高中化学工业

设计和制作：童文琴化工生产=化学反应原理+化学实验+化工技术元素化合物知识、化学平衡基本操作原料：是否再生价格过程：循环利用反应速率转化率能源：利用率节约能源环保：废气废水的处理选择生产条件时主要考虑的几个因素（1）尽可能提高反应混合物中所需物质的百分含量；（2）尽可能缩短反应到达平衡所需要的时间；（3）尽可能降低对耐高温设备所需材料的要求。(4)符合绿色化学理念(一是注意环境保护二是原子利用率接近百分之百)化工信息材料航天生命轻工食品能源环境建筑农牧业医药功能材料饲料生产原料原理和方法技术的发展在我国，硫酸的年产量已超过800Mt，其中72%用硫铁矿作原料，其次是用硫磺（占16%）和冶炼废气（占12%）为原料生产的。硫磺是生产硫酸的优质原料。我国的天然硫资源很少，自从能从煤和石油的加工中回收硫磺后，陆续建立利用硫磺生产硫酸的工厂。冶炼废气是冶炼有色金属时的废气，特别是硫化矿中的废气含有二氧化硫，含量可达5%以上。1、硫铁矿的焙烧：4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2沸腾炉2、二氧化硫的催化氧化：钒催化剂2SO2+O22SO3400—500º（放热的、体积缩小的可逆反应）接触室3、SO3的吸收：吸收塔SO3+H2OH2SO4高温接触法制硫酸小结硫铁矿粉碎鼓入强大空气流矿粉燃烧沸腾炉SO2O2净化处理催化氧化接触室SO3热交换器水合吸收塔98.3%硫酸高浓度硫酸稀释成品硫酸硫酸厂要排放大量的废渣、废水、废气，严重污染环境。近20年来，对三废的治理已采取了一些有效的措施：利用废渣作建筑材料；采用封闭式流程，控制废水的排放；提高二氧化硫的转化率，达99.7%以上，防止吸收塔排放的尾气对空气的污染，等等。硫酸生产过程中的几个主要反应都是放热的。包括硫铁矿的焙烧、二氧化硫氧化、三氧化硫吸收，每生产1吨硫酸，合计放热7.2*106kJ,折合电力2000度。1914年，第一次世界大战一开始，英国就从海上封锁德国从智利进口硝石。于是人们预言，德国得不到智利硝石，农田将缺乏肥料，炸药工厂也将停产，那么德国最迟在1915年或1916年便要自动投降，可是1916年过去了，德国还在顽强的战斗，农田照样一派浓绿，前线的炮火反而更加猛烈。原来……德国以哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化学难题——以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的化工原料:氨（NH3）哈伯与合成氨合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约150年的时间。德国科学家哈伯在10年的时间内进行了无数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2年间他们就进行了多达6500次试验，测试了2500种不同的配方，最后选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在1913年成为工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于1918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。氨的合成以氮、氢两种气体为原料。燃料（煤、焦碳、液态石油烃、天然气、石油炼厂气）空气、水CO、氢气氮气氢气、氮气二氧化碳氢气、氮气勒沙特列（LeChatelier）原理（平衡移动原理）如果改变任一个影响平衡的条件（eg.c、p、Tetc.），平衡就向着能够削弱这种改变的方向移动。HenriLeChatelier合成氨反应使氨生成的快(从化学反应速率分析)使氨生成的多(从化学平衡分析)压强温度是否要用催化剂N2(g)+3H2(g)2NH3(g)+92.4kJ分析角度外界条件高温高压高压低温使用不影响合成氨1.