1.1 化工生产过程中的基本问题 教案(5)

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》教案
【教学目标】
1.了解生产硫酸的基本流程
2.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。
4.注意生产中的三废处理，防止环境污染
【教学过程】
[共同复习硫酸的用途.引入第一个大问题。]
一、依据化学反应原理确定生产过程
【师】硫酸是化学工业中的重要产品之一。首先硫酸大量用于化肥和农药的生产；在有机合成工业中，硫酸用于各种磺化反应和硝化反应，生产醚、酯、有机酸、也要消耗硫酸；在无机化学工业中，HF、H3PO4等的生产及K、Fe、Cu、Zn、Al的硫酸盐的生产等，都要消耗硫酸；在冶金工业及国防工业中，如生产炸药；石油工业、染料、人造纤维、食品、电池、搪瓷、医药、机械加工工业等许多部门，都要用到硫酸。既然需要这么多硫酸，那么怎样制取呢？
【师、生】1、应结合硫酸的组成和性质，来确定原料和生产路线。经分析可知，生产硫酸主要化学过程可分为二氧化硫的生成和二氧化硫转化为三氧化硫两个主要阶段。
2、其具体生产原理为
造气：4FeS2(S)
+11
O2
(g)
2Fe2O3
(s)+
8SO2(g)
或S（S）＋O2（g）SO2（g）
二氧化硫的催化氧化：2SO2(g)
+
O2
(g)
2SO3(g)
三氧化硫的吸收：SO3
(g)
+
H2O()
=
H2SO4()
注意：工业上是用98.3%的浓硫酸来吸收SO3的，而不是直接用水或稀硫酸作吸收剂，原因是用后者吸收时容易形成酸雾，吸收速率慢。
3、工业制硫酸主要生产流程
参看P5图1-2
，造气→净化、干燥→催化反应室→吸收塔→稀释室→贮存室
另外，还需要考虑原料的净化、适宜反应条件及设备的选择、废热的利用等。
二、生产中原料的选择
1、我国生产硫酸需考虑的问题
（1）从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用硫磺制硫酸优于用黄铁矿制硫酸。
（2）我国天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂。
（3）我国黄铁矿储量比天然硫要大。
（4）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，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铁矿制硫酸略高等等方面。
2、以FeS2为原料
第一步4FeS2(S)
+11
O2
(g)
2Fe2O3
(s)+
8SO2(g)
第二步2SO2(g)
+
O2
(g)
2SO3(g)
第三步SO3
(g)
+
H2O()
=
H2SO4()
3、
以硫磺为原料:
第一步S（S）＋O2（g）SO2（g）
第二步2
SO2（g）＋O2（g）2
SO3（g）
第三步SO3（g）＋H2O（）=
H2
SO4（）
硫和黄铁矿相比，因后者产生的废弃物太多，处理成本太高，因此，目前硫酸生产中的三种原料为硫磺,
空气,和水。
4、
生产规模和厂址的选择
现代化工业生产一般要求有较大的规模，便于采用先进的技术和设备以提高劳动生产率，
便于“废热”利用，便于环境保护，成本低。根据以上原则和我国国情，我国硫酸工业宜发展年产在4万吨以上的制硫酸装置。
三、生产中反应条件的控制
阅读P6表1-1，结合二氧化硫催化氧化的反应特点：
反应方程式2
SO2（g）＋O2（g）2
SO3（g），属放热的可逆反应。
【师】是否温度越低越有利于SO2
转化为SO3
？
【生】选择温度：低温(400~500C)，因为在此温度范围内，反应速度和SO2的平衡转化率都比较高。但应注意:工业生产中反应温度的选择往往还要考虑该温度下催化剂的活性。
【师】阅读P6表1-2,分析随压强的增大，SO2的转化率怎么改变？是否压强越高越好

【生】应选择压强:常压。原因是增大气压，SO2
的平衡转化率提高并不多，但却大大增大了动力和设备的要求，增大了生产成本和能量消耗。所以硫酸厂通常采用常压操作。
【师】注意: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。
四、
生产中三废的处理
1、
废气的组成：SO2,O2,N2。其中的SO2是形成酸雨的主要因素。
常用的处理方法——氨水吸收法
（1）SO2+2NH3+H2O==（NH4）2SO3
（2）（NH4）2SO3+H2SO4==（NH4）2SO4+SO2+H2O
或
用NH3·H2O
书写：
2NH3·H2O+SO2
===(NH4)2SO3+H2O
(NH4)2SO3
+SO2+H2O=NH4HSO3
或用碱液（Na2CO3）吸收法：
Na2CO3+SO2===Na2SO3+CO2
Na2SO3+SO2+H2O===2NaHSO3
处理后的产品也可进一步利用：
（NH4）2SO4作化肥
；
SO2可循环利用，可作它用。
2、废水的处理—石灰乳中和法
硫酸工业生产过程中的污水常含有硫酸等酸性杂质，一般用石灰乳中和处理：
H2SO4+Ca（OH）2=CaSO4+2H2O
。
3、废渣的利用
硫酸工业生产过程中黄铁矿的矿渣一般用作制造矿渣水泥和矿渣砖，含铁品位高的矿渣，经处理后可用于炼铁，如：
Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2，有的也可分离后循环利用，提炼贵重的有色金属，剩下的作铺路用的沥青。
学点五、能量的充分利用
1.生产1t硫酸需消耗100kw·h的电能，硫酸生产的三个过程都是放热反应，生产1t硫酸放出的反应热相当于200kw·h的电能。这些废热的利用，可以向外界输出大量的能量，能大大降低生产成本
。
2.可以利用SO2氧化成SO3
时，放出的热量用来预热即将参加反应的SO2
和O2
。
3.
硫酸工业的能量循环（理论：放热大于吸热）
开动机器设备——电能
维持接触室400-500度----热能
4FeS
2+11O
2=2Fe
2O3+8SO
2
吸热
2SO
2+O
2=2SO3
放热
SO3+H
2O=H
2SO4
放热
思考：你认为硫酸工业可以怎样合理利用能源？
提示：（1）在沸腾炉（造气炉）旁设置蒸汽锅炉进行发电
（2）在接触室（催化反应室）中设置热交换器一方面预热反应原料气，另一方面使接触氧化到适宜温度
（3）在接触室（催化反应室）附近建造浴室，提高劳动福利或创造经济效益。