3(g) ΔH＝－98.3 kJ·mol－1，从方程式特点看应选择怎样的温度和压强？

答案 这是一个气体总体积缩小的、放热的可逆反应。依据化学平衡移动原理，高压和低温有利于提高SO2的转化率。

2．实际硫酸工业生产中却选择常压、较高的温度(400～500 ℃)和催化剂，原因是什么？

答案 (1)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)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。

三、生产中三废的处理及能量的充分利用

1．尾气吸收

生产硫酸的尾气中含有少量SO2，可用石灰水吸收，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：SO2＋Ca(OH)2===CaSO3↓＋H2O、CaSO3＋H2SO4===CaSO4＋SO2↑＋H2O。

2．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，可作为炼铁的原料；可以用来提炼贵重的有色金属；废渣还可以作为制造水泥的原料或用于制砖。

3．废水处理

硫酸生产过程中的污水，含有酸性杂质，可用石灰乳进行中和处理。化学方程式为H2SO4＋Ca(OH)2===CaSO4＋2H2O。

4．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(在工厂称为“废热”)，不但可以由硫酸厂自行提供能量，而且还可以向外界输大量的热能，可大大降低生产成本。

【议一议】

1．硫酸工业生产的尾气中的二氧化硫，也可用氨水吸收利用，用化学方程式表示回收利用的过程。

答案 SO2＋2NH3·H2O===(NH4)2SO3＋H2O

(NH4)2SO3＋SO2＋H2O===NH4HSO3

(NH4)2SO3＋H2SO4===(NH4)2SO4＋SO2↑＋H2O

2．在硫酸工业生产的接触室(催化反应室)内使用热交换器的目的是什么？

答案 由于2SO2＋O2催化剂△2SO3是放热反应，使用热交换器，一方面能降低反应体系的温度，有利于提高反应物的转化率，另一方面，用反应产生的热量预热即将参加反应的SO2和O2等。

一、化学原理在硫酸生产中的应用

1．化学反应速率理论

(1)增大反应速率的措施：①升高温度；②使用催化剂；③在沸腾炉中燃料燃烧时，将原料粉碎，增大与空气的接触面积。

(2)化学平衡理论的应用

表1－1 不同温度下SO2的平衡转化率

[原料气成分(体积分数)：SO27%，

O211%，N282%；压强：0.1 MPa]

温度/℃ 400 450 475 500 525 550 575 600 650 1 000

转化率/% 99.2 97.5 95.8 93.5 90.5 85.6 79.9 73.7 58.5 5.0

表1－2 压强对SO2平衡转化率的影响

(原料气成分同表1－1) 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从表1－1和表1－2可以看出，温度越低、压强越大，越有利于SO2转化为SO3。虽然低温时有利于SO2的转化，但考虑催化剂的活性，温度不能太低。高压有利于SO2的转化，但实验数据表明增大压强，SO2的转化率变化并不大，考虑设备、成本和能源消耗问题，常采用常压操作。

②提高SO2转化率的另一种措施使氧气明显过量[n(O2)∶n(SO2)＞1∶2]。

2．逆流原理的应用

(1)沸腾炉中原料从上部加入，热空气从炉底吹入，使原料与助燃气体充分接触，反应充分进行；

(2)吸收塔中使用大量耐酸瓷环(片)，98%浓硫酸从塔顶喷下，三氧化硫气体从塔底吹入，提高SO3的吸收率。

3．热交换原理的应用

由于2SO2＋O2 2SO3是放热反应，在接触室内使用热交换器，使反应后的气体预热作为接触室的原料气，达到节约能源，降低生产成本的目的。

4．循环操作原理的应用

由于2SO2＋O22SO3是可逆反应，尾气中还有一定量的SO2和O2，再通过一定措施将这部分气体送回接触室，提高原料利用率，同时减少废气排放。

【例1】 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。

4__________＋11O2=====高温2Fe2O3＋8SO2

(2)接触室中发生反应的化学方程式是______________________。

(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

答案 (1)FeS2

(2)2SO2＋O2催化剂△2SO3

(3)ABD (4)BC

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。

变式训练1 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

答案 D

解析 将硫铁矿粉碎使其燃烧速率更快、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。 二、多步反应计算的解题方法

1．多步反应计算的解题技巧

多步反应指某一种初始原料经若干步反应后才得到最终产物。多步反应的计算题一般解法可以根据各步反应方程式从后往前推，一步一步去计算，但这种解法既繁琐又容易出错。本节介绍多步反应的计算题不必按反应步骤一一进行，只需把各步反应方程式逐一列出，然后根据最初反应物和最终生成物之间物质的量的关系，建立最初和最终物质的量的关系，一步计算。通常有以下两种方法：

(1)关系式法：先写出多步反应的化学方程式(要配平)，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。例如：FeS2～2H2SO4。

(2)原子守恒法：原料中某一关键元素原子理论上若全部转入产物中，则该元素的实际量(不是质量分数而是物质的量)在两种物质中应相等。例如：S～H2SO4。

2．物质纯度、转化率、产率的计算方法

(1)物质纯度(%)

＝不纯物质中所含纯物质的质量不纯物质的总质量×100%

(2)原料利用率(或转化率)(%)

＝实际参加反应的原料量投入原料总量×100%

原料转化率＝原料利用率＝1－原料的损耗率

(3)产率(%)＝产品实际产量产品理论产量×100%

【例2】 某工厂化验室为测定某黄铁矿(主要成分是FeS2)的纯度，取1.00 g矿石样品(所含杂质不挥发且不与氧气反应)，在氧气流中充分灼烧，完全反应后，冷却，称量固体残留物，质量为0.75 g。