化學：11《化工生產過程中的基本問題》(新人教版選修2)

高中《化學》新人教版選修2系列課件化學與技術

第一頁，共79頁。第一頁，共79頁。第一單元

《走進化學工業(yè)》第二頁，共79頁。第二頁，共79頁。教學目標１、以硫酸工業(yè)為例，了解化工生產中的一些基本問題。２、知道生產硫酸的主要原理、原料、流程和意義。３、能用勒夏特列原理選擇二氧化硫催化氧化的合適條件。４、了解合成氨的主要原理、原料、重要設備、流程和意義。５、認識合成氨反應的特點，學會選擇合成氨的適宜條件。６、認識催化劑的研制對促進化學工業(yè)發(fā)展的重要意義。７、掌握氨堿法制取純堿的原料、原理及工藝流程。８、了解聯(lián)合制堿法的原理。第三頁，共79頁。第三頁，共79頁。第一章走進化學工業(yè)第一節(jié)《化學生產過程中

的基本問題》第四頁，共79頁。第四頁，共79頁。硫酸的性質(1)物理性質:硫酸是一種無色,難揮發(fā),易溶于水的油狀液體。濃硫酸溶于水時會放出大量的熱。因此,稀釋硫酸時應該把______倒到______中,并_____.(2)化學性質:濃硫酸具有酸性,______性,______性和______性.濃硫酸水不斷攪拌吸水脫水強氧化第五頁，共79頁。第五頁，共79頁。硫酸的用途第六頁，共79頁。第六頁，共79頁。思考:

(1)自然界中有沒有天然的硫酸?

(2)工業(yè)上如何制取硫酸?

第七頁，共79頁。第七頁，共79頁。(一)硫酸工業(yè)生產的原理思考:1,自然界中存在的含硫的物質有哪些?2.這些物質要經過哪些中間產物才能變成硫酸?請寫出有關的化學方程式!第八頁，共79頁。第八頁，共79頁。硫酸生產反應式S(s)+O2(g)SO2(g)

高溫(一)硫酸工業(yè)生產的原理SO3(g)+H2O(l)H2SO4(l)第一步：第二步：第三步：以硫磺為原料:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)催化劑

加熱(造氣)(催化氧化)(吸收)工業(yè)中通常用98%的硫酸溶液代替水來吸收SO3因此:工業(yè)上制硫酸主要分_________個生產過程.第九頁，共79頁。第九頁，共79頁。硫酸生產反應式(二)硫酸工業(yè)原料的選擇4FeS2(S)+11O2(g)2Fe2O3(s)+8SO2(g)

高溫第一步：SO3(g)+H2O(l)H2SO4(l)2SO2(g)

+O2(g)2SO3(g)催化劑加熱第二步：第三步：以FeS2為原料思考:為什么不主張用黃鐵礦(主要成分FeS2)作為原料生產硫酸?因此:硫酸生產中的三種原料:硫磺(或黃鐵礦),空氣,和水第十頁，共79頁。第十頁，共79頁。制取硫酸流程圖P5圖1-2H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2V2O5概括為：三個階段，三個方程，三個設備第十一頁，共79頁。第十一頁，共79頁。硫酸生產反應式S(s)+O2(g)SO2(g)

高溫SO3(g)+H2O(l)H2SO4(l)第一步：第二步：第三步：以硫磺為原料:2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)催化劑

加熱(造氣)(催化氧化)(吸收)工業(yè)中通常用98%的硫酸溶液代替水來吸收SO3想一想:從生產硫酸的原理看,硫酸廠中的生產設備最少應分幾部分?第十二頁，共79頁。第十二頁，共79頁。(三)硫酸工業(yè)生產的三個主要設備沸騰爐圖片接觸室圖片98.3%H2SO4SO2O2SO2O2SO2O2第十三頁，共79頁。第十三頁，共79頁。4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2高溫主要反應：主要設備：沸騰爐1.二氧化硫的制取和凈化接觸法制硫酸爐氣SO2O2N2水蒸氣

砷和硒的化合物礦塵使催化劑中毒對設備和生產有不良影響凈化措施：除塵洗滌干燥廢渣的利用：煉鐵、制造水泥、制磚、提煉貴重金屬黃鐵礦空氣爐渣爐氣第十四頁，共79頁。第十四頁，共79頁。2.二氧化硫氧化成三氧化硫接觸室（轉化器）400-500℃

V2O52SO2(g)+O2(g)

