《第一单元-走进化学工业》知识点整理.doc

第一章 走进化学工业课题1 化工生产过程中的基本问题一、依据化学反应原理确定生产过程硫酸是化学工业中的重要产品之一。首先硫酸大量用于化肥和农药的生产；在有机合成工业中，硫酸用于各种磺化反应和硝化反应，生产醚、酯、有机酸、也要消耗硫酸；在无机化学工业中，HF、H3PO 4等的生产及K、Fe、Cu、Zn、Al的硫酸盐的生产等，都要消耗硫酸；在冶金工业及国防工业中，如生产炸药；石油工业、染料、人造纤维、食品、电池、搪瓷、医药、机械加工工业等许多部门，都要用到硫酸。接触法制硫酸1生产硫酸主要化学过程可分为造气、催化氧化和吸收三个阶段。2化学原理（以化学反应方程式表示）造气：4FeS2(S) +11 O2 (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() 学|科| 注意：工业上是用98.3%的浓硫酸来吸收SO3的，而不是直接用水或稀硫酸作吸收剂，原因是用后者吸收时容易形成酸雾，吸收速率慢。3工业制硫酸主要生产流程造气 净化、干燥催化反应室吸收塔 稀释室 贮存室另外，还需要考虑原料的净化、适宜反应条件及设备的选择、废热的利用等。二、生产中原料的选择 1我国生产硫酸需考虑的问题（1）从基建投资、加工费用及环保方面考虑，用硫磺制硫酸优于用黄铁矿制硫酸。（2）我国天然硫资源缺乏，而且开采条件比较复杂。（3）我国黄铁矿储量比天然硫要大。（4）硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短、设备简单、三废治理量小，劳动生产率高，易于设备大型化。（5）由于原料多需进口，硫黄制硫酸成本比黄铁矿制硫酸略高等等方面。2以FeS2为原料第一步4FeS2(S) +11 O2 (g) 2Fe2O3 (s)+ 8SO2(g) 学科 第二步2SO2(g) + O2 (g) 2SO3(g) 第三步SO3 (g) + H2O() = H2SO4()3、以硫磺为原料:第一步S（S）O2（g）SO2（g）第二步2 SO2（g）O2（g）2 SO3（g） 第三步SO3（g）H2O（）= H2 SO4（）硫和黄铁矿相比，因后者产生的废弃物太多，处理成本太高，因此，目前硫酸生产中的三种原料为硫磺, 空气,和水。4、生产规模和厂址的选择现代化工业生产一般要求有较大的规模，便于采用先进的技术和设备以提高劳动生产率，便于“废热”利用，便于环境保护，成本低。根据以上原则和我国国情，我国硫酸工业宜发展年产在4万吨以上的制硫酸装置。三、生产中反应条件的控制反应方程式2 SO2（g）O2（g）2 SO3（g），属放热的可逆反应。1选择温度：低温(400500C)，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。但应注意:工业生产中反应温度的选择往往还要考虑该温度下催化剂的活性。 2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。（注意: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。）四、 生产中三废的处理1废气的组成：SO2,O2,N2。其中的SO2是形成酸雨的主要因素。常用的处理方法氨水吸收法（1）SO2+2NH3+H2O=（NH4）2SO3 （2）（NH4）2SO3+H2SO4=（NH4）2SO4+SO2+H2O或 用NH3H2O 书写： 2NH3H2O+SO2 =(NH4)2SO3+H2O (NH4)2SO3 +SO2+H2O=NH4HSO3 或用碱液（Na2CO3）吸收法：Na2CO3+SO2=Na2SO3+CO2 Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3处理后的产品也可进一步利用：（NH4）2SO4作化肥 ； SO2可循环利用，可作它用。 2废水的处理石灰乳中和法 硫酸工业生产过程中的污水常含有硫酸等酸性杂质，一般用石灰乳中和处理：H2SO4+Ca（OH）2=CaSO4+2H2O 。3废渣的利用硫酸工业生产过程中黄铁矿的矿渣一般用作制造矿渣水泥和矿渣砖，含铁品位高的矿渣，经处理后可用于炼铁，如： Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2，有的也可分离后循环利用，提炼贵重的有色金属，剩下的作铺路用的沥青。