《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(400~500C)，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NH3·H2O 书写：
2NH3·H2O+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100kw·h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200kw·h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400～500℃和10Mpa～30 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400～500℃和10Mpa～30 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10MPa~30MPa 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400～500℃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：
①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。
②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。
③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400～500℃，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：
①用水蒸气和焦碳高温反应制得，主要反应 C + H2O == CO + H2
②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+CO2
3．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： NH3·H2O + 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+HCl↑NaCl+NaHSO4==============Na2SO4+ HCl↑
2． 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)2

NaCl+NH3+CO2+H2O=NaHCO3+NH4Cl

2NaHCO3====Na2CO3+CO2+H2O

2NH4Cl +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NH3＋CO2＋H2O＋NaCl＝NH4Cl＋NaHCO3↓或NH3＋CO2＋H2O＝NH4HCO3 NH4HCO3＋NaCl＝NaHCO3↓＋NH4Cl。
（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：
①增大NH4＋的浓度，使NH4Cl更多地析出②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％。