63化工生产能否又快又多.docx
- 文档编号:27210844
- 上传时间:2023-06-28
- 格式:DOCX
- 页数:16
- 大小:470.03KB
63化工生产能否又快又多.docx
《63化工生产能否又快又多.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《63化工生产能否又快又多.docx(16页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
63化工生产能否又快又多
6.3化工生产能否做到又快又多
一、工业制硫酸:
[思考讨论]
①哪些物质可作为制取二氧化硫的原料?
哪种原料最好?
并简述理由。
制取二氧化硫可选用硫磺、硫铁矿等为原料。
用硫磺更好,工艺要求较简单。
②为什么我国目前仍然采用硫铁矿作为制取二氧化硫的原料?
这是因为我国硫磺资源不如硫铁矿充足,而且在可作为制取二氧化硫的其他原料中硫铁矿的含硫量较高。
③若用硫铁矿为原料制取硫酸,写出每一步的化学方程式,并标出化学方程式中电子
转移的方向和数目。
[归纳]从上述问题中我们得出硫酸工业制法的主要流程。
由于二氧化硫的转化是在催化剂表面接触反应,故名“接触法”。
1.原理
2.生产过程
3
2SO
∆
两层或多层催化剂
使用热交换器
3.接触法制硫酸的简单流程示意图
沸腾炉接触室
思考:
①为什么要将矿石粉碎成很细的粉末?
②仔细分析沸腾炉的结构,说明它是怎样使反应物充分接触的?
③在二氧化硫的转化反应中,应用所学知识分析提高二氧化硫转化率的可能途径。
④为什么吸收SO3时,使用的是98.3%的浓硫酸而不是水?
4.应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件
(
2522
32SOO2SOVOQ∆
++催化剂
(1温度
二氧化硫接触氧化是一个放热的可逆反应,根据化学平衡理论判断,温度较低对反应有利。
但是,温度较低时,反应速率低,考虑催化剂在400~500℃活性最大,在实际生产中,选定400~500℃作为操作温度,这时反应速率和二氧化硫的转化率都比较理想。
(2压强
二氧化硫接触氧化是一个气体总体积缩小的可逆反应,根据化学平衡理论判断,加压对反应有利。
但是,在常压、400~500℃时,二氧化硫的转化率已经很高,加压必须增加设备,增大投资和能量消耗,故在实际生产中,通常采用常压操作,并不加压。
(3二氧化硫接触氧化的适宜条件
常压、较高温度(400~500℃和催化剂(V2O5二:
合成氨的适宜条件1.合成氨条件的选择
工业上用N2和H2合成氨:
N2+3H22NH3+Q
(1适宜的压强:
为何强调适宜?
压强越大、有利于NH3的合成,但太大,所需动力大,材料强度高,设备制造要求高,成本提高,选择2×107-5×107Pa压强。
(2适宜的温度:
温度越低越有利于NH3的合成,为何还要选择5000C高温?
因为温度越低,反应速率越小,达平衡时间长,单位时间产量低,另外5000C时,催化剂活性最大。
(3使用催化剂:
铁触媒
(4及时分离出NH3,并不断补充N2和H2(N2要过量,提高成本较高的H2转化率。
2.工业合成氨适宜条件的选择
在实际生产中,需要考虑反应速率、化学平衡、原料选择、产量和设备等多方面情况,以确定最佳的生产条件。
3.图示合成氨的原理
4、相关链接
⑴合成氨原料气的制取
要生产合成氨,首先要制造含有氮、氢混合气的原料气。
用于制造原料气的原料可分为固体原料、液体原料和气体原料三种。
固体原料主要有煤和焦炭。
将煤或焦炭放入半水煤气发生炉里,交替通入空气和水蒸气,就可以得到半水煤气。
半水煤气的有效成分是N2和H2,还含有CO、CO2和H2S等杂质。
半水煤气经净化后,可做合成氨的原料气。
液体原料主要有原油、轻油、重油等。
它们可用分子式CmHn表示。
用水蒸气和氧气的混合气体来气化重油,可得到H2和CO。
