生产中原料的选择教学内容

选修二

第一单元

课题1 ：化工生产过程中的基本问题

一、教学目标

知识与技能： 1.

以硫酸工业为例，了解化工生产中的一些基本问题。

2.

知道生产硫酸的主要原理、原料、流程和意义。

过程与方法：

1.

了解从理论研究成果到现实生产的过程。

2.

学会将所学的知识应用于实际的方法。

情感态度与价值观： 1.

树立合理利用自然资源、节约能源的观点。

2.

培养既会独立思考，又能与人合作的能力。

3.

增强青少年的爱国意识。

二、教学重点

化工生产过程中的基本问题；工业制硫酸的生产原理；平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用

三、教学难点

化工生产过程中的基本问题；工业制硫酸的生产原理

四、教学方法

运用提取已知信息 讨论探究

多媒体

五、课时安排

1课时

六、教学过程

[课程引入]

今天我们在座的的各位同学来到了19世纪初，此时刚刚是遍及英、俄、法、德等国踏入我们这片大地的时候,为了驱逐列强，我国因生产火药的需要而开始生产硫酸,我国第一套硫酸生产装置将在这个背景下建立起来的。

一个生产工艺的实现，涉及许多问题。如化学反应原理、原料选择、能源消耗、设备结构、工艺流程、环境保护以及综合经济效益等等。我们的研究设计小组要学会把知识转化为实际生产力量。我们来解决硫酸工业化工生产中的一些基本问题。

一.依据原料确定化学反应原理及生产过程：

[讨论1]请设计小组根据所学过的硫及其氧化物

知识，分析产品与生产原料之间关键元素的性质，讨

论生产硫酸的原理主要生产步骤。

目标产物硫酸

原料 中间产物1 中间产物2 [学生讨论并归纳]生产H2SO4 的主要化学过程可以分为由原料到SO2 的生成、SO2转化为SO3和SO3转化为硫酸三个阶段。

[讨论2]用方程式表示出制硫酸的反应原理

[交流讨论并归纳板书] 1.

以硫或黄铁矿为原料制备SO2

S(s)+O2 (g)﹦ SO2 (g) (放热反应) 4FeS2(s)+11O2=8SO2(g)+2Fe2O3(s) （放热反应）

2.

利用催化氧化反应将SO2氧化成SO3

2SO2

(g)+O2

(g)2SO3 (g) （放热反应）

资料卡片2 世界上从硫磺的产量来讲,北美、前苏联和中东地区为世界硫磺主要生产国,占世

界硫磺产量的

70%以上

资料卡片1 自然界中没有大量的硫酸，存在的主要含硫物质为硫磺、黄铁矿（主要成分FeS2）

3.

三氧化硫转化为硫酸

SO3(g)+H2O(l)=H2SO4 (l) （放热反应）

按照我们的反应原理，工业制硫酸主要分为三个阶段，可归纳为造气、催化氧化和吸收。硫酸生产的主要设备即大致分为三大板块。

造气

（制SO2）

氧化反应

吸收

现在已有了雏形框架，说明硫酸的生产通过我们的努力是可以实现的，等待的是去完善她。

经过同学们的努力，我们得到了生产硫酸的两个可行方案。

[讲述]进一步研究两个方案，对应是两种原料，那么我们如何选择呢？

[板书]二.生产中的原料选择

[

[讨论3]可以从不同的角度来思考选择

学生们的表述：

资料卡片2

有的认为结合到实际原料分布，

世界上从硫磺的产量来讲,北美、前苏联和中东地区为世界硫磺主要生我们用的较多为黄铁矿，

产国,占世

界硫磺产量的

70%以上

[设疑]有的同学为什么不主张

我国硫资源开发特点:

