教學設計 完整版：化工生產過程中的基本問題

高中化學選修2化學與技術化工生產過程中的基本問題教學設計教學目標：1.了解生產硫酸的基本流程2.了解生產中原料的選擇3.了解化學科學實驗與化工生產的區(qū)別4.注意生產中的三廢處理，防止環(huán)境污染教學過程：[共同復習硫酸的用途.引入第一個大問題。]一、依據(jù)化學反應原理確定生產過程【師】硫酸是化學工業(yè)中的重要產品之一。首先硫酸大量用于化肥和農藥的生產；在有機合成工業(yè)中，硫酸用于各種磺化反應和硝化反應，生產醚、酯、有機酸、也要消耗硫酸；在無機化學工業(yè)中，HF、H3PO4等的生產及K、Fe、Cu、Zn、Al的硫酸鹽的生產等，都要消耗硫酸；在冶金工業(yè)及國防工業(yè)中，如生產炸藥；石油工業(yè)、染料、人造纖維、食品、電池、搪瓷、醫(yī)藥、機械加工工業(yè)等許多部門，都要用到硫酸。既然需要這么多硫酸，那么怎樣制取呢？【師、生】1．應結合硫酸的組成和性質，來確定原料和生產路線。經分析可知，生產硫酸主要化學過程可分為二氧化硫的生成和二氧化硫轉化為三氧化硫兩個主要階段。2．其具體生產原理為造氣：4FeS2(S)+11O2(g)2Fe2O3(s)+8SO2(g)或S（S）＋O2（g）SO2（g）二氧化硫的催化氧化：2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)三氧化硫的吸收：SO3(g)+H2O()=H2SO4()注意：工業(yè)上是用%的濃硫酸來吸收SO3的，而不是直接用水或稀硫酸作吸收劑，原因是用后者吸收時容易形成酸霧，吸收速率慢。3．工業(yè)制硫酸主要生產流程參看P5圖1-2，造氣→凈化、干燥→催化反應室→吸收塔→稀釋室→貯存室另外，還需要考慮原料的凈化、適宜反應條件及設備的選擇、廢熱的利用等。二、生產中原料的選擇1．我國生產硫酸需考慮的問題（1）從基建投資、加工費用及環(huán)保方面考慮，用硫磺制硫酸優(yōu)于用黃鐵礦制硫酸。（2）我國天然硫資源缺乏，而且開采條件比較復雜。（3）我國黃鐵礦儲量比天然硫要大。（4）硫黃制硫酸比黃鐵礦制硫酸生產流程短、設備簡單、三廢治理量小，勞動生產率高，易于設備大型化。（5）由于原料多需進口，硫黃制硫酸成本比黃鐵礦制硫酸略高等等方面。2．以FeS2為原料第一步4FeS2(S)+11O2(g)2Fe2O3(s)+8SO2(g)第二步2SO2(g)+O2(g)2SO3(g)第三步SO3(g)+H2O()=H2SO4()3．以硫磺為原料:第一步S（S）＋O2（g）SO2（g）第二步2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g）第三步SO3（g）＋H2O（）=H2SO4（）硫和黃鐵礦相比，因后者產生的廢棄物太多，處理成本太高，因此，目前硫酸生產中的三種原料為硫磺,空氣,和水。4．生產規(guī)模和廠址的選擇現(xiàn)代化工業(yè)生產一般要求有較大的規(guī)模，便于采用先進的技術和設備以提高勞動生產率，便于“廢熱”利用，便于環(huán)境保護，成本低。根據(jù)以上原則和我國國情，我國硫酸工業(yè)宜發(fā)展年產在4萬噸以上的制硫酸裝置。三、生產中反應條件的控制閱讀P6表1-1，結合二氧化硫催化氧化的反應特點：反應方程式2SO2（g）＋O2（g）2SO3（g），屬放熱的可逆反應?！編煛渴欠駵囟仍降驮接欣赟O2轉化為SO3？【生】選擇溫度：低溫(400~500C)，因為在此溫度范圍內，反應速度和SO2的平衡轉化率都比較高。但應注意: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?！編煛块喿xP6表1-2,分析隨壓強的增大，SO2的轉化率怎么改變？是否壓強越高越好?【生】應選擇壓強:常壓。原因是增大氣壓，SO2的平衡轉化率提高并不多，但卻大大增大了動力和設備的要求，增大了生產成本和能量消耗。所以硫酸廠通常采用常壓操作。【師】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。四、生產中三廢的處理1．廢氣的組成：SO2,O2,N2。其中的SO2是形成酸雨的主要因素。常用的處理方法——氨水吸收法（1）SO2+2NH3+H2O==（NH4）2SO3（2）（NH4）2SO3+H2SO4==（NH4）2SO4+SO2+H2O或用NH3·H2O書寫：2NH3·H2O+SO2===(NH4)2SO3+H2O(NH4)2SO3+SO2+H2O=NH4HSO3或用堿液（Na2CO3）吸收法：Na2CO3+SO2===Na2SO3+CO2Na2SO3+SO2+H2O===2NaHSO3處理后的產品也可進一步利用：(NH4)2SO4作化肥；SO2可循環(huán)利用，可作它用。2．廢水的處理—石灰乳中和法硫酸工業(yè)生產過程中的污水常含有硫酸等酸性雜質，一般用石灰乳中和處理：H2SO4+Ca(OH)2=CaSO4+2H2O3．廢渣的利用硫酸工業(yè)生產過程中黃鐵礦的礦渣一般用作制造礦渣水泥和礦渣磚，含鐵品位高的礦渣，經處理后可用于煉鐵，如：Fe2O3+3CO==2Fe+3CO2，有的也可分離后循環(huán)利用，提煉貴重的有色金屬，剩下的作鋪路用的瀝青。學點五、能量的充分利用1.生產1t硫酸需消耗100kw·h的電能，硫酸生產的三個過程都是放熱反應，生產1t硫酸放出的反應熱相當于200kw·h的電能。這些廢熱的利用，可以向外界輸出大量的能量，能大大降低生產成本。2.可以利用SO2氧化成SO3時，放出的熱量用來預熱即將參加反應的SO2和O2。3.硫酸工業(yè)的能量循環(huán)（理論：放熱大于吸熱）開動機器設備——電能維持接觸室400-500度----熱能4FeS2+11O2=2Fe2O3+8SO2吸熱2SO2+O2=2SO3放熱SO3+H2O=H2SO4放熱思考