利用重油气化法制取合成氨原料气,是近代合成氨工业中的一个重要发展。
常用的气体原料有天然气、油田气、炼厂气和焦炉气等四种。
在这些气体原料中,天然气用量最大。
我国四川省有以天然气为原料的大型合成氨厂。
用天然气制合成氨原料气的方法很多,概括起来可分为四大类,即热解法、水蒸气转化法、部分氧化法和综合法。
热解法是在没有触媒的情况下,用高温使天然气中的甲烷受热分解而制得氢气的方法:
CH4−
−高温2H2+C
−→
水蒸气转化法是在700℃~900℃的温度下,使水蒸气和甲烷通过镍触媒而起反应:
CH4+H2O→CO+3H2
部分氧化法是在950℃左右和镍触媒的作用下,使甲烷进行不完全氧化:
2CH4+O2→2CO+4H2
综合法是在制取乙炔的同时,副产合成氨原料气。
将天然气和氧气同时通入转化炉中,高温下使部分甲烷进行燃烧,放出的热使剩余的天然气受热后分解而生成乙炔和氢气,分离后可得到氢气。
2CH4→C2H2+3H2
⑵合成氨的催化机理
热力学计算表明,低温、高压对合成氨反应是有利的,但无催化剂时,反应的活化能很高,反应几乎不发生。
当采用铁催化剂时,由于改变了反应历程,降低了反应的活化能,使反应以显著的速率进行。
目前认为,合成氨反应的一种可能机理,首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附,使氮原子间的化学键减弱。
接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用,在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3,最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。
上述反应途径可简单地表示为:
xFe+2
1N2→FexN
FexN+[H]吸→FexNHFexNH+[H]吸→FexNH2
FexNH2+[H]吸
FexNH3
xFe+NH3
在无催化剂时,氨的合成反应的活化能很高,大约335kJ/mol。
加入铁催化剂后,反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。
第一阶段的反应活化能为126kJ/mol~167kJ/mol,第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。
由于反应途径的改变(生成不稳定的中间化合物,降低了反应的活化能,因而反应速率加快了。
⑶催化剂的中毒
催化剂的催化能力一般称为催化活性。
有人认为:
由于催化剂在反应前后的化学性质和质量不变,一旦制成一批催化剂之后,便可以永远使用下去。
实际上许多催化剂在使用过程中,其活性从小到大,逐渐达到正常水平,这就是催化剂的成熟期。
接着,催化剂活性在一段时间里保持稳定,然后再下降,一直到衰老而不能再使用。
活性保持稳定的时间即为催化剂的寿命,其长短因催化剂的制备方法和使用条件而异。
催化剂在稳定活性期间,往往因接触少量的杂质而使活性明显下降甚至被破坏,这种现象称为催化剂的中毒。
一般认为是由于催化剂表面的活性中心被杂质占据而引起中毒。
中毒分为暂时性中毒和永久性中毒两种。
例如,对于合成氨反应中的铁催化剂,O2、CO、CO2和水蒸气等都能使催化剂中毒。
但利用纯净的氢、氮混合气体通过中毒的催化剂时,催化剂的活性又能恢复,因此这种中毒是暂时性中毒。
相反,含P、S、As的化合物则可使铁催化剂永久性中毒。
催化剂中毒后,往往完全失去活性,这时即使再用纯净的氢、氮混合气体处理,活性也很难恢复。
催化剂中毒会严重影响生产的正常进行。
工业上为了防止催化剂中毒,要把反应物原料加以净化,以除去毒物,这样就要增加设备,提高成本。
因此,研制具有较强抗毒能力的新型催化剂,是一个重要的课题。
⑷化学模拟生物固氮的研究
目前,化学模拟生物固氮的重要研究课题之一,是固氮酶活性中心结构的研究。
固氮酶由铁蛋白和钼铁蛋白这两种含过渡金属的蛋白质组合而成。
