6.3.1工业制硫酸的反应原理和生产过程 课件 2024-2025学年高一下学期化学沪科版（2020）必修第二册

工业制硫酸的反应原理和生产过程 研究化学反应的视角 物种 质量 快慢和限度 能量 概念 表示方法 影响因素 化学反应速率 可逆反应 化学平衡状态 化学平衡的影响因素 化学平衡 化学反应 快慢 限度 调控 化工生产 应用 理论联系实践 解决实际问题 原料选择 反应原理 生产流程 能源利用 环境保护 硫酸是最重要的化工产品之一。 如果你持有一家生产硫酸的化工厂，在生产过程中会考虑哪些问题？ 反应原理、原料选择、提高产率、降低成本等问题。 硫酸 化肥 钢铁 工业 氟工业 石化 轻工 纺织 冶金 想一想 从 H2SO4 的组成、H2SO4 中 S 的化合价等角度分析，你会选择哪些原料，并通过怎样的反应步骤来得到 H2SO4 ？ 通过氧化还原反应，将含有低价态的S元素的物质氧化并转化为H2SO4。 S FeS2 O2 O2 SO2 O2 SO3 H2O H2SO4 硫黄 二硫化亚铁 （硫铁矿） +4 -1 0 +6 +6 主要步骤 反应原理 第一阶段 二氧化硫的制备 第二阶段 二氧化硫的催化氧化 第三阶段 三氧化硫的吸收 工业制硫酸的反应原理和生产过程 （一）反应原理 （造气） （转化） （吸收） 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 S + O2 ═══ SO2 点燃 SO3 + H2O ═══ H2SO4 2SO2 + O2 2SO3 催化剂 △ 若以硫铁矿（FeS2）为原料制硫酸， 你能用化学方程式表示制硫酸的反应原理吗？ 早期制硫酸的方法 煅烧法 15世纪后半叶起 硝化法 18~20世纪 NO2 + SO2 === NO + SO3 2NO + O2 === 2NO2 铅室法纯度65% 塔式法纯度76% 工业制硫酸的反应原理和生产过程 在工业生产中，要综合考虑许多因素，如原料、能源、设备、工艺流程、储存运输、环境保护以及经济效益等。 原料 生产过程中的利弊 绿矾 FeSO4·7H2O 硫铁矿 FeS2 硫黄 S 冶炼烟气 SO2 （二）原料选择 原料来源少，价格高昂，副产物多，产量小。 我国矿产资源丰富； 易产生三废，治理成本较高，能耗较大。 生产流程短、三废治理量小； 我国天然硫资源不多。 冶炼金属硫化矿后产生的SO2，回收制备硫酸，变废为宝，不会造成直接排放污染环境。 想一想 如何才能使化工生产做到又快又多？ 由于化学反应中原子守恒，这就形成了化工生产的物料平衡。 使原料尽可能多地转化为产品，是生产中提高产量、控制成本、增加效益的关键。 快 改变反应速率 影响化学反应速率的因素 多 改变可逆反应的平衡 影响化学平衡的因素 （三）生产过程 1. 造气阶段 由于我国的天然硫资源不多，为了提高产量，曾广泛采用高温煅烧硫铁矿的方式生产SO2。 如何使矿石煅烧充分？ 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 粉碎矿石 增大接触面积，加快化学反应速率 通入足量空气 燃烧充分，提高原料利用率 对流操作 矿石粉与空气充分接触 设备：沸腾炉 炉渣 炉气 （三）生产过程 1. 造气阶段 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 炉气的组成较为复杂，含有SO2、O2、N2、粉尘、水气、砷化物等物质。 堵塞管道 形成酸雾腐蚀设备 使催化剂性能降低甚至失去催化作用。 催化剂中毒 除尘 净化 干燥 炉气 SO2(7%) 、O2(11%)、N2(82%) 300~350℃ 35℃ （三）生产过程 2. 转化阶段 请结合所学的知识内容，思考如何更多更快地将SO2转化为SO3？ 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） 反应条件的选择 使SO2更快转化为SO3 使SO2更多转化为SO3 因素 浓度 温度 催化剂 增大反应物浓度 升高温度 加入催化剂 增大反应物浓度 降低温度 无影响 ??? ??? （三）生产过程 2. 转化阶段 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） 反应条件的选择——催化剂 工业技术的发展相辅相成 ??? ??? 