资源描述
第1课时生产硫酸的基本流程学案【学习目标】1. 依据化学反应原理知识，了解生产硫酸的基本流程。2. 了解硫酸工业生产中原料、厂址和规模的选择。3. 了解硫酸生产过程中反应条件的控制。4. 了解化学科学实验与化工生产的区别。【重点难点】1 .化工生产过程中的基本问题。2 .工业制硫酸的生产原理。课前预习【情景材料】化工生产过程比较复杂，但一些最基本的问题是相似的，例如，任何化工生产都 涉及到传质（物料的流动）、传热（能员的传导）、传动（动力的传输）和化学反应器等。根 据课程标准的要求，将化学反应原理、反应发生的条件、原料的选择、三废的处理和能量的利 用等作为化工生产过程中的基本问题，结合一些典型产品的生产过程，使学生对化工生产的基 本过程有一个初步的认识。【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、依据化学反应原理确定生产过程1 .工业制备硫酸，要从以下几个方面考虑（1）采用的原料应该是自然界中的含 物质，如 、。（2）生产过程中，要先使硫元素转化成 ,再把 转化成 ,再与水反应制得。2 .工业制硫酸主要分 、个阶段 以S为原料制备SO化学反应方程式,（属 反应）（2）利用催化氧化反庇将 SO氧化成SO化学反应方程式,（属 反应）（3）三氧化硫转化成硫酸化学反应方程式,（属 反应）3 .工业制硫酸主要生产流程二、生产中原料的选择工业生产某种化工产品，选择原料时，要从多方面虑，如 、原料、能 源、工业用水的供应能力、储存、运输、预处理成本及环境保护等。（1）从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用 制硫酸优于用 制硫酸。(2)我国天然硫资源 ,而且开采条件 。(3)我国黄铁矿储量比天然硫要 。(4)硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程 、设备、三废 少，劳动生产率,易于设备。(5)由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸 。三、生产中反应条件的控制1 .硫酸工业生产的三个主要设备是 、。2 .温度较 时，越有利于 SO转化为SO,通常选择作为操作的温度，因为在这个温度 范围内，和都比较理想。3 .压强的土曾大，SQ的转化率通常采用操作。4 .催化剂：催化剂对化学平衡 ，但能改变到达平衡所需的时间，即增 大。预习内容答案一、1.硫 硫黄 黄铁矿(主要成分 FeSO(2)SO2 SO2 SO 3 H2SO2.造气催化氧化吸收(1)S(s)+O 2 (g尸SO2(g) 放热(2)2SO2 (g)+ O 2(g) -=2SO(g) 放热(3)SO3(g)+H 2O(l)=H 2SO(1)放热3.空气 制SO 400500c 常压、催化剂 SO 3发烟硫酸水98%硫酸98%硫酸二、化学反应原理厂址选择(1)硫黄黄铁矿(2)缺乏比较复杂大(4)短简单治理量高大型化高三、1.沸腾炉接触室吸收塔2 .低400500c 反应速率二氧化硫的转化率3 .变化不大常压4 .没有影响化学反应速率堂中互动【问题探究1】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。请结合课本写出关于工业制硫酸的反应原理和过程？【教师点拨】掌握七个“三”，即“三阶段”、“三原料”、“三反应”、“三设备”、“三杂质”、“三净化”、“三原理”。分析解答：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。【即学即练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是正确的是()A.硫铁矿燃烧前要粉碎，因为大块的硫铁矿不能燃烧B.SO3用98.3%的浓HSO吸收，目的是防止形成酸雾，以便SO吸收完全C.SQ氧化为SO时需使用催化剂，这样可以提高 SO的转化率D.从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中SO会与杂质反应1.B【解析】本题考查化工生产中的技术处理问题。可从化学反应速率、化学平衡移动及实际 生产三个方面考虑各种操作条件的原因。矿石粉碎是为了提高反应速率，并不是因为大块的硫 铁矿不能燃烧；用浓硫酸吸收SO是为了防止水与其形成酸雾；使用催化剂可以提高反应速率，但不能提高 毒。【问题探究2】SQ转化为SO 好？SO的转化率；从沸腾炉出来的炉气需净化，因为炉气中杂质会使催化剂中阅读P6表1-1 ,结合二氧化硫催化氧化的反应特点：是否温度越低越有利于?阅读P6表1-2,分析随压强的增大，SO的转化率怎么改变？是否压强越高越【教师点拨】反应方程式 2SQ(g) +Q(g)，注2SQ(g),属放热的可逆反应，气体体积减少的反 应，从化学平衡的角度解释。工业生产中压强的选择，往往还要考虑成本和能量消耗等问题。分析解答：根据外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律，选择化工生产的适宜条件 时，既要注意外界条件对二者影响的一致性，又要注意对二者影响的矛盾性；既要注意温度、 催化剂对化学反应速率影响的一致性，又要注意催化剂的活性对温度的限制；既要注意理论生 产，又要注意实际可能性。【即学即练2】已知，在硫酸工业中，经测定，在常压下上述反应的平衡混合气体中,SO的体积分数为91%SO2转化为SO的反应为：2SO + O 2庠2SQ Hv 0。8 / 8催化剂V2O5的催化效率f与温度T有如图所示的关系。反应后SO气体温度约为600 Co 请根据以上信息，选择 SO催化氧化的适宜条件。2.SO2氧化过程的适宜条件为：氧气或空气适当过量；常压； 450c500C; 使用热交换器。【解析】由及化学平衡原理，加压有利于SO的转化，但由知，常压下 SO的转化率已很高，因转化率的上升空间较小，故不必再来取加压措施，以省掉加压泵的开支和降低接触室的 造价。观察催化剂的催化效率与温度关系图知，450c以后催化效率基本不变，升温有利于提高反应速率，但不利于 SO转化，故反应温度控制在450C500c为宜。除尘后 SO温度低，不利于SO氧化反应的进行，生成的 SO温度高，不利于 SO的吸收，解决这一问题的方法是使 用热交换器。【问题探究3】二氧化硫的催化氧化反应：2SQ(g) + Q(g) - 2SQ(g)1 .请用平衡移动原理来解释：为什么降低温度和增大压强有利于提高转化率？2 .如果其他条件不变，分别改变下列条件，将对化学平衡有什么影响？增大Q的浓度；(2)减小SO的浓度。【教师点拨】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。催化剂能同等程度地增加正反应速率和逆反应速率，因此对化学平衡没有影 响，但能改变到达平衡所需的时间。分析解答：浓度对化学平衡的影响，增大生成物的浓度或减小反应物的浓度时，平衡向逆反 应方向移动。在生产上，往往采用增大容易取得的或成本较低的反应物浓度的方法，使成本较高的原料得 到充分利用。(2)压强对化学平衡的影响，一般规律：对于有气体参加且反应前后气体体积不相等的可逆反 应，在其他条件不变的情况下，若增大压强(即相当于缩小容器的体积)，则平衡向气体总体积减小的方向移动，若减小压强 (即增大容器的体积)，则平衡向气体总体积增大的方向移动。【即学即练3】有关接触法制硫酸的叙述不正确 的是() A.硫黄和硫铁矿均可作为生产原料B.将矿石粉碎，是为了提高反应速率C.反应中通入过量的空气是为了提高Fe&和和SO的转化率D.从吸收塔出来的硫酸经浓缩后可以变成发烟硫酸3.D【解析】A项，理论上，可转化成 SQ的任何含硫物质均可作为硫酸的生产原料，（如S、FeS、Fe&、HS等），但在生产实践中，应选取那些储量大、矿质品位高、资源丰富、便于开 采和加工的矿物作为化工原料，综合分析，A正确。B项，生产中对矿石进行粉碎，既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率），又可提高原料的利用率（转化率），故B正确。C项，从硫酸生产的三个反应看（FeS2-SQ-SO-HzSO,有两个反应要耗用氧气，故生产中可采用通入过量空气的方法来提高FeS2和SO的转化率，故 C正确。D项，在吸收塔中，是用98%勺浓硫酸吸收SQ的，所得到发烟硫酸，可用水或稀硫酸稀释，制得各种浓度的硫酸，故 D 错误。练案A组（课堂反馈满分50分）一、选择题（每小题 5分，共35分）1.在以下条件下，宜于建工厂的城市是（）。A.城市郊区有丰富的黄铁矿资源，水源、能源充足B.城市是一座风光秀丽、空气清新的旅游城市C.城市有丰富的磷灰石，拟建一座大型的磷肥厂D.