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1、选修化学与技术 第二十章 走进化学工业 学案45 走进化学工业,轻松学教材,一化工原理在硫酸工业生产中的应用,1.化学原理与硫酸工业生产流程,2.化学原理在化工生产中的应用 (1)增大反应速率的措施 升高温度;使用催化剂;在沸腾炉中燃料燃烧时,将原料粉碎,增大与空气的接触面积 (2)逆流原理的应用 沸腾炉中原料从炉顶落下,热空气从炉底吹入,使原料与助燃气体充分接触,反应进行彻底;吸收塔中使用大量耐酸瓷环(片),浓硫酸从塔顶喷下,三氧化硫气体从塔底吹入,提高吸收程度,(3)热交换原理的应用 由于 是放热反应,在接触室内使用热交换器,用反应后热的气体预热接触室的原料气,达到节约能源,降低生产成本的
2、目的 (4)循环操作原理的应用 由于 是可逆反应,尾气中还有一定的SO2和O2,再通过一定措施将这部分气体送回接触室,提高原料利用率,同时减少废气排放,特别提醒:在生产中常用过量空气是为了增大O2的浓度,提高SO2的转化率 常用浓H2SO4而不用水吸收SO3,是由于水与SO3反应易形成酸雾,吸收速度慢,且腐蚀设备 3.生产中的“三废”处理 (1)尾气吸收 H2SO4工业的尾气主要是SO2 SO2+Ca(OH)2=CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4=CaSO4+SO2+H2O,(2)污水处理 不同化工生产过程产生的污水,杂质不同,要根据杂质的性质不同,采用不同的物理化学方法,如酸碱中和法
3、重金属离子沉淀法等 (3)废渣的处理 根据废渣的成分进行综合利用如硫酸工业的废渣可用来作为炼铁的原料提炼贵重的有色金属作水泥原料或用于建筑材料,二合成氨工业生产及适宜条件的选择 1.反应原理 2.基本生产过程 (1)造气 N2:来源于空气 ,(3)合成:使原料气进行化学反应合成氨及时分离出氨气,剩余气体再送回合成塔,循环利用 (4)“三废”处理 废渣:主要是煤渣和炭黑,可用作肥料的原料和建筑材料 废气:主要是H2SSO2和CO等有害气体可用直接氧化法循环法等回收技术处理,CO2可作为生成尿素和碳铵的原料 废液:主要是含氰化物和氨的污水 处理氰化物主要有生化化学沉淀反吹回炉等方法处理含氨的废水可
4、用蒸馏回收和离子交换等方法,3.适宜条件的选择 要考虑实际生产中的动力材料设备等因素,以取得最佳经济效益 (1)压强 (2)温度,(3)催化剂 使用催化剂可加快化学反应速率,但不影响化学平衡采用以铁为主的催化剂 (4)循环操作 合成氨转化率较低,要采用循环操作混合气体通过冷凝器,使氨液化,将氨分离出来,并将没有完全反应的N2和H2经过循环压缩机,再送入合成塔,使其被充分利用合成氨工业发展的研究方向有两个方面:,特别提醒:合成氨原料中的氮气来源广泛,扩大氢气原料的来源以降低成本 反应过程中的工艺条件常决定于催化剂的性能研究高效的新型催化剂,以改变反应条件,三氨碱法与联合制碱法的比较 1.原料 氨
5、碱法:食盐氨气石灰石(经煅烧生成生石灰和二氧化碳) 联合制碱法:食盐氨气二氧化碳(合成氨厂的废气) 2.主要反应原理 二者基本相同:,3.生产过程 第一步:二者基本相同;将NH3通入饱和食盐水形成氨盐水,再通入CO2生成NaHCO3沉淀,经过滤洗涤得到NaHCO3微小晶体,再煅烧制得纯碱产品,其滤液是含有NH4Cl和NaCl的溶液 第二步:氨碱法:NaHCO3分解放出的 滤液(含NH4Cl)与石灰乳混合加热产生的氨气回收循环利用CaO+H2OFY=Ca(OH)2,联合制碱法:在低温条件下,向滤液中加入细粉状的氯化钠,并通入氨气,可以使氯化铵单独结晶沉淀析出,经过滤洗涤和干燥即得氯化铵产品此时滤
