2013年高中化学 第一单元 课题1化工生产过程中的基本问题精品课件 新人教版选修2.ppt

第一第一单单元走元走进进化学工化学工业业第一第一单单元走元走进进化学工化学工业业课题课题1化工生化工生产过产过程中的基本程中的基本问题问题课程标准导航课程标准导航1.了解生产硫酸的基本流程。了解生产硫酸的基本流程。2了解生产中原料的选择。了解生产中原料的选择。3了解化学科学实验与化工生产的区别。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。注意生产中的三废处理，防止环境污染。新新知知初初探探自自学学导导引引自主学习自主学习一、依据化学反一、依据化学反应应原理确定生原理确定生产过产过程程工工业业生生产产上制上制备备硫酸的基本原理：硫酸的基本原理：1.以以S为为原料制原料制备备SO2化学反化学反应应方程式：方程式：S(s)O2(g)=SO2(g),(属属_反反应应)。放放热热放放热热放放热热想一想想一想工工业业生生产产硫酸分硫酸分为为几个生几个生产阶产阶段？段？对应对应的主的主要要设备设备是什么？是什么？提示：提示：(1)三个生三个生产阶产阶段：造气、催化氧化、段：造气、催化氧化、SO3的吸收。的吸收。(2)三个主要三个主要设备设备：沸：沸腾腾炉炉(造气造气)、接触室、接触室(催催化氧化室化氧化室)、吸收塔。、吸收塔。二、生二、生产产中原料的中原料的选择选择我国生我国生产产硫酸需考硫酸需考虑虑的的问题问题：1.从从基基建建投投资资、加加工工费费用用及及环环保保方方面面考考虑虑，用硫黄制硫酸用硫黄制硫酸优优于用黄于用黄铁矿铁矿制硫酸。制硫酸。2.我我国国天天然然硫硫资资源源缺缺乏乏，而而且且开开采采条条件件比比较较复复杂杂。3.我国黄铁矿储量比天然硫黄要大。我国黄铁矿储量比天然硫黄要大。4.硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，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，设备简单，三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化。易于设备大型化。5.由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸高。铁矿制硫酸高。用用低温低温不用不用2.从工业生产实际考虑条件选择从工业生产实际考虑条件选择(1)温度应综合考虑反应速率和实际转化率两温度应综合考虑反应速率和实际转化率两个方面；同时还要考虑催化剂的最佳活性。个方面；同时还要考虑催化剂的最佳活性。(2)压强除从反应原理考虑外，还要考虑产压强除从反应原理考虑外，还要考虑产率、设备条件等。率、设备条件等。3.工业制硫酸的适宜条件工业制硫酸的适宜条件(1)温度：温度：400500(兼顾反应速率和转化兼顾反应速率和转化率，同时又能使催化剂达到最佳活性率，同时又能使催化剂达到最佳活性)(2)压强：常压压强：常压(常压下常压下SO2转化率已较高，增转化率已较高，增压对转化率提高有限压对转化率提高有限)(3)使用催化剂使用催化剂(尽量加大反应速率尽量加大反应速率)四、生四、生产产中的三中的三废处废处理理1.尾气吸收尾气吸收H2SO4工工业业的尾气主要是的尾气主要是SO2。_，_。SO2Ca(OH)2=CaSO3H2OCaSO3H2SO4=CaSO4SO2H2O2.污水处理污水处理不同化工生产过程产生的污水，所含杂质不不同化工生产过程产生的污水，所含杂质不同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物同，要根据杂质的性质不同，采用不同的物理化学方法，如酸碱中和法，重金属离子沉理化学方法，如酸碱中和法，重金属离子沉淀法等。