教學(xué)設(shè)計(jì) 完整版：化工生產(chǎn)過(guò)程中的基本問(wèn)題

高中化學(xué)選修2化學(xué)與技術(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程中的基本問(wèn)題教學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)：1.了解生產(chǎn)硫酸的基本流程2.了解生產(chǎn)中原料的選擇3.了解化學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)與化工生產(chǎn)的區(qū)別4.注意生產(chǎn)中的三廢處理，防止環(huán)境污染教學(xué)過(guò)程：[共同復(fù)習(xí)硫酸的用途.引入第一個(gè)大問(wèn)題。]一、依據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理確定生產(chǎn)過(guò)程【師】硫酸是化學(xué)工業(yè)中的重要產(chǎn)品之一。首先硫酸大量用于化肥和農(nóng)藥的生產(chǎn)；在有機(jī)合成工業(yè)中，硫酸用于各種磺化反應(yīng)和硝化反應(yīng)，生產(chǎn)醚、酯、有機(jī)酸、也要消耗硫酸；在無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè)中，HF、H3PO4等的生產(chǎn)及K、Fe、Cu、Zn、Al的硫酸鹽的生產(chǎn)等，都要消耗硫酸；在冶金工業(yè)及國(guó)防工業(yè)中，如生產(chǎn)炸藥；石油工業(yè)、染料、人造纖維、食品、電池、搪瓷、醫(yī)藥、機(jī)械加工工業(yè)等許多部門(mén)，都要用到硫酸。既然需要這么多硫酸，那么怎樣制取呢？【師、生】1．應(yīng)結(jié)合硫酸的組成和性質(zhì)，來(lái)確定原料和生產(chǎn)路線。經(jīng)分析可知，生產(chǎn)硫酸主要化學(xué)過(guò)程可分為二氧化硫的生成和二氧化硫轉(zhuǎn)化為三氧化硫兩個(gè)主要階段。2．其具體生產(chǎn)原理為造氣：4FeS2(S)+11O2(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：工業(yè)上是用%的濃硫酸來(lái)吸收SO3的，而不是直接用水或稀硫酸作吸收劑，原因是用后者吸收時(shí)容易形成酸霧，吸收速率慢。3．工業(yè)制硫酸主要生產(chǎn)流程參看P5圖1-2，造氣→凈化、干燥→催化反應(yīng)室→吸收塔→稀釋室→貯存室另外，還需要考慮原料的凈化、適宜反應(yīng)條件及設(shè)備的選擇、廢熱的利用等。二、生產(chǎn)中原料的選擇1．我國(guó)生產(chǎn)硫酸需考慮的問(wèn)題（1）從基建投資、加工費(fèi)用及環(huán)保方面考慮，用硫磺制硫酸優(yōu)于用黃鐵礦制硫酸。（2）我國(guó)天然硫資源缺乏，而且開(kāi)采條件比較復(fù)雜。（3）我國(guó)黃鐵礦儲(chǔ)量比天然硫要大。（4）硫黃制硫酸比黃鐵礦制硫酸生產(chǎn)流程短、設(shè)備簡(jiǎn)單、三廢治理量小，勞動(dòng)生產(chǎn)率高，易于設(shè)備大型化。（5）由于原料多需進(jìn)口，硫黃制硫酸成本比黃鐵礦制硫酸略高等等方面。2．以FeS2為原料第一步4FeS2(S)+11O2(g)2Fe2O3(s)+8SO2(g)第二步2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)第三步SO3(g)+H2O()=H2SO4()3．以硫磺為原料:第一步S（S）＋O2（g）SO2（g）第二步2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）第三步SO3（g）＋H2O（）=H2SO4（）硫和黃鐵礦相比，因后者產(chǎn)生的廢棄物太多，處理成本太高，因此，目前硫酸生產(chǎn)中的三種原料為硫磺,空氣,和水。4．生產(chǎn)規(guī)模和廠址的選擇現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)一般要求有較大的規(guī)模，便于采用先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，便于“廢熱”利用，便于環(huán)境保護(hù)，成本低。根據(jù)以上原則和我國(guó)國(guó)情，我國(guó)硫酸工業(yè)宜發(fā)展年產(chǎn)在4萬(wàn)噸以上的制硫酸裝置。三、生產(chǎn)中反應(yīng)條件的控制閱讀P6表1-1，結(jié)合二氧化硫催化氧化的反應(yīng)特點(diǎn)：反應(yīng)方程式2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g），屬放熱的可逆反應(yīng)?！編煛渴欠駵囟仍降驮接欣赟O2轉(zhuǎn)化為SO3？【生】選擇溫度：低溫(400~500C)，因?yàn)樵诖藴囟确秶鷥?nèi)，反應(yīng)速度和SO2的平衡轉(zhuǎn)化率都比較高。但應(yīng)注意:工業(yè)生產(chǎn)中反應(yīng)溫度的選擇往往還要考慮該溫度下催化劑的活性?！編煛块喿xP6表1-2,分析隨壓強(qiáng)的增大，SO2的轉(zhuǎn)化率怎么改變？是否壓強(qiáng)越高越好?【生】應(yīng)選擇壓強(qiáng):常壓。原因是增大氣壓，SO2的平衡轉(zhuǎn)化率提高并不多，但卻大大增大了動(dòng)力和設(shè)備的要求，增大了生產(chǎn)成本和能量消耗。所以硫酸廠通常采用常壓操作?！編煛孔⒁?工業(yè)生產(chǎn)中壓強(qiáng)的選擇，往往還要考慮成本和能量消耗等問(wèn)題。四、生產(chǎn)中三廢的處理1．廢氣的組成：SO2,O2,N2。其中的SO2是形成酸雨的主要因素。常用的處理方法——氨水吸收法（1）SO2+2NH3+H2O==（NH4）2SO3（2）（NH4）2SO3+H2SO4==（NH4）2SO4+SO2+H2O或用NH3·H2O書(shū)寫(xiě)：2NH3·H2O+SO2===(NH4)2SO3+H2O(NH4)2SO3+SO2+H2O=NH4HSO3或用堿液（Na2CO3）吸收法：Na2CO3+SO2===Na2SO3+CO2Na2SO3+SO2+H2O===2NaHSO3處理后的產(chǎn)品也可進(jìn)一步利用：(NH4)2SO4作化肥；SO2可循環(huán)利用，可作它用。2．廢水的處理—石灰乳中和法硫酸工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的污水常含有硫酸等酸性雜質(zhì)，一般用石灰乳中和處理：H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2O3．廢渣的利用硫酸工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中黃鐵礦的礦渣一般用作制造礦渣水泥和礦渣磚，含鐵品位高的礦渣，經(jīng)處理后可用于煉鐵，如：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2，有的也可分離后循環(huán)利用，提煉貴重的有色金屬，剩下的作鋪路用的瀝青。學(xué)點(diǎn)五、能量的充分利用1.生產(chǎn)1t硫酸需消耗100kw·h的電能，硫酸生產(chǎn)的三個(gè)過(guò)程都是放熱反應(yīng)，生產(chǎn)1t硫酸放出的反應(yīng)熱相當(dāng)于200kw·h的電能。這些廢熱的利用，可以向外界輸出大量的能量，能大大降低生產(chǎn)成本。2.可以利用SO2氧化成SO3時(shí)，放出的熱量用來(lái)預(yù)熱即將參加反應(yīng)的SO2和O2。3.硫酸工業(yè)的能量循環(huán)（理論：放熱大于吸熱）開(kāi)動(dòng)機(jī)器設(shè)備——電能維持接觸室400-500度----熱能4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2吸熱2SO2+O2=2SO3放熱SO3+H2O=H2SO4放熱思考