2SO3(g)主要反應：主要設備：二、接觸法制硫酸二氧化硫與氧氣是在催化劑的表面上接觸時起反應的，接觸室和接觸法的名稱由此而得。第十五頁，共79頁。第十五頁，共79頁。3.三氧化硫的吸收和硫酸的生成吸收塔SO3+H2O=H2SO4為什么不用水來吸收三氧化硫？三氧化硫與水化合時，放出大量熱。易形成酸霧，不利于三氧化硫的吸收。產物叫發(fā)煙硫酸主要反應：主要設備：二、接觸法制硫酸第十六頁，共79頁。第十六頁，共79頁。3.三氧化硫的吸收和硫酸的生成吸收塔

SO3+H2O=H2SO4主要反應：主要設備：SO3濃H2SO4超濃H2SO4至尾氣處理Ca(OH)2+SO2=CaSO3+H2OCaSO3+H2SO4=CaSO4+H2O+SO2↑循環(huán)利用尾氣吸收第十七頁，共79頁。第十七頁，共79頁。注意:工業(yè)生產中反應溫度的選擇往往還要考慮該溫度下催化劑的活性.2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)△H<0催化劑應選擇溫度:(1)400~5000C硫酸工業(yè)生產的適宜條件:

生產中反應條件的控制思考：1、采取哪些措施能加快反應速率？2、采取哪些措施能提高SO2的轉化率？3、溫度升高,SO2的轉化率_____降低低溫下催化劑的活性不高，400～5000C催化劑活性較高第十八頁，共79頁。第十八頁，共79頁。閱讀P6表1-2,思考壓強的增大,SO2的轉化率_____越高注意:工業(yè)生產中壓強的選擇往往還要考慮成本和能量消耗等問題思考:是否壓強越高越好?硫酸工業(yè)生產的三個適宜條件:應選擇壓強:(2)常壓生產中反應條件的控制第十九頁，共79頁。第十九頁，共79頁。閱讀P6表1-1,思考溫度較____時,越有利于SO2轉化為SO3?注意:工業(yè)生產中反應溫度的選擇往往還要考慮該溫度下催化劑的活性.思考:是否溫度越低越有利于SO2轉化為SO3?2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)放熱催化劑硫酸工業(yè)生產的三個適宜條件:低應選擇溫度:(1)低溫(400~5000C)第二十頁，共79頁。第二十頁，共79頁。(1)400~5000C(2)常壓(3)適當過量的空氣生產中反應條件的控制硫酸工業(yè)生產的適宜條件:

第二十一頁，共79頁。第二十一頁，共79頁。1、如何處理尾氣中的SO2?2、,如何處理廢水中的酸性物質?3,如何利用廢渣和生產過程中的產生的大量熱能?工業(yè)：ＳＯ２Ｃa（ＯＨ）２ＣaＳＯ３Ｈ２ＳＯ４ＳＯ２（重新利用）實驗室：ＳＯ２＋２ＮaＯＨ＝Ｎa２ＳＯ３＋Ｈ２Ｏ用石灰漿(Ca(OH)2或石灰石粉中和.廢渣:分離后循環(huán)利用,剩下的作鋪路用的瀝青或用于制磚生產中的三廢處理第二十二頁，共79頁。第二十二頁，共79頁。能量的充分利用硫酸生產過程中的三個化學反應都是放熱反應，可以充分利用這些反應放出的熱能(工廠里把它們叫做“廢熱”)以降低生產成本。第二十三頁，共79頁。第二十三頁，共79頁。在沸騰爐旁設置“廢熱”鍋爐，產生蒸汽來發(fā)電；在接觸室中設熱交換裝置。據測算，生產1t硫酸約需消耗100kW·h的電能，而相應量反應物在生產過程中放出的反應熱相當于200kW·h的電能。第二十四頁，共79頁。第二十四頁，共79頁?；どa過程:(1)確定化學反應原理(2)選擇原料(3)選擇設備和工藝流程(4)三廢處理(環(huán)境保護)(5)能源的利用(綜合經濟利益)(6)其它問題(如廠址，成本，反應條件等問題）第二十五頁，共79頁。第二十五頁，共79頁。小結:(本節(jié)課重點)1,工業(yè)上接觸法制硫酸概括為“五個三”:三種原料:三個反應:三個生產過程:三個主要設備:硫酸工業(yè)生產的三個適宜條件:2,硫酸生產中的廢氣及廢液的處理方法.硫磺(或黃鐵礦),空氣,和水造氣,催化氧化,吸收沸騰爐,接觸室,吸收塔(1)低溫(400~5000C)(2)常壓(3)適當過量的空氣第二十六頁，共79頁。第二十六頁，共79頁。P213、4、8作業(yè)：實踐活動通過查閱資料、上網、參觀訪問等方式進行調查，了解一些化工廠是如何利用廢熱的。第二十七頁，共79頁。第二十七頁，共79頁。第一章走進化學工業(yè)第二節(jié)《人工固氮技術─合成氨》第二十八頁，共79頁。第二十八頁，共79頁。