铂催化剂 1881年起 价格昂贵 易中毒，原料气必须充分净化 静电捕尘技术 1906年 气体净化技术的重要突破 钒催化剂 1913年 价格较低 活性好，不易中毒 选择催化剂时需要考虑哪些因素？ 想一想 Pt：￥382 元/克 V2O5 ：￥3.2 元/克 Fe2O3：￥1.5 元/克 催化效果 催化剂成本 活性温度 钒基催化剂的催化效果较铂催化剂稍差，但成本低廉，活性好，不易中毒。 反应温度在400~500℃时，钒基催化剂的催化效果最佳，催化剂活性最大。 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） ??? ??? V2O5 （三）生产过程 2. 转化阶段 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） 反应条件的选择——温度 V2O5 在实际生产中，使用五氧化二钒作催化剂，在475℃时的化学反应速率比不用催化剂时提高了倍。 反应温度一般选择475℃，此时催化剂活性最大。 475℃ ??? 使SO2更多转化为SO3降低温度 使SO2更快转化为SO3升高温度 （三）生产过程 2. 转化阶段 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） 反应条件的选择——浓度 V2O5 475℃ 通入过量空气，提高二氧化硫的转化率。 设备：转化器 反应物SO2和O2中，一般过量的物质是什么？ SO2转化为SO3时放出热量，利用热交换器传递热量，使热量充分交换。 预热反应前的气体，冷却反应后的气体。 35℃ 440℃ 反应物SO2转化为SO3时会放出热量，如何使混合气体的温度尽可能保持在催化剂的活性温度呢？ 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） V2O5 475℃ SO2(7%) 、O2(11%)、N2(82%) T/℃ α(SO2)/% T/℃ α(SO2)/% T/℃ α(SO2)/% 420 98.8 470 96.4 520 91.5 430 98.5 480 95.6 550 86.2 440 98.1 490 94.8 570 81.8 450 97.6 500 93.8 580 79.3 460 97.2 510 92.5 600 73.9 600℃ 440℃ 二氧化硫的多段催化氧化 分段进行 先在高温反应，利用初始原料浓度高，快速进行第一段转化。 能量利用 通过热交换器维持混合气温度，破坏原有平衡，进行第二段转化，进一步提高三氧化硫的产量，同时预热原料气。 多段催化 混合气体的温度会不断降低，反应速率也会随之减慢，因此段数有限。 2SO2 + O2 2SO3（放热反应） V2O5 475℃ 600℃ 440℃ （三）生产过程 3. 吸收阶段 SO3 + H2O ═══ H2SO4 吸收在吸收塔内进行，SO3从塔底通入，98.3%的硫酸从塔顶喷下，两者逆流接触。经过吸收可制得发烟硫酸、浓硫酸等不同产品。 使液体和气体充分接触，促使其完全吸收。 设备：吸收塔 吸收塔内为什么要填充空心瓷环？ 防止形成酸雾，影响吸收的速率。 沸腾炉 转化器 吸收塔 高温 造气：4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2↑ 转化： 2SO2 + O2 2SO3 V2O5 475℃ 吸收： SO3 + H2O ═══ H2SO4 工业制硫酸的反应原理和生产过程 沸腾炉 转化器 吸收塔 工业制硫酸的反应原理和生产过程 特殊设备 原料预处理 加快反应速率 提高燃烧效率 提高产出 充分利用原料 沸腾炉 转化器 吸收塔 工业制硫酸的反应原理和生产过程 热交换器 改变反应条件 热量充分交换 改变反应平衡 充分利用能量 提高产出 提高原子利用率 沸腾炉 转化器 吸收塔 工业制硫酸的反应原理和生产过程 浓硫酸吸收 填充瓷环 提高反应速率 提高原子利用率 提高产出 充分利用原料 气液对流 化工生产中的基本思想 原料无毒无害 过程和终端零排放 产品的原子利用率接近 100% 物质转换 提高产出 加快反应速率 化学平衡正向移动 充分利用原料 原子利用率 原料循环 治理三废 转化为无毒无害物质 变废为宝 能量转换 充分利用能量 采用热交换器 提高燃烧效率 $$