合成氨的适宜条件：（1）压强：20～50MPa（2）温度：500℃（3）催化剂：铁触媒（以Fe为主体的多成分催化剂）N2+3H22NH3铁触媒500℃20～50MPa合成氨工业简述：空气压缩降温液态空气蒸发N2（先逸出）炭CO2＋N2除去CO2N2H2O(g)赤热炭或其他燃料CO＋H2H2O(g)催化剂CO2＋H2除去CO2H2原料：空气、水、燃料C＋H2O(g)→CO＋H2高温CO＋H2O(g)→CO2＋H2催化剂原料气的制备净化压缩(防止催化剂中毒)合成分离液氨N2、H2智利硝石(NaNO3)缺氮的棉花是植物体内蛋白质、核酸和叶绿素的组成元素。蛋白质是细胞原生质的重要成分，核酸是合成蛋白质的必要成分。在植物生长发育过程中，细胞分裂和新细胞的形成必须要有蛋白质；而光合作用则离不开叶绿素。因此，在缺氮的情况下，由于新细胞形成受阻，植物的生长发育会迟缓或停滞；如果叶绿素含量下降，则直接影响光合作用的速率和光合作用产物的形成。同时，蛋白质含量的下降使作物的品质降低。氮氮的固定：把大气中的氮转化为氮的化合物叫做氮的固定。包括：①自然固定：豆科植物固氮、雷雨天产生NO气体；②人工固定：合成氨等。在17世纪，人们用硫酸分解硝石来生产硝酸。NaNO3+H2SO4NaHSO4+HNO320世纪初，曾利用电弧产生的高温模拟闪电，使空气中的氮和氧合成一氧化氮，再冷却吸收生成硝酸。1913年后，由于合成氨的工业化，用氨为原料生产硝酸成为主要方法。1、氨的催化氧化Pt—Rh4NH3+5O24NO+6H2O800ºC2、一氧化氮的氧化：2NO+O22NO2二氧化氮的吸收：3NO2+H2O2HNO3+NO（这是一个放热的、气体体积缩小的可逆反应，降温、加压对反应有利。补充空气可使二氧化氮充分被水吸收。)4NO2+O2+2H2O4HNO3设备：吸收塔设备：氧化炉生产浓硝酸（98%）可用浓缩法：使浓硫酸和稀硝酸混合（如49份50%的硝酸和51份98%的硫酸混合），在精馏塔内精馏，从塔顶可得到浓硝酸，塔底得到稀硫酸。稀硫酸蒸发浓缩后能循环使用。若蒸馏过程中HNO3、H2SO4、H2O均无损耗，则蒸馏后得到的稀硫酸的浓度？已知蒸馏前的投料比即硝酸和硫酸的质量比，若蒸馏过程中水有损耗，则投料比应（增大、减小、不变）硝酸工业尾气中氮的氧化物（NO、NO2）是主要的大气污染物之一。可用以下方法进行治理：2NO2+2NaOHNaNO2+NaNO3+H2ONO2+NO+2NaOH2NaNO2+H2O现有aL（STP）NO2（其中占体积分数20%的气体是N2O4）和bLNO的混合气体，恰好可被200mLNaOH溶液完全吸收。问：欲保证尾气全部被吸收，则a:b的值应控制在什么范围。氢氧化钠溶液的物质的量浓度是多少？在化学工业中，由电解食盐水生产氯气和烧碱的工业，叫做氯碱工业。当烧碱过剩时，可用碳化法把烧碱转化为纯碱：2NaOH+CO2Na2CO3+H2O当烧碱不足时，可用苛化法生产部分烧碱：Na2CO3+Ca(OH)2CaCO3+2NaOH氢气是氯碱工业的副产品，常用于生产盐酸。氯气主要用于生产聚氯乙烯等有机氯产品。电解饱和食盐水反应原理阴极：阳极：总反应：2H++2e-=H2↑2Cl--2e-=Cl2↑2H2O+2Cl-=H2↑+Cl2↑+2OH-电解2H2O+2NaCl=H2↑+Cl2↑+2NaOH电解上述装置的弱点：1.H2和Cl2混合不安全2.Cl2会和NaOH反应，会使得到的NaOH不纯1．离子交换膜电解槽的简单构造如何?2．离子交换膜的作用是什么?3．工业制碱的简单生产流程怎样?思考：隔膜通常用石棉制成，将浆状的石棉纤维均匀的吸附在阴极网上。近年来，有些工厂在石棉浆中添加聚四氟乙烯、聚多氟二氯乙烯纤维来延长隔膜的使用寿命。阴极材料一般用铁丝网或打铁的铁板制成。阳极过去主要用石墨板，它使用寿命短，降低电能的利用率。70年代后，我国的一些大厂陆续改用金属钛为基体的金属阳极。离子交换膜法制烧碱1、生产设备名称：离子交换膜电解槽阳极：金属钛网(涂钛钌氧化物)阴极：碳钢网(有镍涂层)阳离子交换膜：只允许阳离子通过，把电解槽隔成阴极室和阳极室。2、离子交换膜的作用：(1)防止氯气和氢气混合而引起爆炸(2)避免氯气与氢氧化钠反应生成次氯酸钠影响氢氧化钠的产量3、生产流程氯碱工业的原料是食盐。有海盐、湖盐（青海）、井盐（四川）、岩盐（湖北）。我国的氯碱工业多建于沿海，所用食盐主要是海盐。海盐中含有CaSO4、MgSO4、MgCl2等杂质，要净化制成饱和食盐水再电解。1、为什么要净化？2、如何净化？