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1、考点 20 硫酸工业环境保护 复习重点 1 接触法制硫酸的生产过程和化学原理 2 保护环境 难点聚焦 一 接触法制硫酸的原理 过程及典型设备 1 三种原料 硫铁矿 FeS2 空气 水 利用接触法制硫酸一般可以用硫黄 黄铁矿 石膏 有色金属冶炼厂的烟气 含一定量 的 SO2 等 其中用硫黄作原料成本低 对环境污染少 但我国硫黄资源较少 主要用黄铁 矿 主要成分为FeS2 作生产硫酸的原料 2 三步骤 三反应 1 4FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2 高温 2 2 SO2 O2 2 SO3 催化剂 加热 3 SO3 H2O H2SO4 3 三设备 1 沸腾炉 2 接触室 3 合成塔 4 三
2、原理 化学平衡原理 热交换原理 逆流原理 1 增大反应物浓度 增大反应物间接触面积 能提高反应速率并使化学平衡向正反 应方向移动 以充分提高原料利用率 2 热交换原理 在接触室中生成的热量经过热交换器 传递给进入接触室的需要预热的 混合气体 为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件 3 逆流原理 液体由上向下流 气体由下向上升 两者在逆流过程中充分反应 接触法制硫酸的原理 过程及典型设备 三原料三阶段三反应 均放热 三设备三净化 黄铁矿 或 S 造气 4FeS2 11O2 2Fe2O3 8SO2 高 温 或 S O2 SO2 沸腾炉除尘 空气 接触氧 化 2 SO2 O2 2 SO3
3、 催化剂 接触室 含热 交换器 洗涤 98 3 浓 硫酸 三氧化 硫吸收 SO3 H2O H2SO4 吸收塔干燥 接触法制硫酸示意图 5 应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件 二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的 放热的反应 1 温度 二氧化硫接触氧化是一个放热的可逆反应 根据化学平衡理论判断 温度较低对反应有 利 但是 温度较低时 反应速率低 考虑催化剂在400 500 活性最大 在实际生产中 选定 400 500 作为操作温度 这时反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想 2 压强 二氧化硫接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应 根据化学平衡理论判断 加压对 反应有利 但是
4、在常压 400 500 时 二氧化硫的转化率已经很高 加压必须增加设备 增大投资和能量消耗 故在实际生产中 通常采用常压操作 并不加压 3 二氧化硫接触氧化的适宜条件 常压 较高温度 400 500 和催化剂 6 接触法制硫酸中应注意的几个问题 1 依据反应物之间的接触面积越大反应速率越快的原理 送进沸腾炉的矿石要粉碎 成细小的矿粒 增大矿石跟空气的接触面积 使之充分燃烧 2 依据增大廉价易得的反应物的浓度 使较贵重的原料得以充分利用的原理 采用 过量的空气使黄铁矿充分燃烧 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
5、合物和矿尘等会使催化剂中毒 水蒸气 对生产和设备有不良影响 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 有关计算 1 物质纯度 转化率 产率的计算 1 物质纯度 不纯物质中含纯物质的质量 不纯物质的总质量 100 2 原料利用率 实际参加反应的原料量 投入原料总量 100 或转化率 3 产率 实际产量 理论产量 100 4 化合物中某元素的损失率 该化合物的损失率 2
