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1、第一章：走进化学工业撰稿：陈建斌审稿：祝鑫责编：宋杰【知识网络】【重点聚焦】化工生产虽多种多样，但大多遵循的思路是：反应原理反应条件及原料的选择“三废”处理及能量利用。硫酸生产、工业合成氨及纯碱的生产都体现出该思路。一、工业生产硫酸1、生产原理(1)生产原理分析H2SO4中的S元素可由自然界中含硫的物质(硫磺、硫铁矿等)来提供。S或FeS2生成H2SO4，从化合价角度分析，需要被氧化；从元素角度分析，需O元素、H元素。根据物质的化学性质可知，应是S或FeS2被氧化为SO2，SO2再氧化为SO3，SO3被H2O吸收生成H2SO4。(2)有关反应由原理分析知，工业制H2SO4分造气、氧化、吸收三个
2、阶段。i：造气阶段 主要是硫磺燃烧或硫铁矿煅烧生成SO2，反应分别为： S(s)O2(g)SO2(g); H297kJ/mol FeS2(s)O2(g)Fe2O3(s)2SO2(g)；H853kJ/molii：SO2的催化氧化S或FeS2与O2只能生成SO2，SO2只有在催化剂作用下才生成大量的SO3。SO2(g)O2(g)SO3(g)；H98.3kJ/moliii：H2SO4的生成 SO3溶于H2O生成H2SO4，同时放出大量热，反应为： SO3(g)H2O(l)H2SO4(l)；H130.3kJ/mol 该阶段能放出大量热量，易形成酸雾，不利于SO3的吸收。为了尽可能提高吸收效率，工业上用
3、 H2SO4质量分数为98.3的浓H2SO4作吸收剂。2、生产原料根据化学反应原理可选择原料，但工业生产要考虑成本和综合经济效益，必须多种角度考虑，如厂址选择、能源、工业用水的供应能力、贮存、运输、预处理成本及环境保护等。目前，我国主要有硫磺制H2SO4和硫铁矿制H2SO4两种方法。(1)、硫磺制硫酸和硫铁矿制硫酸的比较：硫磺制硫酸比硫铁矿的优点：A、从基建投资，加工费用及环境保护等方面考虑，用硫磺制硫酸的装置简单。B、硫磺制硫酸的生产流程短、劳动产率高。硫铁矿制硫酸的优点：A、我国黄铁矿储量比天然硫磺大，原料易得。B、硫铁矿制硫酸成本略低于硫磺，特别是设备大型化可降低成本。(2)、硫酸厂厂址
4、的选择化工厂厂址选择是一个复杂的问题，它涉及原料、水源、能源、土地供应、市场需求、交通运输和环境保护等诸多因素。应对这些因素全面综合地考虑，权衡利弊，才能作出正确的选择。硫酸厂厂址的选择是一个典型的例子。硫酸是一种腐蚀性液体，不能像普通固体化工产品那样可以较多地贮存，需要随产随销。硫酸的运输费用比较高。据估算：1t H2SO4的运价约为同质量黄铁矿矿石的三倍。这样就决定了硫酸厂靠近消费中心比靠近原料产地更为有利。因此，考虑到综合经济效益，硫酸厂厂址离硫酸消费中心不能太远。在决定建厂规模时，可以考虑在消费中心建厂规模大些，在边远或硫酸用量不多的地区，建厂规模小些。3、生产过程简析工业生产并不是实
5、验室制取物质的简单放大，必须根据实际情况来选择合适的条件和设备。(1)、造气阶段将硫磺或经过粉碎的黄铁矿，放在专门设计的燃烧炉(叫沸腾炉)中，利用空气中的氧气使其燃烧。(2)、SO2的催化氧气阶段SO2和O2生成的SO3的反应为可逆反应，而且需在催化剂作用下进行。为使平衡尽可能正向移动，提高SO3的产率，需控制温度和压强。A、温度SO2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400500作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的平衡转化率(
6、93.599.2)都比较理想。B、压强SO2的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。增大气体压强，能相应提高SO2的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压对设备的要求高，增大投资和能量消耗；而且常压下400500时，SO2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压操作，并不加压。(3)SO3生成H2SO4，反应原理为SO3与H2O生成H2SO4。但由于该反应放出大量热，形成酸雾，吸收效率低。故实际进行的条件是用98.3的浓H2SO4代替水吸收SO3。4、“三废”处理及能量利用以黄铁矿为原料制硫酸对环境污染较大，故目前世界上许多国家都限制黄铁矿制硫酸。既便如此，生产过程中产生的废气、废液、废
7、渣也要进行处理，尽可能地把“三废”变成有用的副产品，实行综合利用。对硫酸生产中产生的“三废”，一般按以下方法处理：(1)、尾气吸收煅烧硫铁矿产生的气体(即炉气)主要有SO2、O2、N2及杂质气体，进行氧化前，必须对炉气净化、干燥处理。SO2氧化后所得的气体(即尾气)中仍有SO2，吸收方法常见的有两种：A、氨水吸收法SO22NH3H2O(NH4)2SO3(NH4)2SO3用H2SO4处理，又重新生成SO2(NH4)2SO3H2SO4(NH4)2SO4H2OSO2这样得到的SO2气体含量较高，可返回车间作生产硫酸的原料，同时生成的(NH4)2SO4可用作肥料。B、石灰水吸收法SO2Ca(OH)2C