1.在新疆與青海交界處有一山谷，人稱魔鬼谷。每當人畜進入后，經常電閃雷鳴，狂風暴雨，把人畜擊斃。然而谷內卻是牧草茂盛，四季常青。請解釋原因。

N2+O2

====2NO放電或高溫2NO

+O2=2NO2

3NO2+H2O=2HNO3+NO雷雨發(fā)莊稼神秘的魔鬼谷第二十九頁，共79頁。第二十九頁，共79頁。氮的固定將游離態(tài)氮轉化為化合態(tài)氮的方法叫氮的固定．第三十頁，共79頁。第三十頁，共79頁。(一)合成氨的反應原理由氮氣與氫氣直接合成氨的化學原理為:N2(g)+3H2(g)2NH3

(g)

高溫高壓催化劑(放熱)第三十一頁，共79頁。第三十一頁，共79頁。(二)工業(yè)合成氨的原料的選擇:N2主要來源于____氫氣主要來源于____空氣水和碳氫化合物(如何從空氣中分離出氮氣？)第三十二頁，共79頁。第三十二頁，共79頁。C+H2O===CO+H2(試寫出C與水制取氫氣的化學方程式)CH4+H2O===3H2+COCH4+2H2O===4H2+CO2催化劑催化劑制取原料氣的過程中?；煊械臍怏w雜質有__________CO,CO2

和H2S(如何凈化)第三十三頁，共79頁。第三十三頁，共79頁。(2)用稀氨水吸收H2S雜質：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。(3)使CO變成CO2：______________________。(4)除去CO2(用K2CO3吸收)：_________________________________。CO＋H2O===CO2＋H2K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO32、凈化(1)原料氣凈化的原因是有些雜質可使催化劑“中毒”。第三十四頁，共79頁。第三十四頁，共79頁。3、將原料氣合成氨與分離從合成塔出來的混合氣體，氨氣占總體積的________，要把混合氣體通過冷凝器、_______，再導入液氨貯灌。剩余氣體再送回合成塔，循環(huán)利用(合成氨轉化率較低，要采用循環(huán)操作）。15%分離器第三十五頁，共79頁。第三十五頁，共79頁。(三)工業(yè)合成氨的基本生產過程:1、造氣：制備合成氨的原料氣2、凈化：原料氣的凈化處理3、合成：使原料氣進行化學反應合成氨N2(g)+3H2(g)2NH3

(g)

高溫高壓催化劑(放熱)第三十六頁，共79頁。第三十六頁，共79頁。二、合成氨反應條件的選擇1、合成氨反應的特點：a、可逆反應

b、正反應放熱

c、正反應是氣體體積減小的反應。第三十七頁，共79頁。第三十七頁，共79頁。合成氨反應使氨生成的快(從化學反應速率分析)使氨生成的多(從化學平衡分析)壓強溫度是否要用催化劑N2(g)+3H2(g)2NH3(g)分析角度反應要求外界條件高溫高壓高壓低溫使用不影響問題3：請同學們分析下表。分別從化學反應速率和化學平衡兩個角度分析合成氨的合適條件。

填表第三十八頁，共79頁。第三十八頁，共79頁。反應條件對化學反應速率的影響對平衡混合物中氨的含量的影響合成氨條件的選擇增大壓強升高溫度

使用催化劑有利于增大化學反應速率有利于提高平衡混合物中氨的含量壓強增大，有利于氨的合成，但需要的動力大，對材料、設備等要求高，因此，工業(yè)上一般采用10～30MPa的壓強有利于增大化學反應速率有利于增大化學反應速率不利于提高平衡混合物中氨的含量溫度升高，化學反應速率增大，但不利于提高平衡混合物中氨的含量，因此合成氨時溫度要適宜。工業(yè)上一般采用500℃左右的溫度并且在這個溫度時，催化劑的活性最大沒有影響工業(yè)上一般采用鐵觸媒，使反應能在較低的溫度下較快的反應第三十九頁，共79頁。第三十九頁，共79頁。工業(yè)上合成氨的合適條件到底怎樣？使用催化劑：鐵觸媒（以Fe為主體的多成分催化劑）這樣可以大大加快化學反應速率，提高生產效率，也提高了經濟效益；選擇合適的溫度：450℃左右，該溫度是為合成氨催化劑的活性溫度；選擇合適的壓強：10MPa~30MPa，該壓強下進行生產，對動力、材料、設備等來說正合適。合成氨的適宜條件N2+3H22NH3