一、由于技术经济原因, 天然硫资源很用黄铁矿作为原料，而要选择硫磺？

少, 基本没有开发, 可以忽略不计。

[讨论归纳]由于生产过程中产生的废弃物

二、从油、

气、

煤中回收硫磺的比例太多，处理成本高，所以选择硫磺、空气

较低。

三、硫铁矿是中国硫资源的主要来源。

和水作为生产硫酸的原料。有的认为结合到

四、若进口原料，成本很高。

实际原料分布，我们要较多的用黄铁矿，适合的才是最好的。

原料做了确定，生产设备需要满足那些条件？在此到了核心技术研发。设备的要求服务于反应发生条件的要求，第一步、造气过程又要如何进行？考虑因素有哪些？

[讲述板书]三.生产中反应条件的控制

为增大反应物的接触面积，加快反应速度，粉碎矿石，通过强空气流使矿石处于沸腾状态。

根据沸腾炉里黄铁矿与氧气反应情况，我们将此形象的称为沸腾炉。

同时煅烧黄铁矿制得的炉气中含有三种有害杂质：矿尘，砷、硒等化合物，水蒸气；对应三个净化过程：除尘、水洗和干燥。

废渣处理：分离后循环利用,剩下的作铺路用的沥青或用于制砖。

[讲述]我们应该注意的是还可以充分利用反应中产生的能量。硫酸生产过程中的三个化学反应都是放热反应，可以充分利用这些反应放出的热能(工厂里把它们叫做“废热”)以降低生产成本。在实际的化工厂生产过程中我们还应该充分考虑其他各方面的因素，如厂址选择、交通、人力等因素。

提问：第二步怎样实现二氧化硫的氧化？从化学反应原理以及结合资料卡片做出分析。

2SO2 (g)+O2 (g)2SO3 (g) （放热反应）

平衡移动原理(勒夏特列原理) (1)概念：如果改变影响平衡的一个条件(如浓度、温度、压强等)，平衡就向能减弱这种

改变的方向移动。

(2)催化剂对化学平衡没有(填“有”或“没有”)影响，但能改变到达平衡所需时间。

理论：为增大经济效率，提高反应速率需要加催化剂和高温条件。从有利于SO2的生成提高转化率，温度越低、压强越大越好。

资料卡片3 资料卡片4 温度/℃

300

400

450

500

600

SO2转化率/%

99.4

99.2

97.5

85.6

73.7

从化学反应原理以及结合资料卡片的实际情况做出分析。

温度：

压强：

压强及温度对SO2转化率的影响如下表

(原料气各成分的体积分数为:SO27%、O211%、N282%): 压强/MPa 转化率/%

0.1

温度/℃

400

500

600

99.2

93.5

73.7

0.5

99.6

96.9

85.8

1

99.7

97.8

89.5

资料卡片5

10

99.9

99.3

96.4

实际：综合反应速率、转化率和催化剂活性，选择400~500℃，是因为在此温度范围内，反应速度和SO2的平衡转化率都比较高。

【设问】合成三氧化硫为正反应体积减少的反应，那么增大压强有利于平衡向正反应方向移动，是否压强越大越好呢

？

【学生】应选择压强:常压。原因是增大气压，SO2的平衡转化率提高并不多，但却大大增大了动力和设备的要求，增大了生产成本和能量消耗。所以硫酸厂通常采用常压操作。

而反应过程中二氧化硫转化为三氧化硫需要氧气，所以应该有充足的空气（对此问题学生可能会有不同的回答，教师可引导学生讨论，最后给出实际结果）

同学们非常聪明，工业生产中压强的选择，往往还要考虑成本和能量消耗等问题。

该设备称之为接触室。

硫酸生产中的适宜条件：使用催化剂V2O5

(1)低温(400~500℃) (2)常压

(3)适当过量的空气

第三步、SO3的吸收 由资料卡片

若直接用水吸收SO3会形成大量的酸雾，吸收效率很低，且腐蚀设备，所以采用98%的浓硫酸吸收则能够避免。

得出用浓硫酸吸收，为了再次提升效率，根据逆流原理，浓硫酸从设备的顶部流下。

经过我们全体成员知识的运用智慧的设计，有了我们的成果。

[投影]硫酸生产的三个主要设备：沸腾炉、接触室(催化反应室)、吸收塔。

[投影]硫酸不仅可用于制造炸药，巩固国防。还可以应用生活中染料，到农业用来制农药、化肥，到工业可以在金属加工和金属制品电镀以前，除去金属表面的氧化物膜，可以制取许多有实用价值的硫酸盐，如硫酸铜、硫酸亚铁等，还可用于精炼石油等，实验室中常用作干燥剂。