城市需使用硫酸的工业不多，却有丰富的黄铁矿资源1 .AC【解析】本题考查了从综合的角度分析建设工厂的一般条件。2 .接触法制硫酸中，与之无关的设备是（）A.吸收塔 B. 接触室 C. 沸腾炉 D. 氧化炉3 .D【解析】接触法制硫酸三种设备：沸腾炉、接触室、吸收塔。4 .硫酸工业中燃烧硫铁矿生产 SO时，为提高生成 SO的速率，下列措施可行的是（）A.把块状矿石粉碎成粉末B.降低温度C.减小压强D.使用催化剂FezQ5 .A【解析】生产中对矿石进行粉碎，既可增大原料之间的相对接触面积（增大反应速率）， 又可提高原料的利用率（转化率）。6 .化工厂厂址选择是一个复杂的问题，受到原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通运输和环境保护等诸多因素的制约，硫酸厂应建在（）靠近原料产地，远离消费中心的地区靠近消费中心，稍偏离原料产地的地区交通便利，人口稠密的居民区环保要求高的地区，便于“三废”的治理A. B.C. D. 7 .D【解析】因硫酸是一种强腐蚀性液体，运输极不方便，需要较高的成本，所以硫酸工厂厂 址选择上首先要考虑建在且远离环保要求高的地区。8 .下列对硫酸生产中化学反应原理的分析中正确的是（）。A.硫酸生产中涉及的三个化学反应因原料的不同可能全部是非氧化还原反应B.硫酸生产中涉及的三个化学反应都是放热反应C.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要用催化剂D.硫酸生产中涉及的三个化学反应都需要在较高的温度下才能进行5.B【解析】硫酸生产中涉及的三个化学反应为： S+C2=SO ;2SQ + O2节&2SO ;SQ+HbO= HSQ。这三个反应中第一和第二个是氧化还原反应，第一和第三个反应不需催化剂反应就非常快，第三个反应在常温下就非常剧烈，这三个反应都是放热反应（工业还采取措施利用这些反应放出的热量），所以选项A、C、D都是错误的，选项 B正确。9 .将三氧化硫溶解在硫酸中所得到的混合物称为“发烟硫酸”，通常以三氧化硫的质量分数表示其组成。将1185 g发烟硫酸试样溶于水，用 125 mol L t的NaOHB准溶液滴定。用去此标准溶液20 mL,恰好中和，则试样中 SO的质量分数为（）A.15%B.17%C.34%D.60%6. A【解析】n(NaOH)=125mol L （3）选择适宜的催化剂，是否可以提高SO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SO吸收率，实际生产中用 吸收SO。 （1）压强一定时，温度升高，SO的转化率下降，说明升温有利于逆反应进行，所以正反应 x 20X 10 为放热反应（2分）L = 2.5 x 10 3mol2NaOH + H 2SQ= N&SQ+2H2O2mol 1mol2.5 x 10 3mol 1.25 X 10 3mol设发烟硫酸的组成为 H2SO nSQ,溶于水后1mol发烟H2SO生成(n + 1)mol H 2SQ。故1.25 X103mol H2SO对应发烟硫酸的物质的量为：日可得:n=22故SO的质量分数为7.接触法制硫酸的炉气组成是SO占7% Q占11% N2占82%现有100L混合气体进入接触室反应后，总体积变为97.2L。则该变化过程中 SQ转化率是（）A.50% B.60% C.70% D.80%7.D【解析】解法一：设参加反应的二氧化硫体积为2x2 SO2 + Q * 2 SQ N 2体积（L）总体积（L）开始时体积（L） 711082100反应后体积（L） 7-2x 11-x 2x 82100-x根据题意 100-x=97.2 x=2.8L二氧化硫的转化率为5.6L+7LX100%=80%答案为D解法二：设参加反应的二氧化硫体积为2x2 SO2 + Q 弋：2 SO 体积差（L）2L 1L 2 L 1L2X100L-97.2L=2.8L X=2.8L二氧化硫的转化率为5.6L+7LX100%=80%答案为D二、填空题（共15分）8.（7分）工业上生产硫酸时，利用催化氧化反应将SO转化为SO是一个关键步骤。压强及温度对SO转化率的影响如下表（原料气各成分的体积分数为SO 7%, Q 11%, N2 82%）: I I u J 11 11 u in 11.11 .11- J1 1 1.1.nil min .11 1 iij 1 .11. .11.17-ih 典化华小:n. 16 51in99. 