鐵觸媒450℃10～30MPa第四十頁，共79頁。第四十頁，共79頁。哈伯和哈伯法合成氨

第四十一頁，共79頁。第四十一頁，共79頁。(四)工業(yè)合成氨的工業(yè)流程:第四十二頁，共79頁。第四十二頁，共79頁。用圖式表示合成氨的流程：原料氣的制取凈化合成分離液氨(四)工業(yè)合成氨的工業(yè)流程:第四十三頁，共79頁。第四十三頁，共79頁。合成氨的實地照片第四十四頁，共79頁。第四十四頁，共79頁。五、合成氨工業(yè)的發(fā)展1．原料及原料氣的凈化原料氣之一的氮氣來自_______，目前氫氣主要通過不同的______態(tài)(煤和焦炭)、_____態(tài)(石油中提煉的石腦油、重油)、______態(tài)(天然氣、焦爐氣)可燃物為原料制取。2．催化劑的改進多年來一直用________作催化劑，目前有采用____為基礎活性物質的新型催化劑?？諝夤桃簹獯盆F礦釕第四十五頁，共79頁。第四十五頁，共79頁。3．環(huán)境保護(1)廢渣：主要是煤渣和炭黑，可用作肥料的原料和建筑材料(2)廢氣：主要是_______和________等有害氣體，對H2S的處理，可用___________法(選擇性催化氧化)、_______法(用溶劑吸收濃縮)，CO2可用來生產尿素和碳銨等。(3)廢液：主要是含_________和含氨的污水，處理含氰化物污水主要有______、加壓水解、氧化分解、_______沉淀、反吹回爐等方法。處理含氨廢水可用蒸餾的方法回收，也可用_____________治理。H2SCO2直接氧化循環(huán)氰化物生化化學離子交換法第四十六頁，共79頁。第四十六頁，共79頁。練習：１．合成氨所需的可由煤和水蒸氣反應而制得，其中一步的反應為：（正反應放熱），下列措施中，能提高CO轉化率的是（

）A．增大壓強

B．降低溫度C．增大水蒸氣濃度

D．加催化劑２．合成氨工業(yè)有下列流程：①原料氣制備；②氨的合成；③原料氣凈化和壓縮；④氨的分離。其先后順序為（

）

A．①②③④

B．①③②④

C．④③②①

D．②③④①ＣＢ第四十七頁，共79頁。第四十七頁，共79頁?？茖W史話合成氨與諾貝爾獎

1918年，德國化學家哈伯由于實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產及合成氨研究對化學理論發(fā)展的推動，獲得諾貝爾化學獎。