淀法等。3.废渣的利用废渣的利用用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，含排出用黄铁矿为原料生产硫酸的过程中，含排出一些炉渣和矿灰，可作为炼铁的原料；还可一些炉渣和矿灰，可作为炼铁的原料；还可用来提炼贵重的有色金属；另外，这些废渣用来提炼贵重的有色金属；另外，这些废渣还可作为制造水泥的原料或用于制砖。还可作为制造水泥的原料或用于制砖。五、能量的充分利用五、能量的充分利用1.生生产产1 t硫酸需消耗硫酸需消耗100 kWh的的电电能，硫酸能，硫酸生生产过产过程中的三个化学反程中的三个化学反应应都是放都是放热热反反应应，生生产产1 t硫酸放出的反硫酸放出的反应热应热相当于相当于200 kWh的的电电能。能。这这些些废热废热的利用，可以向外界的利用，可以向外界输输出出大量能量，大大降低生大量能量，大大降低生产产成本。成本。2.可以利用可以利用SO2氧化成氧化成SO3时时放出的放出的热热量来量来预预热热即将参加反即将参加反应应的的_和和_等。等。SO2O2自主体验自主体验1.最近，国际上提出的最近，国际上提出的“绿色化学绿色化学”是指化学是指化学工业生产中的工业生产中的()A对废水、废气、废渣进行严格处理对废水、废气、废渣进行严格处理B在化学生产中少用或不用有害物质以及在化学生产中少用或不用有害物质以及少排放或不排放有害物质少排放或不排放有害物质C在化工生产中，不使用任何化学物质在化工生产中，不使用任何化学物质D在化工厂种草、种树，使其成为花园式在化工厂种草、种树，使其成为花园式工厂工厂解析：选解析：选B。“绿色化学绿色化学”是指在化学工业生是指在化学工业生产中少用或不用有害物质以及少排放或不排产中少用或不用有害物质以及少排放或不排放有害物质。放有害物质。2.(2012广州高二检测广州高二检测)下列说法正确的是下列说法正确的是()A合成硫酸的工业尾气可以直接排入大气合成硫酸的工业尾气可以直接排入大气中中B进入接触室的气体，必须先经净化、干进入接触室的气体，必须先经净化、干燥燥C以黄铁矿为原料生产硫酸，从沸腾炉中以黄铁矿为原料生产硫酸，从沸腾炉中排出的炉渣可以作为肥料排出的炉渣可以作为肥料D在高温、高压下由在高温、高压下由SO2和和O2合成合成SO3解析：选解析：选B。硫酸工业的尾气中含有。硫酸工业的尾气中含有SO2气气体，不能直接排入大气，体，不能直接排入大气，A错；沸腾炉中排错；沸腾炉中排出的炉渣中含有出的炉渣中含有Fe2O3，砷、硒化合物等，砷、硒化合物等，不能用作肥料，不能用作肥料，C错；错；D项中的反应在常压项中的反应在常压下效果较好。下效果较好。3.下列物质的制备，符合工业生产实际的是下列物质的制备，符合工业生产实际的是()A将氯气通入澄清石灰水中制漂白粉将氯气通入澄清石灰水中制漂白粉B用离子交换膜法电解饱和食盐水制备烧用离子交换膜法电解饱和食盐水制备烧碱、氢气和氯气碱、氢气和氯气C将氢气和氯气混合后点燃，产物用水吸将氢气和氯气混合后点燃，产物用水吸收制备盐酸收制备盐酸D将将SO2和和O2的混合气加高压后，通过接的混合气加高压后，通过接触室，制备触室，制备SO3解析：选解析：选B。Cl2通入石灰乳中制漂白粉；通入石灰乳中制漂白粉；H2和和Cl2混合后点燃易爆炸；混合后点燃易爆炸；SO2和和O2在接触室在接触室内常压条件下生成内常压条件下生成SO3即可。即可。要要点点突突破破讲讲练练互互动动探探究究导导引引1根根据据化化学学反反应应速速率率及及平平衡衡理理论论阐阐述述SO2接触氧化生成接触氧化生成SO3的适宜条件是什么？