6、 多步反应计算 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 元素守衡法 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 1 环境保护与原料的综合利用 1 注意科学实验与实际生产的区别 在科学实验中 为了探索某个重要的原理或实现某个重要的反应 可
7、以不惜大量的时间 和资金 而化工生产必须在遵循科学原理 实现某个反应的基础上 着重考虑综合经济效益 最大限度地提高劳动生产率 降低成本 保护生态环境 为国民经济部门提供质优价廉的化 工产品 以达到优质高效的目的 2 硫酸生产中的 三废 处理 硫酸厂的尾气必须进行处理 因为烟道气里含有大量的二氧化硫气体 如果不加利用而 排空会严重污染空气 1 尾气吸收 用氨水吸收 再用H2SO4处理 SO2 2NH3 H2O NH 4 2SO3 NH4 2SO3 H2SO4 NH4 2SO4 SO2 H2O 用 Na2SO3溶液吸收 Na2SO3 SO2 H2O 2NaHSO3 用 NaOH 溶液吸收 再用熟石
8、灰和O2处理 此方法反应复杂 还可能发生其他反 应 SO2 NaOH NaHSO3NaOH NaHSO3 Na2SO3 H2O Na2SO3 Ca OH 2 CaSO3 2NaOH2 CaSO3 O2 2CaSO4 2 污水处理 硫酸厂废水中含硫酸 排放入江河会造成水体污染 通常用消石灰处理 Ca OH 2 H2SO4 CaSO4 2H2O 生成的硫酸钙可制建材用的石膏板 3 废热利用 硫酸工业三个生产阶段的反应都是放热反应 应当充分利用放出的热量 减少能耗 第一阶段黄铁矿燃烧放出大量的热 通常在沸腾炉处设废热锅炉 产生的过热蒸汽可 用于发电 产生的电能再供应硫酸生产使用 如矿石粉碎 运输 气
9、流 液流等动力用电 第二阶段二氧化硫氧化放热可用于预热原料气 生产设备叫热交换器 原料气又将三 氧化硫降温 再送入吸收塔 4 废渣的利用 黄铁矿的矿渣的主要成分是Fe2O3和 SiO2 可作为制造水泥的原料或用于制砖 含铁 量高的矿渣可以炼铁 工业上在治理 三废 的过程中 遵循变 废 为宝的原则 充分利用资源 以达到保护 环境的目的 2 能量的充分利用 许多化学反应是放热反应 化工生产中应充分利用反应热 这对于降低成本具有重要 意义 硫酸厂生产中的反应热得到充分利用后 不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量 而且 还可以由硫酸厂向外界输出大量能源 在硫酸生产过程中使用的热交换器就是利用了反应所 放出
10、的热量来加热二氧化硫和氧气的混合气体 以节约能源 3 生产规模与厂址选择 1 化工厂选址的因素 一般来说 现代化工生产要求有较大的生产规模 化工厂厂址选择是很复杂的问题 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 化工厂厂址选择一般应考虑下列因素 是否有市场需求 是否接近原料供应地 土地供应是否充足 水源是否充足 能源是否充足且廉价 交通运输是否方便 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 2 硫酸厂选址的因
11、素 由于硫酸是腐蚀性液体 不便贮存和运输 因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的 地区 工厂规模的大小 主要由硫酸用量的多少决定 硫酸厂厂址应远离水源和河流的上游 以免工厂的污水污染水源 也不要设置在城镇和居民区盛行风向的上风地带 以免工厂排放 的大量烟尘和有害气体污染城镇的水源和大气等 二 环境保护 一 酸雨 1 酸雨的定义 一般认为 酸雨是由于燃烧高硫煤排放的二氧化硫等酸性气体进入大气后 造成局部地区 大气中的二氧化硫富集 在水凝结过程中 溶解于水形成亚硫酸 然后经某些污染物的催化作 用及氧化剂的的氧化作用生成硫酸 随雨水降下形成酸雨 酸雨的 pH 值一般少于5 6 2 酸雨的危害 对人体
