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1、6.3化工生产能否做到又快又多化工生产能否做到又快又多一、硫酸的工业制法一、硫酸的工业制法二、工业合成氨二、工业合成氨 假如你自己就是一个合成氨工厂的厂假如你自己就是一个合成氨工厂的厂长，你最关心的是什么？对整个生产过程长，你最关心的是什么？对整个生产过程会有怎样的要求？会有怎样的要求？提高单位工作时间内产品的产量提高单位工作时间内产品的产量产品生产周期短产品生产周期短 （生产的快生产的快）产品的产率高产品的产率高 （生产的多生产的多）好的经济好的经济效益效益一、硫酸的工业制法一、硫酸的工业制法思考：怎样制取硫酸？思考：怎样制取硫酸？H2SO4SO3SO2SFeS2H2OO2O2O2 二氧化硫
2、气体的制备二氧化硫气体的制备SO2 SO2 点燃点燃4FeS211O2 2Fe2O38SO2 高温高温二氧化硫的催化氧化二氧化硫的催化氧化催化剂催化剂三氧化硫的吸收三氧化硫的吸收 SO3 H2O H2SO41、接触法制硫酸接触法制硫酸的主要反应过程的主要反应过程一、硫酸的工业制法一、硫酸的工业制法-接触法接触法2SO2O2 2SO3二氧化硫的制取和净化二氧化硫的制取和净化发生的反应发生的反应生产设备生产设备 沸腾炉沸腾炉 2、硫酸生产过程简介、硫酸生产过程简介4FeS211O2 = 2Fe2O38SO2 高温高温黄铁矿黄铁矿空气空气矿渣矿渣SO2、O2、 N2 为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？
3、为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？ 为什么要从炉底通入强大空气流为什么要从炉底通入强大空气流？讨讨论论 二氧化硫氧化成三氧化硫二氧化硫氧化成三氧化硫 生产设备：接触室生产设备：接触室 发生的反应：发生的反应：2SO2O2 2SO3 + QV2O5 接触氧化的三个适宜条件：接触氧化的三个适宜条件： 压强用常压；压强用常压； 温度为温度为 400400500500； 催化剂主要为催化剂主要为V V2 2OO5 5。 经经净化的净化的SO2、O2SO2、O2 SO3冷气体冷气体热气体热气体温度较低的气体温度较低的气体温度较高的气体温度较高的气体接触室接触室三氧化硫跟水化合生成硫酸三氧化硫跟水化合生成硫
4、酸 发生的反应：发生的反应：SO3H2O H2SO4 用用98.3%浓硫酸吸收三氧化硫浓硫酸吸收三氧化硫生产设备：吸收塔生产设备：吸收塔98.3%H2SO4吸收塔吸收塔尾气尾气发烟发烟H2SO4SO3O2、SO2、N2三三阶阶段段SO2的制取和的制取和净净化化SO2氧化成氧化成SO3吸收吸收SO3生成硫酸生成硫酸原料原料三方程三方程 高温高温4FeS2 +11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 催化剂催化剂2SO2+O2 2SO3 400-500 SO3 +H2OH2SO4三三设备设备沸腾炉沸腾炉接触室接触室吸收塔吸收塔工工艺艺要求要求黄铁矿黄铁矿( (硫磺硫磺) )、空气空气98.3%
5、98.3% 浓硫酸浓硫酸铁矿粉碎，铁矿粉碎，炉气净化炉气净化用两层催化剂用两层催化剂用热交换器用热交换器 用用98.3%98.3%的浓硫酸吸的浓硫酸吸收收SOSO3 3 - 接触氧化的三个适宜条件：接触氧化的三个适宜条件： 压强用常压；压强用常压； 温度为温度为 400400500500；催化剂主要为；催化剂主要为V V2 2OO5 5。 二、合成氨工业简介二、合成氨工业简介 19091909年年德德国国化化学学家家哈哈伯伯成成功功建建立立了了第第一一套套合合成成氨氨的的实实验验装装置置，产产量量8080g/g/小小时时。在在此此基基础础上上19131913年年德德国国化化学学工工程程专专家家
6、波波施施建建立立了了第第一一个个工工业业规规模模的的合合成成氨氨工工厂厂，产产量量为为70007000吨吨/ /年年，所所以以合合成氨的方法又叫做哈伯成氨的方法又叫做哈伯- -波施法。波施法。 目目前前，全全球球氨氨产产量量约约为为650650万万吨吨/ /年年。近近年年来来，合合成成氨氨装装置置大大型型化化是是世世界界合合成成氨氨发发展展的的主主流流趋趋势势。现现 世世 界界 最最 大大 单单 系系 列列 合合 成成 氨氨 装装 置置 为为 阿阿 根根 廷廷ProfertilProfertil公公司司的的20502050吨吨/ /天天装装置置；而而30003000吨吨/ /天天( (约约10
