最新人教版高中化学《化工生产过程中的基本问题》课堂探究Word文件下载.docx
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(3)通入接触室的混合气体必须预先净化,其原因是:
炉气中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。
砷、硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒;
水蒸气对生产设备有不良影响。
因此,炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。
(4)在接触室里装有热交换器,其作用是在二氧化硫接触氧化时,用放出的热量来加热未反应的二氧化硫和空气,充分利用热能,节约燃料。
(5)不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的浓硫酸,若用水或稀硫酸吸收,容易形成酸雾,且吸收速度慢。
二、化工厂选址的因素主要是什么?
化工厂厂址选择涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素,应对这些因素综合考虑,权衡利弊,才能作出合理的选择。
一般应考虑下列因素:
①是否有市场需求;
②是否接近原料供应地;
③土地供应是否充足;
④水源是否充足;
⑤能源是否充足且廉价;
⑥交通运输是否方便;
⑦能否达到环境保护要求。
上述这些因素必须在遵循科学原则的基础上,着重考虑综合经济效益,即要求最大限度地提高劳动生产率,降低成本,保护生态环境。
三、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)从教材P6表1—1和表1—2可以看出,温度越低、压强越大,越有利于SO2的生成,但压强的影响不是很大。
(2)低温时有利于SO2的转化,但考虑催化剂活性,温度不能太低。
高压有利于SO2的转化,但实验表明增大压强,SO2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SO2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SO2的转化率。
典题精讲
知识点1:
硫酸工业的生产原理
【例题1】(原创)在硫酸的工业制法中,下列生产操作与说明生产操作的原因二者都正确的是( )
A.硫铁矿燃烧前需将矿粒粉碎,这样易于向沸腾炉中投料
B.炉气进入接触室之前需要净化、干燥,因为炉气中的杂质易与SO2反应
C.SO2氧化为SO3时需使用催化剂,这样可提高SO2的转化率
D.接触室的反应温度控制在400~500℃,因为在这个温度范围内,反应速率和SO2的转化率都比较理想,且催化剂的活性也较高
解析:
题中所提到的对硫酸工业采取的措施叙述都是正确的。
但硫铁矿进入沸腾炉之前粉碎的原因是为了增大矿粒与空气的接触面积,使其燃烧得更快、更充分,从而提高硫铁矿的利用率;
从沸腾炉出来的炉气必须净化干燥的目的是因为炉气中的一些杂质气体会使接触室中的催化剂中毒,使催化剂丧失活性,同时防止炉气中的水蒸气和SO2生成酸而腐蚀管道;
SO2转化为SO3时使用催化剂是为了缩短到达平衡的时间,但它并不能影响化学平衡的移动,并不影响SO2的转化率大小;
接触室控制反应的温度在400~500℃,这是综合考虑了催化剂活性、反应速率及SO2的转化率等因素而确定的,故D项正确。
答案:
D
本题考查的是接触法制硫酸的生产过程、反应原理、生产设备和一些生产措施在工业生产中的意义。
要从最本质的角度分析实际操作的原因,以免被一些次要问题所迷惑。
知识点2:
生产中反应条件的控制
【例题2】(2007高考理综宁夏卷)工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤。
压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数为:
SO27%,O211%,N282%):
(1)已知SO2的氧化是放热反应,如何利用表中数据推断此结论?
