6.3 化工生产（教学课件）化学沪科版必修第二册

该高中化学课件聚焦工业制硫酸，涵盖反应原理、生产过程、热能利用及三废处理，通过硫酸用途与历史制备法导入，以“想一想”引导学生分析原料选择与反应步骤，搭建从理论到工业应用的学习支架。 其亮点在于融合科学思维与科学态度，通过原料利弊分析培养证据推理能力，三废处理案例强化可持续发展意识，结合上海期中题设计典型范例提升应用能力。助力学生构建化工生产认知模型，教师可直接用于教学，提升效率。

第6章 化学反应速率和化学平衡 6.3 化工生产 沪科版必修第二册 硫酸工业中热能的合理利用 2 工业制硫酸的反应原理和生产过程 1 知识导航 3 硫酸工业中的三废处理 知识导航 明·学习目标 1.了解工业制硫酸 2.了解反应条件控制在生产中的应用 3.树立节约资源、保护环境的可持续发展意识 硫酸是最重要的化工产品之一，被称为“化学工业之母”，2020 年我国硫酸的产量就高达 9.2×107 t 引·新课导入 化工、石化、轻工、纺织、有色冶金、钢铁等行业都需要用到硫酸，硫酸是如何大规模工业生产的？ 早在1000年以前，我国就用加热胆矾（CuSO4·5H2O）或绿矾（FeSO4·7H2O）的方法来制硫酸 18 世纪人们开始利用硝化法制备硫酸，在玻璃器皿中燃烧硫黄和硝石的混合物， 产生的二氧化硫被氮氧化物氧化为三氧化硫，再跟水反应生成硫酸。以硫铁矿为原料工业制硫酸则出现在 19 世纪后期。 引·新课导入 01 工业制硫酸的反应原理和生产过程 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 ？ 想一想： S FeS2 O2 O2 SO2 O2 SO3 H2O H2SO4 硫黄 二硫化亚铁 （硫铁矿） 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。 +4 -1 0 +6 +6 探·知识奥秘 7 工业制硫酸的反应原理和生产过程 探·知识奥秘 8 工业制硫酸的反应原理和生产过程 反应原理 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 （转化） （吸收） 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 S + O2 ═══ SO2 燃烧 SO3 + H2O ═══ H2SO4 2SO2 + O2 2SO3 催化剂 △ （造气） 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？ 放 热 反 应 探·知识奥秘 9 工业制硫酸的反应原理和生产过程 原料选择 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 硫铁矿 FeS2 硫黄 S 冶炼烟气 SO2 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。 探·知识奥秘 10 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 一、造气 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 煅烧硫铁矿 如何使矿石煅烧充分？ 1.粉碎矿石 增大接触面积，加快化学反应速率 2.通入足量空气 燃烧充分，提高原料利用率 3.对流操作 矿石粉与空气充分接触 设备：沸腾炉 探·知识奥秘 11 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 一、造气 4FeS2 + 11O2 ═══ 2Fe2O3 + 8SO2 高温 煅烧硫铁矿 催化剂中毒 300~350℃ 冶炼烟气的组成比较复杂，含有矿尘、氟、砷、水分等有害成分，这些有害成分对制酸过程的转化、吸收等阶段会产生不利影响。 除尘 净化 干燥 炉气 SO2(7%) 、O2(11%)、N2(82%) 会使催化剂性能降低甚至失去催化作用 探·知识奥秘 12 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 二、转化 转化阶段是硫酸生产的核心，转化率高，则硫的利用率高，对环境的影响小。 