[设疑]当我们的硫酸工业生产后对环境有哪些影响，我们还应该如何处理？

1.尾气吸收：

Ｃa（ＯＨ）２

Ｈ２ＳＯ４

ＳＯ２

ＣaＳＯ３

ＳＯ２（重新利用）

2.污水处理：用石灰浆(Ca(OH)2或石灰石粉中和酸性废液。Ca(OH)2+ H2SO4=CaSO4+2H2O。生成的硫酸钙可制建材用的石膏板。

七、课堂小结

1. 工业上接触法制硫酸概括为“六个三” :

三种原料: 三个反应: 三个生产过程: 三个主要设备: 硫酸工业生产的三个适宜条件:

三原料

硫黄(S)或者黄铁矿(主要成分是FeS2)、空气和水

1.S(s)+O2(g)

三反应

工业制硫酸的过程

SO2(g)或

2Fe2O3(s)+8SO2(g)

2SO3(g)

H2SO4(l)

4FeS2(s)+11O2(g)2.2SO2(g)+O2(g)3.H2O(l)+SO3(g)三阶段

三原理

造气、催化氧化、吸收

化学平衡移动原理、热交换原理、逆流原理

2. 硫酸生产中的废气及废液的处理方法：

课外拓展：

一.酸雨

（1）

酸雨的定义

一般认为,酸雨是由于燃烧高硫煤排放的二氧化硫等酸性气体进入大气后,造成局部地区大气中的二氧化硫富集,在水凝结过程中,溶解于水形成亚硫酸,然后经某些污染物的催化作用及氧化剂的的氧化作用生成硫酸,随雨水降下形成酸雨.酸雨的pH值一般少于5.6. （2）

酸雨的危害

对人体健康的直接危害,硫酸雾和硫酸盐雾的毒性比二氧化硫大得多,可以侵入肺的深部组织,引起肺水肿等疾病而使人致死.引起河流、湖泊的水体酸化,严重影响水生动植物的生长.破坏土壤、植被、森林.腐蚀金属、油漆、皮革、纺织品及建筑材料.渗入地下,使水中铝、铜、锌、镉的含量比中性地下水中高很多倍. （3）

酸雨的治理

二氧化硫污染大气的罪魁——煤，平均含硫量约为2.5%-3%。为治理煤燃烧时造成的二氧化硫污染，一种办法是事先从煤中除去硫。但是只有一部分煤中的硫主要以黄铁矿（FeS2）的形态存在；这样的煤以脱硫工艺处理后其含硫量可降低到约为1%。大部分的煤中还含有较多的有机硫化合物，这样的煤以脱硫平均只能除去原含硫量的约40%。

二．硫酸厂选址的因素

（1）化工厂选址的因素

一般来说，现代化工生产要求有较大的生产规模。化工厂厂址选择是很复杂的问题，涉及原料、水源、能源、土地供应、交通运输、环境保护和市场需求等诸多因素，应对这些因素综合考虑，权衡利弊，才能作出合理的选择。

化工厂厂址选择一般应考虑下列因素：①是否有市场需求；②是否接近原料供应地；③土地供应是否充足；④水源是否充足；⑤能源是否充足且廉价；⑥交通运输是否方便；⑦能否达到环境保护要求。

上述这些因素必须在遵循科学原则的基础上，着重考虑综合经济效益，即要求最大限度地提高劳动生产率，降低成本，保护生态环境。

（2）硫酸厂选址的因素

由于硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费中心的地区，工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少决定；硫酸厂厂址应远离水源和河流的上游，以免工厂的污水污染水源；也不要设置在城镇和居民区盛行风向的上风地带，以免工厂排放的大量烟尘和有害气体污染城镇的水源和大气等。

三.废热利用

硫酸工业三个生产阶段的反应都是放热反应，应当充分利用放出的热量，减少能耗。

第一阶段黄铁矿燃烧放出大量的热，通常在沸腾炉处设废热锅炉，产生的过热蒸汽可用于发电，产生的电能再供应硫酸生产使用（如矿石粉碎、运输，气流、液流等动力用电）。

第二阶段二氧化硫氧化放热可用于预热原料气，生产设备叫热交换器，原料气又将三氧化硫降温，再送入吸收塔。