五、能量的充分利用 1生产1t硫酸需消耗100kwh的电能，硫酸生产的三个过程都是放热反应，生产1t硫酸放出的反应热相当于200kwh的电能。这些废热的利用，可以向外界输出大量的能量，能大大降低生产成本 。2可以利用SO2氧化成SO3时，放出的热量用来预热即将参加反应的SO2和O2 。3硫酸工业的能量循环（理论：放热大于吸热）开动机器设备电能维持接触室400-500度-热能 4FeS 2+11O 2=2Fe 2O3+8SO 2 吸热2SO 2+O 2=2SO3 放热SO3+H 2O=H 2SO4 放热 思考：你认为硫酸工业可以怎样合理利用能源？ 学科 提示：（1）在沸腾炉（造气炉）旁设置蒸汽锅炉进行发电（2）在接触室（催化反应室）中设置热交换器一方面预热反应原料气，另一方面使接触氧化到适宜温度（3）在接触室（催化反应室）附近建造浴室，提高劳动福利或创造经济效益。课题2 人工固氮技术合成氨一、氮的固定1定义：氮的固定是指将游离态的氮转化为化合态氮的方法。 2方法：氨的固定主要方法有： （1）人工合成氨：化学固氨法。其条件要求高、成本高、转化率低、效率低。 （2）根瘤菌，生物固氨。常温常压下进行。成本低、转化率高、效率高。3工业应用：模拟生物的功能，把生物的功能原理用于化学工业生产，借以改善现有的并创造崭新的化学工艺过程。二、合成氨的反应原理1加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氨气的混合气体，可以看到湿润的PH试纸变蓝色2用氢气和氨气合成氨的反应式是N2+3H22NH3 ，属放热反应。3工业上，采用以铁为主的催化剂，在400500和10Mpa30 Mpa的条件下合成氨。 （1）催化剂的主要作用：成千上万倍地加快化学反应速率，缩短达平衡的时间，提高日产量。（2）合成氨的适宜条件：以铁为主的催化剂，在400500和10Mpa30 Mpa的条件（3）选择适宜生产条件的原则：有较高的反应速率和平衡转化率，能最大限度地提高利润。（4）合成氨生产时，不采用尽可能高的压强，通常采用10MPa30MPa 的压强，否则会增大设备的动力要求，增大成本。（5）合成氨的反应为放热反应，降低温度促使平衡向有移动，有利于N2、H2转化为NH3；但降温必然减缓了反应速率，影响单位时间产率。生产中将二者综合考虑，既要保证N2、H2的转化率，又要保证较快的反应速率，只能选择适中的温度400500左右。应注意该温度为催化剂活化温度，低于此温度，催化剂不起作用。（6）催化剂是影响反应速率的几个因素中，对反应速率影响程度最大的。催化剂的特点： 选择性：不同的反应选择不同的催化剂，如合成氨选择了铁触媒。每种催化剂都是对特定的反应有催化作用，并非能改变任何化学反应的速率。 灵敏性：催化剂中混入杂质，常常会失去催化作用，称催化剂“中毒”，因此反应气体进入反应器前必须净化。催化剂只有在活化温度以上才能起催化作用，如铁触媒活化温度为400500，因此该温度为合成氨的适宜温度。 三、合成氨的基本生产过程1合成氨三个主要步骤是（1）造气 制备合成氨的原料气 ；（2）净化 原料气的净化处理； Zxxk （3）合成 将原料气进行化学合成为氨。2制备合成氨的原料气（1）制取N2：一种是物理方法为将空气液化，蒸发分离出氧气；另一种是化学方法为碳在空气中燃烧，O2充分反应后除去CO2制取氮气。（2）制取H2：用水蒸气和焦碳高温反应制得，主要反应 C + H2O = CO + H2也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气等所含有的大量的碳氢化合物与水蒸汽在催化剂作用下制备。以甲烷为例写出其主要反应 ：CH4+H2O=3H2+CO CH4+2H2O=4H2+CO23原料气净化处理（1）原料气净化的原因：除去某些杂质，防止使合成氨所用的催化剂中毒。 （2）用稀氨水吸收H2S杂质： NH3H2O + H2S = NH4HS + H2O （3）使CO变成CO2 ： CO + H2O = CO2 + H2 （4）用K2CO3吸收CO2 ：K2CO3 + CO2 + H2O = 2KHCO3 （5）最后，原料气还需进行精制处理，如用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2 、O2、H2S等少量有害气体。