2SO2 + O2 2SO3 催化剂 △ 放热反应 设备：转化器 你认为哪些反应条件可以促使SO2既快又尽可能多地转化成SO3？ 想一想： 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 探·知识奥秘 13 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 二、转化 2SO2 + O2 2SO3 催化剂 △ 放热反应 1.理论促使转化反应速率快、多的方法： 475℃、常压、V2O5催化剂、过量空气 2.实际生产条件： 低温、高压、过量 O₂、催化剂 （1）温度：低温平衡转化率高，但反应速率慢；475℃是催化剂活性最高的温度，兼顾速率与平衡。 （2）压强：高压虽利于平衡，但设备成本与能耗大幅提升，常压下转化率已较高，故选择常压。 分析： 探·知识奥秘 14 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 二、转化 2SO2 + O2 2SO3 475℃ V2O5 放热反应 二氧化硫和空气进入转化器时，从转化器里的热交换器内管流过，再从塔顶进入催化剂层，而后从热交换器管外 流出，进入下一层的催化剂，最后流出转化器， 这样的设计有什么好处？ 想一想： 1.预热原料气，节约能源 2.冷却反应气，控制反应温度 3.实现热量循环利用，提升经济效益 4.分步催化，提高转化率 探·知识奥秘 15 工业制硫酸的反应原理和生产过程 生产过程 三、吸收 SO3 + H2O ═══ H2SO4 想一想：1.为什么用98.3%的浓硫酸来吸收SO3 ？ SO3 +H2O→H2SO4，若用水吸收SO3 ， 会产生大量酸雾， 不利于的SO3吸收。 2.吸收塔内有许多空心瓷环的作用是什么? 增大气、液接触面，使SO3吸收更充分。 3.吸收塔中对流操作，即98.3％的浓硫酸从上而下，SO3从下而上？ 对流使接触更充分，有利于SO3的吸收。 4.尾气会污染大气，该如何处理？ 用碱液吸收，如氨水。 探·知识奥秘 16 1.（25-26·上海闵行·期中）有关工业制硫酸的下列说法中，错误的是（ ） A．二氧化硫的催化氧化在转化器中发生 B．吸收塔用浓度为浓硫酸吸收三氧化硫 C．转化器中装有催化剂 D．以硫黄为原料制硫酸使用的设备之一是沸腾炉 D 析·典型范例 17 2.（24-25·上海杨浦·期中）硫酸工业中通过_______合理利用反应中产生的热量。 A．沸腾炉 B．净化器 C．热交换器 D．吸收塔 C 3.（24-25·上海杨浦·期中）写出SO2催化氧化的化学反应方程式(指明具体温度、压强、催化剂)：_____________________________________。 析·典型范例 18 02 硫酸工业中热能的合理利用 硫酸工业中热能的合理利用 阅读教材“硫酸工业中热能的合理利用”部分，回答下列问题： 1.制酸厂采取了哪些措施利用余热？ （1）沸腾炉外设废热锅炉：回收高温废热，产生蒸汽。 （2）转化器与热交换器合一： ①及时导出热量 → 促进平衡向生成SO₃方向移动。 ②用热量预热原料气 → 加快反应速率。 沸腾炉 转化器 2.这些措施有什么意义？ 能量综合利用，降低能耗。 探·知识奥秘 20 4.转化是工业制硫酸的重要一步，即 SO2 和空气的混合物通过转化器反应生成 SO3，实际生产中，反应温度选定在 475℃左右。 （1）反应温度选在 475 ℃左右的依据是什么？ （2）工业上是如何加热原料气的？这样设计的好处是什么？ （1）反应温度选在 475℃，主要有两方面的考虑：一是较高的温度有利于反应速率的加快；二是 475℃时催化剂 V2O5 具有最大活性。 （2）工业上在进行反应的转化器中设计有热交换器，热交换器利用 SO2 转化为 SO3 时放出的热量来预热 SO2、O2 等进入转化器的原料气。这样做的好处是在维持转化器反应温度的同时，实现能量的充分利用，起到节约能源的作用。 