6、出氯化铵沉淀后所得的滤液,已基本上是氯化钠的饱和溶液,可循环使用,4.综合评价 (1)氨碱法:优点:原料(食盐和石灰石)便宜;产品纯碱的纯度高;副产品氨和二氧化碳都可以回收循环使用;制造步骤简单,适合于大规模生产 缺点:原料食盐的利用率低,大约70%74%,其余的食盐随CaCl2溶液作为废液被抛弃;过程中产生了没多大用途且难以处理的CaCl2,(2)联合制碱法:使食盐的利用率提高到96%以上,应用同量的食盐比氨碱法生产的纯碱多另外它综合利用了合成氨厂的二氧化碳和碱厂的氯离子,同时生产出两种产品纯碱和氯化铵;过程中不生成没多大用途又难以处理的CaCl2,减少了对环境的污染,并且大大降低了纯碱和氮
7、肥的成本,充分体现了大规模联合生产的优越性,四几种氮肥的比较,体验热身,1.与氨碱法比较,下列关于联合制碱法优点的判断中不正确的是( ) A.提高了原料的原子利用率 B.降低了生产成本 C.减少了环境污染D.减轻了对设备的腐蚀 答案:D 解析:由于联合制碱法在生产过程中所需的氨和二氧化碳都是由合成氨厂提供,从滤出碳酸氢钠后所得的母液中可回收氯化铵,因此它提高了原料的原子利用率,降低了生产成本,因此AB正确由于不产生不能利用的氯化钙,所以减少了环境污染,C正确由于增加了物质的循环利用,所以会加重“对设备的腐蚀”,D错误,2.采用循环操作可提高原料利用率,下列工业生产中,没有采用循环操作的是( )
8、 A.硫酸工业B.合成氨工业 C.硝酸工业D.氯碱工业 答案:C 解析:硫酸工业及合成氨工业的反应中都有可逆反应,采用循环操作将尾气中原料气分离再重新进行反应氯碱工业中,电解饱和食盐水后,从阳极室流出的淡盐水等也可循环应用硝酸工业中,采用通入过量O2,使NO全部被氧化,所以不采用循环操作,3.以天然气焦炭水空气为初始原料,可以制得若干化工产品:,请回答下列问题: (1)合成氨中原料气体N2来源于空气,可采用将空气_和_两种方法,H2可采用上述反应获得,其化学方程式为_,降温分离,氧燃烧,(2)对于合成氨N2(g)+3H2(g) 2NH3(g);H0,其中N2与H2体积比高于13的原因是_;及时
9、分离NH3的方法是_ (3)制取NH4NO3时,NH3的用途有两种,制HNO3的量大于与HNO3反应的量的原因是_ (4)发生反应的化学方程式为_ (5)发生反应生成C8H18的化学方程式为_,制H2的成本高于制N2,为了提高H2的转化率,可以提高N2的加入量,冷却使NH3液化,NH3转化为HNO3的过程中,发生3NO2+H2O=2HNO3+NO反应及各步反应有损失,用于制HNO3的NH3量应较大,解析:(1)由空气中获得N2,去掉O2,可采用降温分离空气或氧燃烧法制取H2的反应为 (2)由于原料气H2制取比N2成本高,为了使H2的转化率提高,可提高N2的加入量,故N2与H2加入体积比高于13
10、;及时分离NH3,使化学平衡向右进行,可以使NH3冷却液化分离,(3)由于NH3转化为HNO3的过程中发生了反应:3NO2+H2O=2HNO3+NO及各步反应有损失,一般应为制HNO3时NH3用量较大 (4)根据反应条件信息及元素守恒,反应应为: (5)根据反应条件信息及元素守恒,反应应为:,4.研究表明,土壤的酸碱性及土壤中营养元素的多少会影响农作物及花草树木的生长 (1)月季花适宜在酸性土壤中生长,若提供下列氮肥品种,最好选用_,其原因是_ A.尿素 B.碳酸氢铵 C.硫酸铵 D.氨水 (2)小明家责任田里的庄稼生长不茂盛,叶色淡绿茎叶细小,同时还出现了不同程度的倒伏现象请问: 小明家的庄