__________________;
(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=-196.6kJ·
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。
(1)根据表格中的数据可以看出,在相同压强下(如在0.1MPa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0.1MPa(即常压1atm下)SO2的转化率已经很高,如在400℃时已达99.2%,若增大压强到10MPa(即100atm),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
=
解得:
m(SO3)=8.0×
109g=8.0×
103t,Q=9.83×
109kJ。
(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×
109kJ
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。
知识点3:
关于硫酸工业综合经济效益的讨论
【例题3】(2008宁夏高考卷)分析下面两个案例并回答有关问题。
(1)某城镇生产、生活的分布情况如图所示,河流中W、X、Y、Z处某次水样抽测结果如表所示:
地点
项目
W
X
Y
Z
水温/℃
15
18
26
25
pH
6
8
5
溶解氧量/(mg·
L-1)
11
9
7
3
①导致X、Y处水样pH变化的原因可能是___________________________________
________________________________________________________________________;
②Z处鱼类大量减少,产生这种现象的原因可能是
________________________________________________________________________。
(2)某地区已探明蕴藏有丰富的赤铁矿(主要成分为Fe2O3,还含有SiO2等杂质)、煤矿、石灰石和黏土,拟在该地区建设大型炼铁厂。
①随着铁矿的开发和炼铁厂的建立,需要在该地区相应建立焦化厂、发电厂、水泥厂等,形成规模的工业体系。
据此确定上图中相应工厂的名称:
A__________、B__________、C__________、D__________;
②以赤铁矿为原料,写出高炉炼铁中得到生铁和产生炉渣的化学方程式:
③从“三废”利用、环境保护等角度考虑,该地区和企业在生产中应采取的一些措施有(举出2种措施即可):
________________________。
(1)从给出的数据看,X处水样呈碱性,Y处水样呈酸性,Z处水样缺氧。
造纸厂排放的碱性污水使X处河水pH升高,火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放,造成Y处的河水pH降低(或火力发电厂燃烧产生的SO2会导致酸雨的产生,使Y处的河水pH降低),化肥厂、农田及生活污水使Z处河水富营养化,水温较高,适于藻类等水生植物生长,河水中溶解氧被大量消耗,导致鱼类死亡。
(2)①某地区有丰富煤矿,可建立发电厂和焦化厂;
有丰富赤铁矿和石灰石,可建立炼铁厂;
有丰富的石灰石和黏土,可建立水泥厂。
②高炉炼铁相关反应:
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2、CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑。
③从“三废”利用、环境保护等角度考虑,该地区和企业在生产中应建立污水处理系统,将石灰石煅烧成生石灰用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的SO2,减少对空气的污染。
(1)①造纸厂排放的碱性污水使X处河水pH升高,火力发电厂净化烟气的酸性废水治理未达标就排放,造成Y处的河水pH降低(或火力发电厂燃烧产生的SO2会导致酸雨,飘落后使Y处的河水pH降低)
②化肥厂、农田及生活污水使Z处河水富营养化,水温较高,适于藻类等水生植物生长,河水中溶解氧被大量消耗,导致鱼类死亡
(2)①发电厂 焦化厂 炼铁厂 水泥厂
②Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
CaCO3+SiO2
CaSiO3+CO2↑
③用炼铁厂的炉渣(或CaSiO3)作为水泥厂的原料;
用发电厂的煤矸石和粉煤灰作为水泥厂的原料;
将石灰石煅烧成生石灰,用于吸收发电厂和焦化厂燃煤时产生的SO2,减少对空气的污染;
建立污水处理系统
本题考查了有关化学与环境保护的相关知识,关注有关化学与环境保护的综合应用有关命题。
解答本题要将工业生产与化学反应原理相结合、将环境污染与实际生活相联系,注意创造性地利用化学知识解决实际问题。
知识点4:
硫酸工业中的多步计算题
【例题4】某硫酸厂初步处理后的尾气中含0.2%的SO2和10%的O2(均为体积分数)。
为了进一步除去SO2,并将SO2转变为(NH4)2SO4,有人设计了如下方案:
在400℃时,尾气以5m3/h的速率通过V2O5的催化剂层后,与20L/h速率的氨气混合喷水。
此时气体温度由400℃降至200℃,在热的结晶装置中得到(NH4)2SO4晶体(气体的体积已转换为标准状况)。
请回答下列问题:
(1)按反应中的理论值,SO2和O2的体积比为2∶1,但实际生产中这个比值是多少?
为什么?
(2)通过计算说明为什么尾气以5m3/h的速率与20L/h速率的氨气混合?
(3)若该厂每天排放10000m3尾气,求该厂每月(按30天计算)可得到(NH4)2SO4的质量为多少?