12、健康的直接危害 硫酸雾和硫酸盐雾的毒性比二氧化硫大得多 可以侵入肺的深部 组织 引起肺水肿等疾病而使人致死 引起河流 湖泊的水体酸化 严重影响水生动植物的生长 破坏土壤 植被 森林 腐蚀金属 油漆 皮革 纺织品及建筑材料 渗入地下 使水中铝 铜 锌 镉的含量比中性地下水中高很多倍 3 酸雨的治理 二氧化硫污染大气的罪魁 煤 平均含硫量约为2 5 3 为治理煤燃烧时造成的二 氧化硫污染 一种办法是事先从煤中除去硫 但是只有一部分煤中的硫主要以黄铁矿 FeS2 的形态存在 这样的煤以脱硫工艺处理后其含硫量可降低到约为1 大部分的煤中还含有 较多的有机硫化合物 这样的煤以脱硫平均只能除去原含硫量的约
13、40 二 温室效应 众所周知 全球变暖是由于 温室效应 温室效应 是怎样形成的呢 在凉爽 清凉 的日子 都知道温室里的温度大大高于室外温度 这是因为温室的保温塑料薄膜使太阳能转 化的热能进的多 出的少 所以温度逐渐升高 地球大气层里的二氧化碳 甲烷等气体就象 这个薄膜 使太阳辐射进的多而出的少 因而使地球表面的温度逐渐升高 根据测定 大气 中的二氧化碳浓度每增加1 倍 地球表面的大气温度就会升高1 5 4 5 度 由于全世界工业 和交通耗费大量的石油 煤炭 天然气等能源 因此大气中的二氧化碳正以每年1 5ppm 的 速度增加 全球变暖使大气 海洋环流规律变化 加剧 厄而尔尼诺 玛尼娜 现象的危
14、害 导致 大面积旱 涝灾害频繁发生 长期干旱使非洲几百万人饿死 上亿人营养不良 东南亚连年 洪水使上千万人流漓失所 全球变暖还使极地冰川溶化 海平面上升 每升高1 米 将使 直接受影响的人口达10 亿 土地 500 万平方米公里 占世界的三分之一 同时还引发风暴 潮 盐水倒灌 可见其危害多么严重 三 臭氧层破坏 大气臭氧层的损耗是当前世界上又一个普遍关注的全球性大气环境问题 它直接关系到 生物圈的安危和人类的生存 1984 年 英国科学家首次发现南极上空出现臭氧洞 1985 年 美国的 雨云 7 号 气象卫星测到了这个臭氧洞 以后经过数年的连续观测 进一步得到 证实 据NASA 报道 NASA
15、 的 Nimbus 7 卫星上的总臭氧测定记录数据表明 近年来 南极上空的臭氧洞有恶化的趋势 目前不仅在南极 在北极上空也出现了臭氧减少现象 NASA 和欧洲臭氧层联合调查组分别进行的测定都表明了这一点 对于大气臭氧层破坏的 原因 科学家中间有多种见解 但是大多数人认为 人类过多地使用氯氟烃类化学物质 用 CFCl 表示 是破坏臭氧层的主要原因 由于臭氧层中臭氧的减少 照射到地面的太阳光紫 外线增强 其中波长为240 329 纳米的紫外线对生物细胞具有很强的杀伤作用 对生物 圈中的生态系统和各种生物 包括人类 都会产生不利的影响 臭氧层破坏以后 人体直 接暴露于紫外辐射的机会大大增加 这将给人
16、体健康带来不少麻烦 首先 紫外辐射增强使 患呼吸系统传染病的人增加 受到过多的紫外线照射还会增加皮肤癌和白内障的发病率 此 外 强烈的紫外辐射促使皮肤老化 臭氧层破坏对植物产生难以确定的影响 近十几年来 人们对200 多个品种的植物进行了增加紫外照射的实验 其中三分之二的植物显示出敏感 性 一般说来 紫外辐射增加使植物的叶片变小 因而减少俘获阳光的有效面积 对光合作 用产生影响 对大豆的研究初步结果表明 紫外辐射会使其更易受杂草和病虫害的损害 臭 氧层厚度减少25 可使大豆减产20 25 紫外辐射的增加对水生生态系统也有潜在的 危险 紫外线的增强还会使城市内的烟雾加剧 使橡胶 塑料等有机材料加速老化 使油漆 褪色等 例题精讲 例 1 在硫酸工业中 通过下列反应使二氧化硫转化为三氧化硫 2SO2 g O2 g 2 SO3 g H 196 6KJ mol 1 该反应在 设备 中进行 这种生产硫酸的方法叫做 2 在实际生产中 操作温度选定400 500 这是因为 3 硫 酸 工 业 选 定 压 强 通 常 采 用 作 出 这 种 选 择 的 依 据 是 解析 1 接触室 接触法 2 温度较低