的适宜条件是什么？提示：提示：常常压压、较较高的温度高的温度(400500)和催化和催化剂剂。要点要点1 1硫酸的生产硫酸的生产接触法接触法要点归纳要点归纳黄铁矿的主要成分是黄铁矿的主要成分是FeS2，黄铁矿在燃烧前，黄铁矿在燃烧前需粉碎，增大和氧气的接触面积，使燃烧速需粉碎，增大和氧气的接触面积，使燃烧速率加快且更充分，提高原料利用率。率加快且更充分，提高原料利用率。该反应在沸腾炉中进行，从炉内出来的气体该反应在沸腾炉中进行，从炉内出来的气体叫炉气，成分为叫炉气，成分为SO2、O2、N2、H2O及矿及矿尘，砷、硒化合物等。其中砷、硒化合物和尘，砷、硒化合物等。其中砷、硒化合物和矿尘能使催化剂中毒，可通过除尘、洗涤等矿尘能使催化剂中毒，可通过除尘、洗涤等方法除去；水蒸气对设备和生产有不良影方法除去；水蒸气对设备和生产有不良影响，可通过干燥除去。响，可通过干燥除去。此反应是一个可逆反应，正反应是气体体积此反应是一个可逆反应，正反应是气体体积缩小的放热反应，由化学平衡理论可知，在缩小的放热反应，由化学平衡理论可知，在较低温度下进行有利，但温度低时催化剂活较低温度下进行有利，但温度低时催化剂活性不高，反应速率低，实际生产中选择常压性不高，反应速率低，实际生产中选择常压下下400 500 进行，化学反应速率和进行，化学反应速率和SO2平衡转化率都比较理想。平衡转化率都比较理想。在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换在接触室的两层催化剂之间装上一个热交换器，把反应生成的热传递给进入接触室需要器，把反应生成的热传递给进入接触室需要预热的炉气，同时冷却反应后生成的气体。预热的炉气，同时冷却反应后生成的气体。(3)SO3的吸收：的吸收：SO3(g)H2O(l)=H2SO4(l)；H130.3 kJmol1工业上并不直接用水吸收三氧化硫，而是用工业上并不直接用水吸收三氧化硫，而是用质量分数为质量分数为98%的硫酸作吸收剂，因为三氧的硫酸作吸收剂，因为三氧化硫与水蒸气容易形成酸雾，从而降低了三化硫与水蒸气容易形成酸雾，从而降低了三氧化硫的吸收率。同时采用逆流吸收，硫酸氧化硫的吸收率。同时采用逆流吸收，硫酸从塔底放出。从塔底放出。3.废气、废水、废渣的利用：尾气中的废气、废水、废渣的利用：尾气中的SO2用氨水吸收，生成的用氨水吸收，生成的(NH4)2SO4作化肥，作化肥，SO2循环利用。循环利用。SO2NH3H2O=NH4HSO3SO22NH3H2O(=NH4)2SO32NH4HSO3H2SO4(NH4)2=SO42SO22H2O(NH4)2SO3H2SO4=(NH4)2SO4SO2H2O废水用石灰乳中和：废水用石灰乳中和：Ca(OH)2H2SO4=CaSO42H2O废渣可用于制砖、制水泥、回收有色金属等废渣可用于制砖、制水泥、回收有色金属等综合利用。综合利用。即时应用即时应用1.以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：下：a为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎b过量空气能提高过量空气能提高SO2的转化率的转化率c使用催化剂能提高使用催化剂能提高SO2的反应速率和转化的反应速率和转化率率d沸腾炉排出的矿渣可供炼铁沸腾炉排出的矿渣可供炼铁(4)每每160 g SO3气体与气体与H2O化合放出化合放出260.6 kJ的热量，该反应的热化学方程式是的热量，该反应的热化学方程式是_。