(1)根据2SO2+O22SO3,SO2和O2按2∶1(体积比)的理论值反应,但实际上V(SO2)∶V(O2)=0.2%∶10%=1∶50。
根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度,可使反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)向生成三氧化硫方向移动,这样可以增大较贵重的二氧化硫的转化率。
(2) 2NH3 ~ SO2
21
v(NH3)5L/h×
103×
0.2%
v(NH3)=20L/h
(3)根据2SO2+O22SO3,以及SO3+H2O+2NH3===(NH4)2SO4
得关系式:
SO2 ~ 2NH3 ~(NH4)2SO4
22.4L132g
107L×
0.2%×
30m〔(NH4)2SO4〕
m〔(NH4)2SO4〕=3.54×
106g=3.54t
(1)1∶50 原因:
根据化学平衡移动原理,增大廉价的氧气的浓度可使反应:
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)向生成三氧化硫方向移动,这样可以增大较贵重的SO2的转化率。
(2)2NH3 ~ SO2
v(NH3) 5×
0.2%L/h
(3)3.54t
关于多步反应的计算方法有:
(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:
FeS2~2H2SO4,S~H2SO4。
若已知(欲求)FeS2含量,用前面的关系式,若已知(欲求)S的含量,用后一关系式,且二氧化硫转化率、三氧化硫吸收率均可折算成起始物FeS2(或S)进行计算。
随堂训练
1在硫酸工业生产中,为了有利于SO2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(见下图),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SO2和O2
D.预热SO3,有利于被浓硫酸吸收
此题考查了工业生产H2SO4的重要设备之一——接触室中气体的流向。
SO2和O2进入热交换器的管外时,虽具备合成温度,但无V2O5催化,不会生成SO3,只有SO2和O2。
原料SO2、O2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,SO3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。
2(2008天津滨海联考)下列化工生产中所发生的主要化学反应,不涉及氧化还原反应的是( )
A.氯碱工业 B.接触法制硫酸
C.制造普通玻璃D.工业合成氨
各选项涉及的主要反应为:
A项,2NaCl+2H2O
2NaOH+H2↑+Cl2↑;
B项,4FeS2+11O2
2Fe2O3+8SO2,2SO2+O22SO3,SO3+H2O===H2SO4;
C项,SiO2+Na2CO3
Na2SiO3+CO2↑;
D项,N2+3H2
2NH3。
C
3(2009届9月东北师大附中检测)工业制硫酸生产流程如下图:
(1)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____________________。
(2)在催化反应室,下列措施中有利于提高SO2平衡转化率的有______。
A.升高温度B.减小压强
C.不断补充空气D.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些措施?
______________。
(至少答出两点措施)
(4)已知2SO2(g)+O2(g)2SO3(g) ΔH=-196kJ·
mol-1。
在450℃、常压和钒催化条件下向一密闭容器中充入2molSO2和1molO2,充分反应后,放出的热量________(填“<”“>”“=”)196kJ,理由是_________________________________________________。
(5)经检测生产硫酸的原料气成分(体积分数)为SO27%、O211%、N282%。
在500℃,0.1MPa条件下达到平衡时,各种气体的体积比为V(SO2)∶V(SO3)∶V(O2)∶V(N2)=0.46∶6.54∶7.73∶82,则SO2的利用率为________________________________________。
二氧化硫转化为三氧化硫的反应为正反应气体体积减小的放热反应,所以低温高压有利于提高二氧化硫的转化率。
在生产过程中,氮气没有参加反应,所以其体积不变,则可看作反应前气体的体积SO2、O2、N2分别为7L、11L、82L,反应后SO2的体积为0.46L,所以SO2的转化率为
×
100%=93.4%。
(1)黄铁矿为原料的生产中产生的废弃物太多,处理成本高
(2)CD
(3)①净化气体 ②控制温度在400~500℃
③增大催化剂与反应气体的接触面积
(4)< 在1atm和298K条件下,2molSO2和1molO2完全反应生成2molSO3,放出196kJ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450℃,所以放出的热量小于196kJ
(5)93.4%
4用含FeS278%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1t98%的浓H2SO4需这种矿石多少吨?
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FeS2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:
4FeS2+11O2===2Fe2O3+8SO2
2SO2+O22SO3
SO3+H2O===H2SO4
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FeS2与每步反应中产物之间的关系式:
4FeS2~8SO2~8SO3~8H2SO4
容易得出这组连续反应的反应关系:
FeS2 ~ 2H2SO4
120t2×
98t
x·
78%(1-6%)·
(1-2%)1t×
98%
解之得:
x=0.83t。
0.83t
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