4 氨的合成与分离（1）氨的合成：将净化的原料气加压送进合成塔，在适宜条件下充分反应制取氨。（2）从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，再导入液氨贮罐。 合成氨是一个可逆反应，所以在生产中要把生成的氨及时从混合气体中分离出来，并且不断地向循环气中补充氮、氢气，这样能减小平衡状态下混合物中生成物的浓度，又能增大反应物的浓度，有利于平衡向生成氨的方向移动，以提高氨的产量 四、合成氨工业的发展1原料及原料气的净化 学_科_ 原料气之一的氮气来自空气，目前氢气主要通过不同的固态（煤和焦炭）、液态（石油提炼后的石脑油、重油）、气态（天然气、焦炉气）可燃物为原料。2催化剂的改进多年来一直用磁铁矿催化剂，目前有采用钌为基础活性物质的新型催化剂。3环境保护（1）废渣：可用作建材和肥料的原料。（2）废气：主要是H2S和CO2 等有害气体，对H2S的处理，可用直接氧化法（选择性催化氧化）、循环法（用溶剂吸收浓缩）等回收技术，CO2也可用来生产尿素和碳铵等。（3）废液：主要是含氰化物和含氨的污水，处理含氰化物主要用有生化、加压水解、氧化分解、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理氨废水可用蒸馏的方法回收，也可用离子交换法治理。 课题3 纯碱地生产纯碱（学名碳酸钠）实际上是盐，由于它在水中发生水解作用而使溶液呈碱性。纯碱易溶于水，呈强碱性，能提供Na离子。这些性质使它们被广泛地用于制玻璃、肥皂、纺织、印染、漂白、造纸、精制石油、冶金及其他化学工业等各部门中。碳酸钠在自然界中存在相当广泛。一些生长在盐碱地和海岸附近的植物中含有碳酸钠，可以从植物的灰烬中提取；当冬季来临时，碱湖中所含的碳酸钠结晶析出，经过简单的加工就可以使用。世界上最早是通过路布兰法实现了碳酸钠的工业生产。其生产原理是：1 用硫酸将食盐转变成硫酸钠 NaCl+H2SO4=NaHSO4+HClNaCl+NaHSO4=Na2SO4+ HCl2 将硫酸钠与木炭、石灰石一起加热，反应生成碳酸钠和硫化钙 Na2SO4+2C=Na2S+2CO2 Na2S+CaCO3=Na2CO3+CaS存在原料利用不充分、成本较高、设备腐蚀严重等一、氨碱法生产硫酸氨碱法是由比利时人索尔维发明的，所以，氨碱法也称为索尔维制碱法。氨碱法的原料也是氯化钠和碳酸钙，不同的是它还使用了炼焦的副产品氨。原料：CaCO3、NaCl 、NH3 1生成碳酸氢钠和氯气铵将CO2通入含NH3的饱和NaCl溶液中 NH3+CO2+H2O=NH4HCO3 NaCl+NH4HCO3=NaHCO3+NH4Cl 2抽取碳酸钠2NaHCO3Na2CO3+CO2+H2O氨碱法生产原理：CaCO3=CaO+CO2 CaO+H2O=Ca(OH)2NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3=Na2CO3+CO2+H2O2NH4Cl +Ca(OH)2=CaCl2+NH3+H2O氨碱法的优点：原料便宜易得，氨和部分二氧化碳可循环利用，产品纯度高，步骤简单。氨碱法的缺点：副产物氯化钙的处理问题，氯化钠的利用率低。 二、联合制碱法 我国化学侯德榜（右图）改革国外的纯碱生产工艺，生产流程可简要表示如下： （1）上述生产纯碱的方法称联合制碱法或侯德榜制碱法，副产品的一种用途为化肥或电解液或焊药等。（2）沉淀池中发生的化学反应方程式是NH3CO2H2ONaClNH4ClNaHCO3或NH3CO2H2ONH4HCO3 NH4HCO3NaClNaHCO3NH4Cl。（3）写出上述流程中X物质的分子式CO2。（4）使原料氯化钠的利用率从70%提高到90%以上，主要是设计了I 的循环。从沉淀池中取出沉淀的操作是过滤 （5）为检验产品碳酸钠中是否含有氯化钠，可取少量试样溶于水后，再滴加稀硝酸和硝酸银溶液（6）向母液中通氨气，加入细小食盐颗粒，冷却析出副产品，通氨气的作用是：增大NH4的浓度，使NH4Cl更多地析出使NaHCO3转化为Na2CO3，提高析出的NH4Cl纯度联合法综合利用了合成氨的原料，提高了氯化钠的利用率，减少了环境污染。NH3、CO2都来自于合成氨工艺；这样NH4Cl就成为另一产品化肥。综合利用原料、降低成本、减少环境污染，NaCl利用率达96。