1．用什么方法除去泥沙？2．用什么试剂除去Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-？3．所用试剂只有过量才能除净这些杂质，你能设计一个合理的顺序逐一除杂吗？思考：粗盐水（Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-）过量BaCl2Ba2++SO42-=BaSO4Ca2+、Mg2+、Fe3+、Ba2+BaSO4Ca2++CO32-=CaCO3Ba2++CO32-=BaCO3CaCO3BaCO3过量Na2CO3Mg2+、Fe3+、CO32-Mg2++2OH-=Mg(OH)2Fe3++3OH-=Fe(OH)3过量NaOHFe(OH)3Mg(OH)2OH-、CO32-精制食盐水饱和食盐水的精制杂质：泥沙、Ca2+、Mg2+、Fe3+、SO42-加入BaCl2，除去SO42-，再加Na2CO3，以除去过量的Ba2+：Ba2++SO42-=BaSO4↓CO32-+Ba2+=BaCO3↓加入Na2CO3溶液以除去Ca2+：Ca2++CO32-=CaCO3↓加入NaOH溶液于除去Mg2+、Fe3+：Mg2++2OH-=Mg（OH）2↓Fe3++3OH-=Fe（OH）3↓再经过阳离子交换塔，用阳离子交换树脂除去剩余的Ca2+、Mg2+等。练习一：写出用碳棒作阳极，铁棒作阴极分别电解NaCl溶液、熔融的NaCl的电极反应式。练习二：写出用铜棒或碳棒作阳极，铁棒作阴极分别电解CuSO4溶液电极反应式。以氯碱工业为基础的化工生产纯碱工业想一想？自然界中有纯碱吗？内蒙古鄂尔多斯合同查汗淖碱湖鄂尔多斯天然碱厂纯碱即苏打，化学组成为Na2CO3。碳酸钠用途非常广泛。是一种重要的化工原料，虽然人们曾先后从盐碱地和盐湖中获得碳酸钠，但仍不能满足工业生产的需要。盐湖两种著名的制碱技术(1)氨碱法制纯碱(索尔维制碱法)(2)联合制碱法(侯氏制碱法)总原理相同:两种著名的制碱技术2NaHCO3======Na2CO３＋CO2↑+H2O•NaCl+NH3＋CO2＋H2ONaHCO3↓+NH4Cl原料来源和副产物不同1810年法国物理学家福瑞斯奈尔用碳酸氢铵和食盐为原料制取纯碱：NaCl+NH4HCO3NaHCO3+NH4Cl2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO21859年,比利时化学家苏尔维利用他父亲煤气厂的副产品，发明了新的制碱法：H2O+CO2+NH3NH4HCO3NH4HCO3+NaClNaHCO3+NH4Cl2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2氨碱法（苏尔维法）饱和食盐水通氨气氨盐水过滤洗涤通CO2碳酸氢钠煅烧纯碱（产品）二氧化碳滤液NH4ClNaCl加热Ca(OH)2氨（循环使用）（循环使用）废液CaCl2、NaCl石灰石煅烧二氧化碳CaOCa(OH)2石灰乳•NaCl+NH3＋CO2＋H2ONaHCO3+NH4Cl2NaHCO3Na2CO３＋CO2↑+H2O氨碱法制纯碱原理（索尔维法）CaCO3CO2+CaOCaO+H2OCa(OH)22NH4Cl+Ca(OH)2CaCl2+2NH3+2H2O氨碱法优点原料（食盐、石灰石）便宜产品（纯碱）纯度高副产品氨、二氧化碳可循环使用步骤简单，适用于大规模生产缺点两种原料的成分里只利用了一半食盐的利用率只有72％－74％侯德榜侯氏制碱法的诞生1921年10月侯德榜接受了永利碱业公司的聘请，毅然从美国启程回国，决心自己开发制碱新工艺，经过600多次研究实验，分析了2000多个样品，历时5年，于1942年发明并创立了举世闻名的“侯氏制碱法”。我国科学家侯德榜在研究了生产的苏尔维法后，发明了侯氏制碱法：在苏尔维法的滤液中加入固体食盐，就会析出氯化铵晶体，母液还能回到氨碱法生产中。NaCl+NH3+CO2+H2ONaHCO3+NH4Cl2NaHCO3Na2CO3+H2O+CO2饱和食盐水通氨气氨盐水过滤洗涤通CO2碳酸氢钠煅烧纯碱（产品）二氧化碳滤液NH4ClNaCl加氯化钠细粉、通氨气冷却、过滤、洗涤、干燥氯化铵（产品）（循环使用）饱和NaCl（循环使用）合成氨工厂二氧化