67a. q50093.596,1997, S73.7H5. H的一 5（1）已知SO的氧化是放热反应，如何利用表中数据推断此结论？ ;（2）在 400 C500 C时，SO的催化氧化采用常压而不是高压，主要原因是(2)增大压强对提高 SO的转化率无显著影响，反而会增加成本(2分)否(1分) 否(1分)(4)98%浓硫酸(1分)【解析】(1)从题中表格数据可以看出同一压强下SO的转化率随温度的升高而降低，说明可逆反应2SQ+Q担”2SO正向为放热反应。(2)从表中数据可以看出 400 C500 C, 10 MPa时，SO转化率为99.3%99.9%,可是常压下SO的转化率已经很高，压强增大 100倍，转化率提高得并不明显，反而需要增大设备强 度，增加投资，降低企业经济效益。(3)催化剂可以缩短达到平衡的时间，但不可以使平衡发生移动，故不能提高SO的转化率，也不能增大反应放出的热量。(4)因为SO+HaO =WSQ反应放出大量的热，产生的酸雾阻止SQ的吸收，所以实际生产中用98.3%的浓H2SO吸收SO。9.(8分)硫酸最古老的生产方法是把绿矶装入反应器中加强热，会流出油状液体，并放出有刺激性气味的气体(SO),反应器中的同体变为红色。(1)写出这种方法中绿矶转化为硫酸的两个化学方程式： ;。(2)与现代以硫黄为主要原料生产硫酸的方法相比，这种古老的生产硫酸法存在若干不足，试从原料的利用率、环境保护、生产原理等方面加以说明。9.(1)2FeSO4 7H2。 14H2O +Fe2O3+SOT +SQT ( 3 分)SO3+ H2O=HSO (2 分)(2) FeSO 4 7H2O中的硫元素仅有 50%专化为 SO,原料利用率低，生成的SO污染环境。(3分)【解析】绿矶的组成为FeSO-7H2O,其中铁的化合价是 +2、硫的化合价是+6。题中指出，加强热后容器内生成了红色固体，这说明有Fe2O3生成。在 FeSO 7H28 Fe 2c3的变化中铁元素被氧化，则必有+6价的硫元素被还原。在此基础上运用质量守恒原理和氧化还原反应原理进 行分析判断，即可写出 FeSO 7H28 Fe 2Q的完整的化学方程式。B组(课后拓展)1.硫酸工业生产应考虑综合经济效益问题。(1)若从下列四个城市中选择一处新建一座硫酸厂，你认为厂址宜选在的郊区(填选项的标号)A.有丰富黄铁矿资源的城市B.风光秀丽的旅游城市C.消耗硫酸甚多的工业城市D.人口稠密的文化、商业中心城市(2)据测算，接触法制硫酸过程中，若反应热都未被利用，则每生产1t 98%硫酸需消耗3.6X105kJ 能量。请通过计算判断，若反应：SO2(g)+1/2O 2(g)=SO3(g) AH= 98.3kJ mol1;放出的热量能在生产过程中得到充分利用，则每生产1t 98%硫酸只需外界提供(或可向外界输出)kJ能量；CuFeS2是黄铁矿的另一成分，煨烧时，CuFeS转化为CuQ Fe2O3和SO,该反应的化学方程式为。(4)由硫酸厂沸腾炉排出的矿渣中含有FeQ、CuQ CuSO(由CuO与SO在沸腾炉中化合而成)，其中硫酸铜的质量分数随沸腾炉温度不同而变化(见下表)沸腾炉温度/c600620640660矿渣中CuSO的质量分数/% 9.39.29.08.4已知CuSO在低于660c时不会分解，请简要分析上表中CuSO的质量分数随温度升高而降低的原因 。1.(1)C(3 分)(2)输出 6. 23X 105kJ 能量 (4 分)(3)4CuFeS2+13Q=4CuO+2FeC3+8SO(4 分)(4)SO2转化为SO是正反应放热的可逆反应，随温度升高，平衡逆移，SQ物质的量减少，所以CuSO的量减少(或温度升高，SO物质的量减少，故 CuSO的量减少)(4分)【解析】本题考查化学反应原理在硫酸工业中的应用，如：根据热化学方程式的计算，氧化还 原反应方程式的配平，温度对化学平衡的影响。(1)硫酸工厂是高耗能高污染的化工企业，不能选在 B.风光秀丽的旅游城市和 D.人口稠密的 文化、商业中心城市；由于硫酸运输成本较高，黄铁矿石运输成本较低所以宜选在C.消耗硫酸甚多的工业城市。(2)生产1t98%硫酸即104molH2SQ,有104molSQ参与反应，根据热化学方程式计算得知，此时放出9.83 X 10 5kJ热量，而生产1t 98%硫酸需消耗3.6 X105kj能量，所以还可输出6.23 X 10 5kJ 能量。(3)已知反应物和产物，不难写出化学方程式，配平时，注意CuFeS中Cu. Fe、S原子个数比为 1: 1: 2。(4)由题意可知，CuSO是SO和CuO化合生成，既然其质量分数减小，说明温度升高时，SO减少或CuO减少。联系我们学过的知识，可知 SO转化为SO是正反应放热的可逆反应，随温度 升高，平衡逆向移动，SO物质的量减少，所以 CuSO的量减少。2.以黄铁矿为原料生产硫酸的工艺流程图如下：催化剂 HUH 心 催化剂1喇接触室H.SO.尾吒吸收塔供稀薜 用麻酸n高温(1)将燃烧黄铁矿的化学方程式补充完整4+11Q m2Fe2Q+8SO(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(选填序号字母)。a.为使黄铁矿充分燃烧，需将其粉碎b.过量空气能提高 SO的转化率c.使用催化剂能提高SO的反应速率和转化率d.沸腾炉排出的矿渣可供炼铁(4)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SO和俊盐。SO2既可作为生产硫酸的原料循环再利用，也可用于工业制澳过程中吸收潮湿空气中的Br2。so吸收Br2的离子方程式是。2 .(1)FeS 2(2)2SOz+Q2SO (3)abd_ ._- 1(4)SO 3(g) + H2O(l)=H 2SO(l)AH=- 133kJ mol(5)SO 2+Br2+2HO=4l+2Br +SO2【解析】本题考查接触法制硫酸的工艺流程。(1)由元素守恒知，横线处的物质必需有铁和硫两种元素，且个数比为1:2;所以答案为：FeS2(2)接触室中是二氧化硫的催化氧化反应，答案为：2SQ+Q占2SQ。(3)由沸腾炉的名字知，在此反应的物质必须是很小的颗粒，以保证其充分反应，a正确；因2SQ+Q堂2SQ反应是可逆反应，增加氧气的量有利于平衡右移，b正确；催化剂对平衡移动无影响，c错；沸腾炉中的炉渣有氧化铁，所以炉渣可以用来炼铁，d正确；答案为：abd。(4)澳单质能氧化二氧化硫，二者的反应为SO+Br2+2H2O=4H+2BL+ SO2，3 .硫酸工业在国民经济中占有极其重要的地位。(1)硫酸的最大消费渠道是化肥工业，用硫酸制造的常见化肥有(任写一种)。(2)硫酸生产中，根据化学平衡原理来确定的条件或措施有 (填写序号)。A. 矿石加入沸腾炉之前先粉碎B.使用V2Q作催化剂C.转化器中使用适宜的温度D.净化后的炉气中要有过量的空气E.催化氧化在常压下进行F.吸收塔中用98.3%的浓硫酸吸收SO 在硫酸工业中，通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫：2SQ(g)+O2(g) J2SO(g);AH=-98.3 kJ mol-1。在实际工业生产中，常采用“二转二吸法”，即将第一次转化生成的SQ分离后，将未转化的 SO进行二次转化，假设两次SO的转化率均为 95%则最终 SO的转化率为。(4)硫酸的工业制法过程涉及三个主要的化学反应及相应的设备(沸腾炉、转化器、吸收塔 )。三个设备分别使反应物之间或冷热气体之间进行“对流”。请简单描述吸收塔中反应物之间是怎样对流的。工业生产中常用氨-酸法进行尾气脱硫，以达到消除污染、废物利用的目的。用化学方程式 表示其反应原理。 (只写出 2个方程式即 可)。3.(1)硫酸俊(或硫酸钾)(2)D(3)99.75%(4)SO3从吸收塔底部进入，吸收剂 (浓硫酸)从顶部下淋，形成对流SQ+NH+H2O =NH4HSQ 2NHHSO+H2SO =(NH4) 2SO+2H2O+2SOT或 SO+2NH3+H2O =(NH4) 2SO; (NH4) 2SO+HSQ =(NH 4) 2SO+H2O+SOT 【解析】常用硫酸来制硫酸钾和硫酸钱等化肥。硫酸生成过程中为了提高转化率，通常加入过量的空气，来提高 SO的转化率；而加入催化剂和适用合适的温度，都是问题提高速率，并不是为了提高原料的转化率。(2)根据化学平衡原理来确定的条件有D项(增大反应物浓度，使平衡正向移动)。根据化学平衡原理，降温有利于平衡向正向移动，保持适宜温度是为了使催化剂效率最高。(3)转化率为95%+(1-95%)X 95%=99.75% (4)注意SO用NH吸收后再用 H2SQ处 理，可得相应的化肥。SO可以再次循环利用。
展开阅读全文