高中化学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学案新人教版选修2

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。