铁蛋白主要起着电子传递输送的作用,而含二个钼原子和二三十个铁和硫原子的钼铁蛋白是络合N2或其他反应物(底物分子,并进行反应的活性中心所在之处。
关于活性中心的结构有多种看法,目前尚无定论。
从各种底物结合物活化和还原加氢试验来看,含双钼核的活性中心较为合理。
我国有两个研究组于1973—1974年间,不约而同地提出了含钼铁的三核、四核活性中心模型,能较好地解释固氮酶的一系列性能,但其结构细节还有待根据新的实验结果精确化。
国际上有关的研究成果认为,温和条件下的固氮作用一般包含以下三个环节:
①络合过程。
它是用某些过渡金属的有机络合物去络合N2,使它的化学键削弱;②还原过程。
它是用化学还原剂或其他还原方法输送电子给被络合的N2,来拆开N2中的N≡N键;③加氢过程。
它是提供H+来和负价的N结合,生成NH3。
目前,化学模拟生物固氮工作的一个主要困难是,N2络合了但基本上没有活化,或络合活化了,但活化得很不够。
所以,稳定的双氮基络合物一般在温和条件下通过化学还原剂的作用只能析出N2,从不稳定的双氮络合物还原制出的NH3的量相当微少。
因此迫切需要从理论上深入分析,以便找出突破的途径。
固氮酶的生物化学和化学模拟工作已取得一定的进展,这必将有力地推动络合催化的研究,特别是对寻找催化效率高的合成氨催化剂,将是一个有力的促进。
【例题精讲】
例1:
接触法制硫酸的炉气组成是SO2占7%,O2占11%,N2占82%,现有100L混合气体进入接
触室反应后,总体积变为97.2L。
则该变化过程中SO2转化率是
A.50%
B.60%
C.70%
D.80%
【解析】解法一:
设参加反应的二氧化硫体积为2x
2SO2+O2≒2SO
3N2体积(L总体积(L
开始时体积(L711082100
反应后体积(L7-2x11-x2x82100-x
根据题意100-x=97.2x=2.8L
二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%。
解法二:
设参加反应的二氧化硫体积为2x
2SO2+O2≒2SO3体积差(L
2L1L2L1L
2X100L-97.2L=2.8LX=2.8L
二氧化硫的转化率为5.6L÷7L×100%=80%。
【答案】D
例2:
下列说法,能够用勒沙特列原理来解释的是(
A.加入催化剂可以提高单位时间氨的产量
B.高压有利于氨的合成反应
C.500℃高温比室温更有利于合成氨的反应
D.恒温恒容下,在合成氨平衡体系中充入He,使压强增大,则平衡正向移动,NH3增多
【解析】A.加入催化剂只能加快反应速率,缩短到达平衡的时间,提高“单位时间”的产量,不能使化学平衡发生移动。
注意:
催化剂能相同倍数地改变正、逆反应速率,故而不改变化学平衡状态。
B.合成氨是一个气体体积减小的反应,所以增大压强,使平衡正方向移动,有利于合成氨,符合勒沙特列原理。
C.因为合成氨是一个放热反应,所以从化学平衡移动角度分析,应采用较低温度。
500℃高温较室温不利于平衡向合成氨方向移动。
采用500℃既考虑到温度对速率的影响,更主要的是500℃左右催化剂活性最大。
D.恒温恒容下充He,惰性气体He不与N2、H2、NH3反应。
虽总压强增大了,实际上平衡体系各成分浓度不变(即分压不变所以平衡不移动,NH3的产量不变。
勒沙特列原理是说改变影响平衡的一个条件,平衡就向能够减弱这种改变的方法移动。
不要混淆影响速率的条件和影响平衡的条件。
【答案】B
例3:
合成氨工业中,原料气(N2,H2及少量的CO,NH3的混合气在进入合成塔前常用乙酸二氨合铜(Ⅰ溶液来吸收原料气中CO,其反应为:
[Cu(NH32Ac]+CO+NH3[Cu(NH33]Ac·CO+Q
(1必须除去原料气中CO的原因是什么?
(2吸收CO的生产适宜条件是什么?
(3吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循
环使用,再生的适宜条件是什么?