利用氮、氫為原料合成氨的工業(yè)化生產曾是一個較難的課題，從第一次實驗室研制到工業(yè)化投產，大約經歷了150年的時間。

1931年，德國化學家卡爾·博施因為改進合成氨的工業(yè)方法而獲諾貝爾化學獎。

2007年，德國化學家格哈德·埃特爾因發(fā)現(xiàn)“哈伯—波施法”的作用機理并推動表面化學動力學的研究而獲諾貝爾化學獎。

第四十八頁，共79頁。第四十八頁，共79頁。小結：工業(yè)合成氨:(1)原理與過程:(2)原料：(3)合成條件:(4)三廢處理:第四十九頁，共79頁。第四十九頁，共79頁。三、合成氨的生產工藝空氣壓縮降溫液態(tài)空氣蒸發(fā)N2（先逸出）炭CO2＋N2除去CO2N2H2O(g)赤熱炭或其他燃料CO＋H2H2O(g)催化劑CO2＋H2除去CO2H2原料：空氣、水、燃料C＋H2O(g)→CO＋H2高溫CO＋H2O(g)→CO2＋H2催化劑原料氣的制備凈化壓縮(防止催化劑中毒)合成分離液氨N2、H2中學化學資料網/第五十頁，共79頁。第五十頁，共79頁。1他是中國化學工業(yè)史上一位杰出的科學家2他所著的《純堿制造》被世界各國化工界公認為制堿工業(yè)的權威專著3他創(chuàng)立了中國人自己的制堿工藝——侯氏制堿法猜猜看第五十一頁，共79頁。第五十一頁，共79頁。第一章走進化學工業(yè)第三節(jié)《純堿的生產》第五十二頁，共79頁。第五十二頁，共79頁。純堿的化學名稱:Na2CO3俗名：純堿、蘇打知道純堿的用途嗎？第五十三頁，共79頁。第五十三頁，共79頁。第五十四頁，共79頁。第五十四頁，共79頁。關于純堿的一些常識碳酸鈉的用途：發(fā)酵粉、洗碗、制肥皂、制藥、制松花蛋、紡織、玻璃、造紙、漂染，還可以用于其他含鈉化合物的制備。第五十五頁，共79頁。第五十五頁，共79頁。想一想

自然界中哪些地方存在純堿？第五十六頁，共79頁。第五十六頁，共79頁。寸草不生的鹽堿地第五十七頁，共79頁。第五十七頁，共79頁。自然界中有純堿嗎？內蒙古鄂爾多斯堿湖

第五十八頁，共79頁。第五十八頁，共79頁。鄂爾多斯天然堿廠第五十九頁，共79頁。第五十九頁，共79頁。如何獲得自然界中的純堿？第六十頁，共79頁。第六十頁，共79頁。

獲得天然純堿的方法：

（1）一些生長在一些生長在鹽堿地和海岸附近的植物中含有碳酸鈉，可以從植物的灰燼中提取。

（2）當冬季來臨時，堿湖中所含的碳酸鈉結晶析出，經過簡單的加工就可以使用。第六十一頁，共79頁。第六十一頁，共79頁。思考與交流

1.從天然堿的形成推測碳酸鈉在水中結晶析出主要受到哪些因素的影響？

改變溫度、結晶水合物的組成以及溶劑水的質量等因素，可以改變碳酸鈉在水中的溶解情況，提高結晶析出的速率和質量（純度）。第六十二頁，共79頁。第六十二頁，共79頁。

2.根據天然堿的存在及其主要化學成分，請設想工業(yè)生產碳酸鈉的主要原料是什么？碳酸鈉中含有鈉離子和碳酸根離子。自然界中存在的含鈉離子的化合物很多，大量存在的、最常見的是氯化鈉；因此，氯化鈉是比較理想的生產原料之一。碳酸根可以有碳酸鹽直接提供，也可有由二氧化碳制取，較為理想的原料是碳酸鈣。第六十三頁，共79頁。第六十三頁，共79頁。純堿生產車間純堿的生產第六十四頁，共79頁。第六十四頁，共79頁。思考與交流根據天然堿的存在及其主要化學成分，請你設想工業(yè)生產碳酸鈉的主要原料是什么？為什么？Na2CO3

CaCO3NaCl第六十五頁，共79頁。第六十五頁，共79頁。兩種著名的制堿技術(1)氨堿法制純堿(索爾維制堿法)(2)聯(lián)合制堿法(侯氏制堿法)第六十六頁，共79頁。第六十六頁，共79頁。一、氨堿法生產純堿CaCO3=CO2+CaONaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2OCaO+H2O=Ca(OH)22NH4Cl+Ca(OH)2=2NH3+CaCl2+2H2O產品副產品第六十七頁，共79頁。第六十七頁，共79頁。優(yōu)點：不足：原料便宜成品純度高氯化鈉利用率低氨和部分二氧化碳可循環(huán)使用制作步驟簡單產生了當時認為無用的氯化鈣請分析氨堿法的優(yōu)點？有不足之處嗎？第六十八頁，共79頁。第六十八頁，共79頁。侯得榜聯(lián)合制堿法(侯氏制堿法)第六十九頁，共79頁。第六十九頁，共79頁。二、聯(lián)合制堿法（侯氏制堿法）NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O原料ⅡNH3CO2（原料Ⅰ，來自合成氨）（副產品）

根據聯(lián)合制堿法生產原理示意圖，分析比較它與氨堿法的有哪些異同？優(yōu)點是什么？第七十頁，共79頁。第七十頁，共79頁。所謂聯(lián)合，就是將氨減法與合成氨工藝進行聯(lián)合的改進工藝，在合成氨生產中有CO生成，我們是將其轉化為CO2,在進