11、稼缺两种营养元素,它们是_(填“N”“P”“K”或“微量元素”),C,硫酸铵水解显酸性,NK,某公司的化肥价格如下表:,在考虑既经济实用又解决问题的条件下,你认为小明应购买的化肥是_(填化学式),NH4HCO3KCl,解析:(1)四种肥料中,尿素显中性,NH4HCO3接近中性,氨水显碱性,(NH4)2SO4为强酸弱碱盐,显酸性 (2)根据NPK营养元素对农作物的生长作用,可判断庄稼缺NK元素,从该公司提供的化肥价格看,花同样的钱购买化肥,碳酸氢铵中N元素的质量高于尿素的,KCl中K元素的质量高于K2SO4的,重点探究,化学原理在H2SO4生产中的应用 1.化学反应速率和化学平衡原理 (1)增大
12、化学反应速率措施:升高温度;使用催化剂;在沸腾炉中燃料燃烧时,使原料粉碎,增大空气的接触面积 (2)促进SO2的催化氧化正向移动措施:通入过量空气,增大O2浓度,促进平衡正移 2.逆流原理 沸腾炉中原料从炉顶落下,热空气中炉底吹入,使原料与可燃气体充分接触,反应进行彻底充分;吸收塔中使用大量耐酸瓷环(片),浓硫酸从塔顶喷下,三氧化硫气体从塔底吹入,提高吸收程度,3.热交换原理 由于2SO2+O2 2SO3是放热反应,在接触室内使用热交换器,用反应后的气体预热接触室的原料气,达到节约能源,降低生成成本的目的 4.循环操作原理 由于2SO2+O2 2SO3是可逆反应,尾气中还有一定的SO2和O2,
13、再通过一定措施将这部分气体送回接触室,提高原料利用率,同时减少废气排放,侯氏制碱法 1.反应原理 侯氏联合制碱法,是将合成氨工业和制碱工业联合起来,以煤为原料制得碳铵,碳铵再与氯化钠进行复分解反应,生成碳酸氢钠和氯化铵根据氯化铵在常温时的溶解度比氯化钠大,而在低温时却比氯化钠溶解度小的原理,在278283K(510)时,向母液中加入磨细的食盐粉末,使氯化铵单独析出,2.有关反应方程式 NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NaCl+NH4HCO3=NH4Cl+NaHCO3,3.该法的优点 保留了氨碱法的优点,消除了它的缺点,使食盐的利用率提高到96%;NH4Cl可作氮肥;可与合成氨厂联合,使
14、合成氨的原料气CO转化为CO2,消除了CaCO3制CO2这一工序,命题聚焦,聚焦1 接触法生产硫酸的原理 【例1】 工业上生产硫酸时,利用催化氧化反应将SO2转化为SO3是一个关键步骤,压强及温度对SO2转化率的影响如下表(原料气各成分的体积分数为:SO27%,O211%,N282%):,压 强 / M P a,转化率/%,温度/,(1)已知SO2的氧化是放热反应,如何利用表中数据推断此结论? _; (2)在400500 时,SO2的催化氧化采用常压而不是高压,主要原因是_; (3)选择适宜的催化剂,是否可以提高SO2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”);,压强一定时,温度升高,SO2的转化率下降,说明升温有利于逆反应的进行,所以正反应为放热反应,增大压强对提高SO2转化率无显著影响,反而会增加成本,否,否,(4)为提高SO3吸收率,实际生产中用_吸收SO3; (5)已知:2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g);H=-196.6 kJmol-1,计算每生产1万吨98%硫酸所需要的SO3质量和由SO2生产这些SO3所放出的热量,(4)为提高SO3吸收率,实际生产中用_吸收SO3; (5)已知:2SO2(g)+O2(g)=2SO3(g);H=-196.6 kJmol-1,计算每生产1万吨9