【解析】合成氨工业中要使用催化剂,某些物质会使催化剂的活性降低甚至消失,从而发生催化剂中毒。
故必须除去原料气中CO。
根据吸收原料气中CO的反应方程式可知,加压和采取较低的温度可使平衡向正反应方向移动,有利于CO的吸收。
要使吸收CO后的乙酸铜氨液经过适当处理后又可再生,恢复其吸收CO的能力以供循环使用,只要使平衡向逆反应方向移动即可。
【答案】(1防止催化剂中毒;(2低温、高压;(3高温、低压。
同步练习
的是(
1.下列四种溶液中,一定存在SO2
4
A.向甲溶液中加入BaCl2溶液,产生白色沉淀
B.向乙溶液中加入BaCl2溶液,有白色沉淀,再加入盐酸沉淀不溶解
C.向丙溶液中加入盐酸使之酸化,再加入BaCl2溶液,有白色沉淀产生
D.向丁溶液中加入硝酸酸化,再加入硝酸钡溶液,有白色沉淀产生
2.对于可逆反应:
N2(g+3H2(g2NH3(g+Q。
下列说法中正确的是(
A.达到平衡时,NH3的生成速率等于NH3的分解速率
B.达到平衡时,反应物和生成物的浓度一定相等
C.达到平衡时,若加入N2,在重新达平衡时,NH3的浓度比原平衡时增大,H2的浓度比原平衡时减小
D.达到平衡时,若升高温度,加快了吸热反应的速率,降低了放热反应的速率,所以平衡向逆反应方向移动
3.工业上合成氨时一般采用500℃左右的温度,其原因是(
⑴适当提高氨的合成速率⑵提高H2的转化率
⑶提高氨的产率⑷催化剂在500℃时活性最大
A.只有⑴
B.⑴⑵
C.⑵⑶⑷
D.⑴⑷
4.将H2和N2的混合气体通入合成塔中,经过1个小时达到平衡,此时N2、H2、NH3的浓度分别为3、7、4(单位均为mol/L,则以下叙述正确的(
①N2的反应速率为2mol/(L·h②H2的反应速率为7mol/(L·h③H2的起始浓度为
13mol/L④N2起始浓度为2mol/L⑤H2的转化率为46.2%
A.①②
B.②⑤
C.①③⑤
D.②④
5.有平衡体系:
CO(g+2H2(gCH3OH(g+Q,为了增加甲醇的产量,工厂应采取的正确措施是(
A.高温、高压
B.适宜温度、高压、催化剂
C.低温、低压
D.低温、高压、催化剂
6.二氧化氮存在下列平衡:
2NO2(gN2O4(g+Q。
在测定NO2的相对分子质量时,下列条件中较为适宜的是(
A、温度130℃、压强3.03×105Pa
B、温度25℃、压强1.01×105Pa
C、温度130℃、压强5.05×104Pa
D、温度0℃、压强5.05×104Pa
7.在N2+3H22NH3的平衡体系中,当分离出NH3时,下列说法中正确的是
(
A.正反应速率增大
B.平衡向逆反应方向移动
C.正反应速率大于逆反应速率
D.逆反应速率先变小后变大
8.合成氨所需的氢气由煤和水发生反应制得,其中一步反应为:
CO+H2O(gCO2+
H2+Q。
要使CO转化率提高,(
A.增大H2O(g的浓度
B.增大CO的浓度
C.降低温度
D.增大压强
9.将三氧化硫溶解在硫酸中所得到的混合物称为“发烟硫酸”,通常以三氧化硫的质量分数表示其组成。
将0.1185g发烟硫酸试样溶于水,用0.125mol·L-1的NaOH标准溶液
滴定。
用去此标准溶液20mL,恰好中和,则试样中SO3的质量分数为
A.15%
B.17%
C.34%
D.60%
10.在硫酸的工业生产中,下列生产操作及对生产操作主要原因的说明二者都正确的是
A.从沸腾炉出来的炉气需净化,因为炉气中SO2会与杂质反应
B.硫铁矿燃烧前需要粉碎,因为大块的不能燃烧
C.SO3用98.3%的浓H2SO4吸收,目的是防止形成酸雾,以使SO3吸收完全
D.SO2氧化为SO3时需使用催化剂,这样可以提高SO2的转化率
11.一定温度下某密闭容器中进行反应:
N2+3H22NH3,达平衡后
①保持容器体积一定,通入N2,平衡移动。
②保持容器体积一定,通入Ar,平衡移动。
③保持容器压强一定,通入Ar,平衡移动。
④保持容器体积一定,通入N2、H2、NH3,使浓度都变为原来的2倍,平衡移动。
12.恒温下,将amolN2与bmolH2的混合气体通入一个固定容积的密闭容器中,发生如下反应:
N2(g+3H2(g2NH3(g
(1若反应进行到某时刻t时,nt(N2=13mol,nt(NH3=6mol,计算a的值。
(2反应达平衡时,混合气体的体积为716.8L(标准状况下,其中NH3的含量(体积分数为25%。
计算平衡时NH3的物质的量。
(3原混合气体与平衡混合气体的总物质的量之比(写出最简整数比,下同,n(始∶n(平=。
(4原混合气体中,a∶b=。
(5达到平衡时,N2和H2的转化率之比,α(N2∶α(H2=。
(6平衡混合气体中,n(N2∶n(H2∶n(NH3=。
【答案】1.C2.A3.D4.C5.B6.C7.CD8.AC9.A10.C
11向右、不、向左、向右。
12(1a=16(28mol(35:
4(42:
3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 63 化工 生产 能否