(5)吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓吸收塔排出的尾气先用氨水吸收，再用浓硫酸处理，得到较高浓度的硫酸处理，得到较高浓度的SO2和铵盐。和铵盐。SO2既可作为生产硫酸的原料循环再利既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气用，也可用于工业制溴过程中吸收潮湿空气中的中的Br2。SO2吸收吸收Br2的离子方程式是的离子方程式是_。为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不为测定该铵盐中氮元素的质量分数，将不同质量的铵盐分别加入到同质量的铵盐分别加入到50.00 mL相同浓度相同浓度的的NaOH溶液中，沸水浴加热至气体全部逸溶液中，沸水浴加热至气体全部逸出出(此温度下铵盐不分解此温度下铵盐不分解)，该气体经干燥后，该气体经干燥后用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质用浓硫酸吸收完全，测定浓硫酸增加的质量。量。部分测定结果：部分测定结果：铵盐质量为铵盐质量为10.00 g和和20.00 g时，浓硫酸增加时，浓硫酸增加的质量相同；铵盐质量为的质量相同；铵盐质量为30.00 g时，浓硫酸时，浓硫酸增加的质量为增加的质量为0.68 g；铵盐质量为；铵盐质量为40.00 g时，浓硫酸的质量不变。时，浓硫酸的质量不变。计算：该铵盐中氮元素的质量分数是计算：该铵盐中氮元素的质量分数是_%；若铵盐质量为；若铵盐质量为15.00 g，浓硫酸，浓硫酸增加的质量为增加的质量为_。(计算结果保留两计算结果保留两位小数位小数)要点要点2 2硫酸工业中连续多步反应的硫酸工业中连续多步反应的计算计算探探究究导导引引 2硫硫酸酸工工业业中中涉涉及及哪哪几几个个反反应应，写写出化学方程式。出化学方程式。要点归纳要点归纳接触法制硫酸时涉及三个连续反应，所以接触法制硫酸时涉及三个连续反应，所以在关于工业制硫酸的计算性题目中往往涉及在关于工业制硫酸的计算性题目中往往涉及这几步连续反应的计算。而对于连续多步反这几步连续反应的计算。而对于连续多步反应的计算通常使用关系式法，这样就避免了应的计算通常使用关系式法，这样就避免了对中间产物的繁琐计算，节约了时间，提高对中间产物的繁琐计算，节约了时间，提高了计算结果的准确性。了计算结果的准确性。关系式法解题需要找准关系式，找关系式的关系式法解题需要找准关系式，找关系式的一般方法是根据涉及的多步反应的化学方程一般方法是根据涉及的多步反应的化学方程式，依照元素质量守恒或电子转移数目守恒式，依照元素质量守恒或电子转移数目守恒的原则找出连续多步反应中元素的转化关系的原则找出连续多步反应中元素的转化关系,如在用黄铁矿如在用黄铁矿(硫黄硫黄)制硫酸时，根据转化过制硫酸时，根据转化过程中硫元素守恒的原则可以找到这样的关系程中硫元素守恒的原则可以找到这样的关系式：式：FeS22SO22SO32H2SO4；或；或SSO2SO3H2SO4在硫酸工业制硫酸的有关计算中通常就利用在硫酸工业制硫酸的有关计算中通常就利用以上两关系式解题。以上两关系式解题。另外，在有关计算中往往还涉及物质的转化另外，在有关计算中往往还涉及物质的转化率和损失率的问题，这在连续多步反应的有率和损失率的问题，这在连续多步反应的有关计算中也是一个难点问题。对于这一类的关计算中也是一个难点问题。对于这一类的问题，需要我们掌握这样几个原则：问题，需要我们掌握这样几个原则：(1)一种化合物中，一种元素的转化率等于该一种化合物中，一种元素的转化率等于该化合物的转化率，例如在化合物的转化率，例如在FeS2向向SO2转化的转化的过程中，若硫元素的转化率为过程中，若硫元素的转化率为99%，则，则FeS2的转化率也为的转化率也为99%。(2)在同一个化学反应或多个相关联的化学反在同一个化学反应或多个相关联的化学反应中，具有个别元素质量守恒关系的反应物应中，具有个别元素质量守恒关系的反应物和生成物，反应物的转化率等于生成物的产和生成物，反应物的转化率等于生成物的产率，例如在率，例如在FeS2向向SO2转化的过程中，转化的过程中，FeS2的转化率必等于的转化率必等于SO2的产率，在的产率，在FeS2向向H2SO4转化的过程中，转化的过程中，FeS2的转化率等于的转化率等于H2SO4的产率。的产率。即时应用即时应用2.某硫酸厂每天用含某硫酸厂每天用含FeS2 60%的黄铁矿的黄铁矿500 t生产硫酸，如果在沸腾炉内损失生产硫酸，如果在沸腾炉内损失5%的硫，的硫，SO2的转化率为的转化率为90%。每天能生产。每天能生产98%的硫的硫酸多少吨？酸多少吨？解解析析：本本题题主主要要考考查查如如何何处处理理多多步步反反应应过过程程中中原原料料的的损损失失。沸沸腾腾炉炉中中损损失失5%的的硫硫，SO2转转化化率率为为90%。这这些些都都可可转转化化为为S元元素素的的损损失失，进进而而转转化化为为FeS2的的损损失失。所所以以设设生生产产98%的硫酸的硫酸x吨。吨。则则由关系式：由关系式：FeS22H2SO4120 29850060%(15%)90%x98%即：即：12050060%(15%)90%298x98%解得解得x427.5。答案：每天能生答案：每天能生产产98%的硫酸的硫酸427.5吨。吨。题题型型探探究究技技法法归归纳纳题型题型1 1接触法制硫酸的原理接触法制硫酸的原理例例例例1 1 在接触法制硫酸的工在接触法制硫酸的工业业生生产产中，下列中，下列生生产产操作与操作与说说明明这这些操作的主要原因都正确些操作的主要原因都正确的是的是(双双选选)()A黄黄铁矿铁矿煅煅烧烧前需要粉碎，因前需要粉碎，因为为大大块块黄黄铁铁矿矿不能燃不能燃烧烧B从沸腾炉出来的炉气需要净化，这样可以从沸腾炉出来的炉气需要净化，这样可以提高产品的纯度提高产品的纯度C在接触室内使用热交换器，这样可以节约在接触室内使用热交换器，这样可以节约能源，降低成本能源，降低成本D用质量分数为用质量分数为98.3%的硫酸吸收的硫酸吸收SO3，目，目的是防止形成酸雾，以便使的是防止形成酸雾，以便使SO3吸收完全吸收完全【解析解析】将黄将黄铁矿铁矿粉碎的主要目的是粉碎的主要目的是为为了增大和空气的接触面了增大和空气的接触面积积，可使其燃，可使其燃烧烧得得更充分、更快，所以更充分、更快，所以选项选项A操作正确，但解操作正确，但解释错误释错误；炉气；炉气净净化的目的是防止炉气中的化的目的是防止炉气中的杂质杂质和和矿尘矿尘使催化使催化剂剂中毒、失效，所以中毒、失效，所以选选项项B操作正确，但解操作正确，但解释错误释错误；【答案答案】CD (2012孝感高二检测孝感高二检测)工业制硫酸生产工业制硫酸生产流程如下图：流程如下图：题型题型2 2工业生产硫酸的适宜条件及工业生产硫酸的适宜条件及综合效益综合效益例例例例2 2(1)我国黄铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍我国黄铁矿资源比较丰富，但很多工厂仍以硫黄为原料生产硫酸，理由是以硫黄为原料生产硫酸，理由是_。(2)在催化反应室，下列措施中有利于提高在催化反应室，下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有平衡转化率的有_。A升高温度升高温度B减小压强减小压强C不断补充空气不断补充空气 D及时分离出及时分离出SO3(3)在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪在生产中为提高催化剂催化效率采取了哪些措施？些措施？_。(至少答出两点措施至少答出两点措施)(5)经检测生产硫酸的原料气成分经检测生产硫酸的原料气成分(体积分数体积分数)为为SO2 7%、O2 11%、N2 82%。在。在500，0.1 MPa条件下达到平衡时，各种气体的体条件下达到平衡时，各种气体的体积比为积比为V(SO2)V(SO3)V(O2)V(N2)0.46 6.54 7.73 82，则，则SO2的利用率为的利用率为_。【思路点思路点拨拨】解答此解答此题题注意以下两点：注意以下两点：(1)化学平衡移化学平衡移动动原理；原理；(2)热热化学反化学反应应方程式。方程式。【答案答案】(1)黄铁矿为原料的生产中产生的黄铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多，处理成本高废弃物太多，处理成本高(2)CD(3)净化气体净化气体控制温度在控制温度在400500 增大催化剂与反应气体的接触面积增大催化剂与反应气体的接触面积(4)在在1 atm和和298 K条件下，条件下，2 mol SO2和和1 mol O2完全反应生成完全反应生成2 mol SO2，放出，放出196 kJ热量，该反应为可逆反应，不可能进行完热量，该反应为可逆反应，不可能进行完全，又因为反应温度为全，又因为反应温度为450，所以放出的，所以放出的热量小于热量小于196 kJ(5)93.4%热点示例思维拓展热点示例思维拓展经典案例经典案例下面的装置是仿照工业上制备下面的装置是仿照工业上制备硫酸的工艺流程设计出来的，用于探究工业硫酸的工艺流程设计出来的，用于探究工业上为何采用上为何采用98%的浓硫酸吸收三氧化硫。的浓硫酸吸收三氧化硫。请回答下列问题：请回答下列问题：(1)写出沸腾炉内煅烧硫黄的反应方程式写出沸腾炉内煅烧硫黄的反应方程式_；(2)甲和乙相当于工业上制取硫酸装置中的甲和乙相当于工业上制取硫酸装置中的_；(3)写出在催化剂表面所发生反应的化学方程写出在催化剂表面所发生反应的化学方程式式_，在实验过程中不能持续加热的理由是在实验过程中不能持续加热的理由是_；(4)在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫在乙反应器内要求氧气的量要比二氧化硫的量多一倍左右，你是如何控制和估计的？的量多一倍左右，你是如何控制和估计的？_；(5)若丁装置在反应过程中先出现气泡，不久若丁装置在反应过程中先出现气泡，不久就出现了雾，就出现了雾，而丙装置一直都没有任何现象，产生这种现而丙装置一直都没有任何现象，产生这种现象的原因可能是象的原因可能是_。A浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远好于浓硫酸对三氧化硫的吸收效率远好于水，三氧化硫被浓硫酸充分吸收水，三氧化硫被浓硫酸充分吸收B三氧化硫的通气速率太快，三氧化硫未三氧化硫的通气速率太快，三氧化硫未被水和浓硫酸充分吸收被水和浓硫酸充分吸收C丙中的导气管插得太深，导致两个吸收丙中的导气管插得太深，导致两个吸收瓶内的气压差较大瓶内的气压差较大D丁中的导气管插得太浅，三氧化硫气体丁中的导气管插得太浅，三氧化硫气体从水中逸出，与水蒸气化合形成酸雾从水中逸出，与水蒸气化合形成酸雾【解析解析】装置甲有多个作用，一是通过观装置甲有多个作用，一是通过观察气泡产生的速率调节通入二氧化硫、氧气察气泡产生的速率调节通入二氧化硫、氧气的比例，二是使两种原料气体充分混合，三的比例，二是使两种原料气体充分混合，三是起到干燥作用。是起到干燥作用。