8、aSO3H2OCaSO3H2SO4CaSO4SO2H2O生成的SO2同样回收利用，CaSO4可用于制石膏，变废为宝。(2)、污水处理该生产过程中的污水，含有硫酸等杂质，可用石灰乳中和处理Ca(OH)2H2SO4CaSO42H2O(3)、废渣的利用黄铁矿矿渣一般可作为制造水泥的原料或用于制砖。含铁品位高的废渣，经处理后可炼铁。(4)、充分利用反应本身放出的能量制硫酸的三个反应都是放热反应。若把这些热量充分利用起来，既利用了“废热”，甚至还能向某些生产过程输送大量热量。常见的有如下措施：A、沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生蒸汽来发电。B、接触室中设热交换器，利用SO2氧化为SO3时放出的热来预热即将
9、参加反应的SO2、O2，使其达到适宜 于反应的温度。二、工业合成氨1、生产原理N2、H2为反应气体，用铁做催化剂，原理方程式为：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)；H0实验室与工业生产的原理都是该反应。所用原料为N2、H2及催化剂。生产过程中注意的问题是原料及原料气的净化、催化剂的改进。合成氨中的废渣主要有煤渣、炭黑，废气主要是H2S、CO2等，废液主要是有毒的含氰化物和含氨的污水，都需要回收利用。2、生产过程简析工业合成氨包括造气、气体净化、氨的合成三个阶段。(1)、原料气的制备(即造气)由原理知，生产原料应为N2、H2。A、N2来源于空气N2来自于空气，利用液氧、液氮沸点的不同，可将液
10、态空气加热，蒸发分离出O2、N2，这是利用物理方法得到。也可用化学方法，用碳消耗空气中的O2生成CO2，然后除去CO2而得到N2。B、H2来源于水和碳氢化合物C与H2O反应生成水煤气：CH2O(g)COH2CO与H2O作用生成CO2：COH2OCO2H2碳氢化合物与H2O反应生成H2：CH4H2O3H2COCH42H2O4H2CO2该方法主要是利用石油、天然气、焦炉气等含有的大量碳氢化合物，使工业废气得以充分利用。(2)、原料气的净化工业制硫酸的过程中，就存在SO2催化氧化前对气体净化的过程，防止杂质引起催化剂中毒。合成氨的过程会出现同样的问题，故必须除去原料气体中的杂质气体，这就是原料气的净
11、化。A、常见的杂质气体常混有的杂质气体有H2S、CO、CO2、O2等。B、常见的气体净化法H2S为酸性气体杂质，可用稀氨水吸收NH3H2OH2SNH4HSH2OCO可被氧化剂氧化为CO2COH2OCO2H2CO2可用碱溶液或K2CO3等盐溶液吸收除去CO2K2CO3H2O2KHCO3(3)、氨的合成与分离合成氨生产的简易流程示意图为：该流程示意图涉及到NH3合成所需的原料气及高温高压、催化剂等条件，同时为利于NH3的合成，又采用冷却的方法使氨分离。对未反应的N2、H2又循环操作，这是工业生产经常使用的方法。3、生产条件N2与H2合成NH3的条件为高温、高压、催化剂。从化学平衡移动原理分析，低温
12、、高压有利于平衡向生成NH3的方向移动，但温度低时反应速率慢，催化剂的催化作用弱，故一般温度在400500之间，压强为10Mpa30Mpa，采用以铁为主的催化剂。4、三废处理及合成氨工业的发展(1)三废处理废渣大都用作建材和肥料的原料。废气中H2S可直接氧化，也可用溶液吸收。CO2可作为尿素和碳铵的生产原料。处理含氨废水多用蒸馏的方法回收氨，也可用离子交换法治理。(2)合成氨工业的发展合成氨是人类科学技术上的一项重大突破，大大促进了农业和工业的发展。同时，人们对合成氨的研究仍未间断，需要改进的地方有：A、原料气的制取和净化N2来源较为丰富，但制H2的成本还太高，若能廉价制取H2，合成NH3的成
13、本会大大降低。同时，H2又是绿色能源，又可以缓解能源危机。相信H2制取成本高的难题会被科学家们突破，届时，原料气的净化工艺也相应改进。B、催化剂的改进目前，各国大多仍采用铁触媒为合成氨的催化剂，如何找到廉价易得的催化剂又是科学家们探讨的问题。C、环境保护环境保护是目前各国普遍关注的问题，我国前几年大多注重产品产率的高低，现在则注重在环境不受污染的前提下生产产品。合成氨工业中同样要对“三废”进行处理，其中煤渣、炭黑等废渣用作建材和肥料，废气中H2S被直接氧化，CO2被用于合成尿素和碳铵等的生产原料。废液中的含氰化物有剧毒，常采用加压水解、氧化分解、反吹回炉等方法进行处理，含氨废水采用蒸馏等方法回
14、收氨。三、纯碱的生产索尔维发明的氨碱法是用碳酸钙和氯化钠为原料生产纯碱的，该方法具有原料便宜易得，产品纯度高等优点，但也存在副产物氯化钙无法处理的弊端。我国化学家侯德榜将制碱与合成氨联合起来进行生产，其方法称为联合制碱法，该法保留了氨碱法的优点，克服了它的缺点。1、生产原理(1)氨碱法生产原理有关反应方程式为：A、生成NaHCO3和NH4Cl可让CaCO3加热生成CO2，要生成NH4HCO3，可往饱和食盐水中通足量的NH3，再通足量的CO2，反应为：CaCO3CaOCO2CO2NH3H2ONH4HCO3NH4HCO3NaClNaHCO3NH4ClB、生成Na2CO32NaHCO3Na2CO3H2OCO2据上可知索尔维氨碱法的生产原理示意图为：该法优点：原料是食盐和石灰石，便宜易得。所得NaHCO3从溶液中析出，生成的Na2CO3纯度较高，而且NH3、CO2、NH4Cl等可以循环使用，大大降低了制取成本。(2