析·典型范例 21 02 硫酸工业中的三废处理 硫酸工业中的三废处理 工业制硫酸的“三废” 1.废气 二氧化硫、硫酸雾、颗粒物等大气污染物 2.废水 3.废渣 酸性废水 硫铁矿煅烧后废渣的主要成分是氧化铁、硫化亚铁及少量有害物质 探·知识奥秘 23 硫酸工业中的三废处理 “三废”处理 1.废气处理 2.废水处理 3.废渣处理 酸性废水石灰乳处理 炼铁 氨酸法 用氨水吸收，再用硫酸处理，放出的SO2又可返回制酸系统，实现循环利用 SO2 + 2NH3+ H2O = （NH4）2SO3 SO2 +（NH4）2SO3 + H2O = 2NH4HSO3 2NH4HSO3 + H2SO4 = （NH4）2SO4 + 2SO2↑ + 2H2O Ca（OH）2 + H2SO4 = CaSO4 + 2H2O 或制备铁的系列化工产品，如三氯化铁、硫酸亚铁、铁红等。 探·知识奥秘 24 硫酸工业中的三废处理 你能总结和归纳出一些化工生产的基本思想吗？ 想一想： 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% 绿色化学 探·知识奥秘 25 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 5.在接触法产生H2SO4的过程中，对“废气、废水、废渣、余热”的处理不当的是（ ） A.把烟囱加高，将废气直接排放 C.废渣用来造水泥或炼铁 B.污水用石灰乳处理 D.设置“废热”锅炉产生蒸气来供热或发电 A 析·典型范例 26 6.工业上制硫酸的设备分为三大部分：沸腾炉、转化器、吸收塔。下面的装置是仿照工业上制备硫酸工艺的流程设计出来的，用于探究工业上为何采用98.3%的浓硫酸吸收三氧化硫。 （1）写出沸腾炉内煅烧硫铁矿的反应方程式：_____________________。 （2）图中的乙、丙分别相当于工业上制取硫酸装置中的__________、____________。 （3）从乙装置中出来的气体有__________________。 （4）丙装置的作用为__________________________，丁中的现象为______________。 （5）本实验设计还存在的较明显缺陷是__________________________。 转化器 吸收塔 SO2、SO3、O2 吸收三氧化硫制取硫酸 形成酸雾 缺少尾气吸收装置 析·典型范例 27 1. 工业制硫酸的工艺中，通常用来吸收尾气的物质是（　　）。 A.氨水 B.硫酸 C.氯化钙 D.氢硫酸 A 2.工业上以硫铁矿为原料制硫酸的生产过程中，下列措施能提高硫酸产率的是( ) A.直接把矿石送入沸腾炉 B.沸腾炉中通入过量空气 C.对炉气进行除尘、洗涤、干燥处理 D.转化器内用催化剂 B 练·技能实战 3.（25-26·上海闵行·期中）在硫酸工业生产中，的吸收过程是在吸收塔（如图）中进行的，吸收塔里还装入了大量瓷环。下列有关说法错误的是( ) A．从①处通入的气体中含大量，整个吸收操作采取逆流的形式 B．从②处喷下的硫酸，瓷环的作用是增大接触面积 C．从③处导出的气体只含有少量，可直接排入大气 D．从④处流出的是可用水或稀硫酸稀释的硫酸 C 练·技能实战 4.硫酸的消耗量是衡量一个国家化学工业发展水平的标志。以硫铁矿(主要成分为FeS2)为原料生产H2SO4。已知： (放热反应)。 (1)FeS2中铁元素的化合价为___________。 (2)若要增大煅烧过程的反应速率，可采取的措施是________________(任写一条即可) (3)下列关于硫酸工业制法的说法中错误的是___________(填字母)。 A．原料气进入转化器前须净化，目的是防止催化剂中毒 B．用98.3%浓硫酸吸收可防止形成酸雾 C．用澄清石灰水吸收尾气中的硫的氧化物 +2 将黄铁矿粉碎； C 提高煅烧温度；多鼓入空气等 练·技能实战 感谢 您的聆听 THANKS 沪科版必修第二册 Lavf58.45.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $