高中化学(大纲版)第三册第五单元硫酸工业第一节接触法制硫酸(第二课时)

第二课时
［引言］上节课我们学习了工业制硫酸的反应原理并简单了解了其生产流程。

同时还认识了其中的一个生产设备——沸腾炉。

本节课我们就在此基础上来进一步认识工业生产硫酸的生产设备及工艺流程。

［板书］第一节接触法制硫酸(第二课时)
三、生产设备及工艺流程
［师］上节所学沸腾炉中的工艺我们可简单表示如下：
［板书］
［过渡］从沸腾炉出来的炉气经净化、干燥后便进入硫酸生产的第二阶段，即氧化阶段。

下面，我们就来分析一下SO2转化为SO3的反应条件。

［讲解］根据化学反应原理，二氧化硫的氧化是在催化剂存在条件下进行的，目前工业生产上采用的是钒催化剂。

二氧化硫同氧气在钒催化剂表面上与其接触时发生反应，所以，工业上将这种生产硫酸的方法叫做接触法制硫酸。

二氧化硫发生催化氧化的热化学方程式为：
［提问］SO2的接触氧化在什么条件下反应可提高SO2的转化率？
［师］请大家根据所学知识进行回答
［生］SO2的氧化为一可逆反应。

根据勒夏特列原理，加压、降温有利于SO2转化率的提高。

［教师评价］回答得很好！
［问］对于工业生产来讲，假如原料转化率很高，但反应速率却很慢，这样的生产有无意义呢？
［学生摇头］没有！
［师］从我们刚才的分析结论可知，SO2的氧化在低温下进行可有利于SO2转化率的提高，但这对反应的速率将有何影响呢？
［生］使化学反应速率减慢！
［想一想］应该怎样解决上述矛盾？
［教师提示：可联想工业制NH3的有关知识］
［生恍然大悟］找一个折中的办法，即既要使SO2的转化率不太低，又要使反应的速率不太慢。

［师］很好，下面是一组实验数据，请大家分析。

［投影］
同温度下SO2的平衡转化率
［原料气成分(体积分数)：SO2 7%，O2 11%，N2 82%；压强：0.1 MPa］
［问］你们认为温度控制在什么范围比较合适呢？说出理由。

［学生各抒己见］
［小结］由大家刚才的发言并结合实际情况，可知温度在400℃～500℃的范围内比较合适，这是因为：二氧化硫的转化率在此温度下已比较理想，且满足催化剂的活性温度(为430℃～600℃)，同时化学反应的速率又不会太慢。

综合考虑以上因素，我们在实际生产中选定400℃～500℃作为操作温度。

［板书］反应条件：温度400℃～500℃
［师］下面是压强对SO2平衡转化率的影响。

请大家分组讨论，综合多种因素选择SO2接触氧化的合适压强。

［投影］
压强对SO2平衡转化率的影响
(原料气成分同上表)
［学生分组讨论，并宣布讨论结果］
［小结］通过刚才的讨论并结合以上数据可以看出，常压下400℃～500℃时，二氧化硫的转化率已经很高。

加压虽然可以提高平衡转化率，但加压需要增加动力，经济上并不合算，一般工厂都采用常压法生产。

［板书］压强：常压
［讲解］硫酸工业生产的最佳工艺条件选定后，接下来要考虑的是反应器。

反应器是进行化学反应的场所，反应器的结构，操作方式都要尽可能地使反应能在工艺条件所规定的参数下进行。

二氧化硫氧化反应器现在多采用的是接触室。

我们来看一下接触室的结构。

［板书］接触室
［展示］接触法制硫酸接触室模型
［结合教具讲解］接触室采用了上下两层催化剂，中部安装热交换器的结构。

［板书］结构：上下两层催化剂
中部安装热交换器
［过渡］我们首先来认识一下热交换器。

［投影］一种热交换器示意图及介绍
热交换器是化学工业里广泛应用的热交换设备，它有多种形式。

在多数热交换器内部，装有许多平行的管道或蛇管，以扩大传热面，提高热交换效果。

一种流体在管道内流动，另一种流体在管道外流动。

两种流体通过管壁进行热交换，热的流体得到冷却，冷的流体得到加热。

右图是一种常见的热交换器。

一种热交换器示意图
［过渡］二氧化硫在接触室里是如何氧化成三氧化硫的呢？
［讲解］经过净化、干燥的炉气，通过接触室中部的热交换器被预热到400℃～500℃,通过上层催化剂被第一次氧化，因为二氧化硫的催化氧化是放热反应，随着反应的进行，反应环境的温度会不断升高，这不利于三氧化硫的生成。

接触室中部安装的热交换器正是把反应生成的热传递给接触室里需要预热的炉气，同时降低反应后生成气体的温度，使之通过下层催化剂被第二次氧化。

这是提高可逆反应转化率的一种非常有效的方法。

［过渡］二氧化硫在接触室里经过催化氧化后得到的气体含三氧化硫一般不超过10%，其余为N2、O2及少量二氧化硫气体。

这时进入硫酸生产的第三阶段，即成酸阶段。

其反应的热化学方程式为：
［板书］SO3(g)＋H2O(l)===H2SO4(l);ΔH=－130.3 kJ/mol
［过渡］从反应原理上看，硫酸是由三氧化硫跟水化合制得的。

事实上，工业上却是用98.3%的浓H2SO4来吸收SO3的，为什么要这样操作呢？请大家参阅课本。

［学生阅读课本］
［讲解］从理论上讲，三氧化硫转化为硫酸有二种途径：一种是三氧化硫被硫酸水溶液
吸收，与水溶液中的水发生反应生成硫酸。

SO3(g)＋H2O(l)H2SO4(l),ΔH＜0,这是一个可逆放热反应。

在常温下，这一反应转化率极高，可以认为是不可逆的。

决定这一反应转化率的实际上是混合气体中三氧化硫被硫酸水溶液吸收的吸收率。

混合气中三氧化硫是气态，分子运动速率极快，有足够的吸收机会，使吸收率达到99.9%。

另一途径是硫酸与水蒸气发生反应生成包含杂质气体的酸雾。

由于三氧化硫与水的化合是放热反应，在生产条件下，反应器中有大量水蒸气。

而三氧化硫气体一旦形成酸雾，它很少有机会被液体捕捉，而是随不溶性气体一起排到大气。

根据生产目的，在工艺上促进第一种吸收途径，抑制第二种吸收途径。

因此，实际生产中，用98.3%的浓硫酸作为吸收剂吸收三氧化硫。

［板书］1.用98.3%的浓H2SO4作吸收剂。

［过渡］工业上为实现这一生产过程，采用的反应器是“吸收塔”。

［板书］3.吸收塔
［过渡］我们来看一下吸收塔示意图
［投影］
［讲解］为增大SO3跟98.3%的浓硫酸的接触面积，强化吸收过程，在吸收塔中，安装大量耐酸瓷环，并采用了逆流的吸收方式，三氧化硫从塔底通入，98.3%的浓硫酸从塔顶喷下，硫酸吸收三氧化硫后，浓度增至98.8%，温度升高20℃～30℃。

然后从塔底排出，经冷却，稀释，即得成品。

［讨论］1.从吸收塔里排出的尾气有哪些成分，能直接排放到空气中吗？
2.尾气应如何处理？
［学生回答，教师总结］从吸收塔排出的气体主要有N2、O2，少量二氧化硫，若直接排放到空气中，会造成严重的污染，同时也会造成原料的浪费。

因此应将上述气体再次通入接触室进行二次氧化，然后进一步吸收。

也可用NH3吸收SO2以生产亚硫酸铵，或用碱吸收后，再通过加酸生产高浓度二氧化硫和硫酸铵。

［板书］2.尾气回收利用。

［小结］本节我们学习了接触法制硫酸的生产设备及工艺流程，请××同学来描述一下从原料到成品硫酸的生产过程。

［投影］
［学生回答］(教师结合投影纠错、补充)
［总结］从硫酸的工业生产来看，化学反应原理是化工生产的基础，生产过程是为实现化学反应服务的，而生产设备是为实现生产过程服务的。

这个逻辑关系是我们学习化工知识的基本思路。

在本节里，我们讨论了如何优化工艺条件，达到生产最佳状态，但这仅仅是复杂的工业生产中很少的一部分，要想进一步了解复杂的生产工艺，就需要我们现在刻苦学习，争取深造的机会。

●板书设计
第一节接触法制硫酸(第二课时)
四、生产设备及工艺流程
●教学说明
本节是学习化工生产知识的最后一部分，通过本节的学习，要使学生初步掌握学习化工知识的基本思路，即化学反应原理是化工生产的基础，生产过程为实现化学反应服务，而设备为实现生产过程服务。

同时本节课又是理论联系实际的典范。

为此，本节课设计突出了以下几点：
1.多启发，提出启发性问题，激发学生积极思考，培养其思维能力。

2.多讨论，促进学生之间的交流与合作，充分发挥学生的主观能动性，使学生学习积极主动。

3.多分析，用学过知识分析实际问题，使学生感到有深度、有趣味，同时复习巩固已学过的知识。

●综合能力训练题
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是正确的是
A.硫铁矿燃烧前需要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧
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
解析：选项A中操作正确，但解释不对，将矿石粉碎是使矿石与空气的接触面积增大，可以燃烧得更充分、更快。

B项的说明不对，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。

选项C的说明是错误的。

催化剂的作用是缩短反应完成的时间。

选项D正确。

答案：D
2.固体A、B都由两种相同的元素组成，在A、B中两元素的原子个数比分别为1∶1和1∶2，将A、B在高温时煅烧，产物都是C(s)和D(g)。

由D最终可制得E，E是非金属元素显＋6价的含氧酸，该非金属元素形成的单质通常是一种淡黄色晶体，E的稀溶液和A 反应时生成G(g)和F(aq),G通入D的水溶液，有淡黄色沉淀生成。

在F中滴入溴水后，加入KOH溶液有红褐色沉淀生成，加热时又能转变为G。

根据上述事实回答：
(1)A 的化学式是_________，B 的化学式是_________。

(2)写出下列反应的化学方程式： 。

①B 煅烧生成C 和D
②G 通入D 溶液中
③向F 中滴入溴水
解析：解答这道题的关键在于推出组成固体A 和B 的两种元素。

第一步：根据E 是非金属元素显＋6价含氧酸且该非金属元素形成的单质，通常是一种淡黄色固体，所以E 是H 2SO 4。

第二步：A(或B) −−→−煅烧C ＋D ，D 最终制得E ，E ＋A −→−G ↑＋F,G ＋D −→−淡黄色沉淀。

该淡黄色沉淀必为S ，进一步验证E 为H 2SO 4，A 和B 中均含S 元素。

第三步：F −−→−2Br
−−−→−KOH 红褐色沉淀−→−∆C,该红褐色沉淀必为Fe(OH)3，因此C 为Fe 2O 3,F 为含Fe 2＋的溶液，A 和B 中均含Fe 元素。

答案：A 为FeS,B 为FeS 2。

①4FeS 2＋11O 2高温=====2Fe 2O 3＋8SO 2
②2H 2S ＋H 2SO 3===3S ↓＋3H 2O
③6FeSO 4＋3Br 2===2Fe 2(SO 4)3＋2FeBr 3。