7、0100万万吨吨/ /年年) )的的单单系系列列合合成成氨氨装装置置将将于于20052005年年投产，投产，40004000吨吨/ /天规模的装置也已完成初步设计。天规模的装置也已完成初步设计。 目前我国合成氨年产量已居世界第目前我国合成氨年产量已居世界第1 1位，但是，单系列装置规模较小，已经位，但是，单系列装置规模较小，已经无法适应世界合成氨的发展趋势。无法适应世界合成氨的发展趋势。 据有关资料统计，我国合成氨平均规据有关资料统计，我国合成氨平均规模为模为5 5万吨万吨/ /年。而俄罗斯的平均规模为年。而俄罗斯的平均规模为4040万吨万吨/ /年；美国为年；美国为3030万吨万吨/ /年以
8、上。年以上。 假如你自己就是一个合成氨工厂的厂假如你自己就是一个合成氨工厂的厂长，你最关心的是什么？对整个生产过程长，你最关心的是什么？对整个生产过程会有怎样的要求？会有怎样的要求？提高单位工作时间内产品的产量提高单位工作时间内产品的产量产品生产周期短产品生产周期短 （生产的快生产的快）产品的产率高产品的产率高 （生产的多生产的多）好的经济好的经济效益效益【问题】 1 1、合成氨反应的化学方程式为：、合成氨反应的化学方程式为：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3( (正反应为放热反应正反应为放热反应) )，分析该反应的特点。，分析该反应的特点。 一个正反应为放热、气体总体积一个正
9、反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。缩小的可逆反应。 2 2、针对反应特点，分别、针对反应特点，分别从化学反从化学反应速率和化学平衡两个方面思考，讨应速率和化学平衡两个方面思考，讨论并完成下表。论并完成下表。 使氨生成的快使氨生成的快（反应速率）（反应速率） 使氨生成的多使氨生成的多（化学平衡）（化学平衡） 浓度浓度压强压强温度温度催化剂催化剂高压高压高温高温使用使用无影响无影响高压高压低温低温增大浓度增大浓度增大反应物浓度；增大反应物浓度；减小生成物浓度减小生成物浓度是一是一个正反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。个正反应为放热、气体总体积缩小的可逆反应。 合成氨反应合成氨反应 N2+3
10、H2 2NH3 (1)(1)既然增大压强能提高反应速率和氨的产既然增大压强能提高反应速率和氨的产量，那是否工业上采用的压强越大越好？量，那是否工业上采用的压强越大越好？ (3)(3)催化剂对化学平衡并没有影响，那为何催化剂对化学平衡并没有影响，那为何工业上还要使用催化剂？工业上还要使用催化剂？(2)(2)降低温度有利于生成氨，那是否温度越降低温度有利于生成氨，那是否温度越低越好？低越好？【讨论题【讨论题】 使用催化剂时使用催化剂时, ,应考虑哪些因素应考虑哪些因素? ?二、工业合成氨的适宜条件二、工业合成氨的适宜条件1.1.压强：压强：3.3.催化剂：催化剂：2.2.温度：温度：4 4. .浓
11、浓度：度： 2020MPaMPa50MPa(50MPa(受动力、材料、设备等受动力、材料、设备等实际条件的影响实际条件的影响) )500500左右左右( (温度过低温度过低, ,速率慢速率慢, ,不经济不经济; ;还应考虑催化剂的活性对温度的要求还应考虑催化剂的活性对温度的要求) )N N2 2、H H2 2的再循环并及时补充的再循环并及时补充N N2 2和和H H2 2 增大反应物的浓度增大反应物的浓度 及时将氨冷却并从平衡气体中分离及时将氨冷却并从平衡气体中分离降低生成物的浓度降低生成物的浓度铁触媒铁触媒( (加快反应速率加快反应速率, ,大大缩短到达大大缩短到达平衡的时间平衡的时间) )
12、合成氨生产示意图合成氨生产示意图 【小结】【小结】合成氨的方程式合成氨的方程式( (补充条件补充条件) )：N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3 Fe Fe、50050020MPa20MPa50MPa50MPa合成氨合成氨工厂工厂N N2 2+3H+3H2 2 2NH2NH3 3高温、高压高温、高压 催化剂催化剂 3.3.既既要要注注意意-上上的的要要求求，又又要要注注意意-操作中的可能性。操作中的可能性。三、选择适宜化工生产条件的原则：三、选择适宜化工生产条件的原则：1.1.既要考虑外界条件对既要考虑外界条件对-和和-影响的影响的-，又要考虑外界条件对两者影响，又要考虑外界条件
13、对两者影响的的-。2.2.既要注意既要注意-、-对化学反应速率影响对化学反应速率影响的一致性，又要注意温度对的一致性，又要注意温度对-的影响。的影响。化学反应速率化学反应速率化学平衡化学平衡矛盾性矛盾性一致性一致性温度温度催化剂催化剂催化剂活性催化剂活性理论理论实际实际 催化剂的催化能力一般称为催化活性。有催化剂的催化能力一般称为催化活性。有人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和人认为：由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变，一但制成催化剂之后，便可以永远质量不变，一但制成催化剂之后，便可以永远地使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，地使用下去。实际上许多催化剂在使用过程中，其活性从小到
14、大，逐渐达到正常水平，这就是其活性从小到大，逐渐达到正常水平，这就是催化剂的成熟期。接着催化剂在一段时间里保催化剂的成熟期。接着催化剂在一段时间里保持稳定，然后再逐渐下降，直至不能再使用。持稳定，然后再逐渐下降，直至不能再使用。催化剂催化活性保持稳定的时间即为催化剂的催化剂催化活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件寿命，其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。而异。 催化剂中毒催化剂中毒 催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称杂质而使活性明显下降甚至被破坏，这种现象称为催化剂中毒。一
15、般认为是由于催化剂表面的活为催化剂中毒。一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性性中心被杂质占据而引起中毒。中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中毒和永久性中毒两种。例如，对于合成氨反应中的铁触媒催化剂，氧气、二氧化碳、一氧化碳中的铁触媒催化剂，氧气、二氧化碳、一氧化碳和水蒸气都能使催化剂中毒，但利用纯净的氢氮和水蒸气都能使催化剂中毒，但利用纯净的氢氮混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又混合气体通过中毒的催化剂时，催化剂的活性又能恢复，因此这种中毒是暂时性的中毒。相反，能恢复，因此这种中毒是暂时性的中毒。相反，含磷、硫、砷的化合物则可使催
16、化剂永久失去催含磷、硫、砷的化合物则可使催化剂永久失去催化活性。催化剂永久性中毒后，往往完全失去活化活性。催化剂永久性中毒后，往往完全失去活性，这时即使再用纯净的氮、氢混合气体处理，性，这时即使再用纯净的氮、氢混合气体处理，活性也很难恢复。活性也很难恢复。 催化剂中毒会严重影响生产的正常进催化剂中毒会严重影响生产的正常进行，工业生产中为了防止催化剂中毒，要行，工业生产中为了防止催化剂中毒，要把反应物原料加以净化，以除去有毒物质，把反应物原料加以净化，以除去有毒物质，这样就要增加设备，提高成本。因此，研这样就要增加设备，提高成本。因此，研制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一制具有较强抗毒能力的新型催化剂，是一个重要的课题。个重要的课题。 【例例】含二氧化硅的黄铁矿样品含二氧化硅的黄铁矿样品10g 10g 在空气中充分燃烧，最后剩在空气中充分燃烧，最后剩余余8g 8g 残渣（残渣中不含硫元素）。又知在接触法制硫酸的生产中，有残渣（残渣中不含硫元素）。又知在接触法制硫酸的生产中，有2%2%的硫受损失混入炉渣。用上述黄铁矿的硫受损失混入炉渣。用上述黄铁矿150 t ,150 t ,可制得可制得
