【学习目标】
2、以硫酸生产为例，了解化工生产过程中的一些基本问题；
3、认识平衡移动原理及其对化工生产中条件控制的意义和作用。
【要点梳理】
要点一、接触法制硫酸
1．化学原理：
造气 | S (s)+O2 (g)==SO2 (g)；ΔH=―279 kJ·mol液晶显示片―1 4FeS2 (s)+11O2 (g)==2Fe2O3 (s)+8SO2 (g)；ΔH=―3412 kJ·mol―1 |
接触氧化 | 2SO2 (g)+O2 (g) 2SO3 (g)；ΔH=―196.6 kJ·mol―1 |
三氧化硫的吸收 | SO3 (g)+H2O (l)==H2SO4 (l)；ΔH=―130.3 kJ·mol―1 |
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2．原料：黄铁矿（主要成分是FeS2）（或者硫）、空气、98.3%的H2SO4。
3．主要设备：①沸腾炉（制取SO2的设备，用硫作原料不用此设备，我国现在还主要用黄铁矿为原料制H2SO4）；②接触室（制取SO3的设备）；③吸收塔（制取H2SO4的设备）。
4．生产工艺流程：
要点诠释：硫酸生产过程中三设备的两进两出；每套设备都有两进两出。
（1）沸腾炉
两进：黄铁矿进口和空气进口。
两出：矿渣出口和炉气出口（炉气成分：SO2、O2、N2、水蒸气以及一些杂质，砷、硒
等的化合物及矿尘等）。
（2）接触室
两进：冷反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）和经过预热的热反应混合气进口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
两出：经过热交换器预热的热反应混合气出口（主要成分：SO毛纺织品2、O2、N2等）和反应后混合气出口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）。
（3）吸收塔
两进：混合气进口（主要成分：SO3、SO2、O2、N2等）和98.3%的H2SO4进口。
两出：供稀释用硫酸出口（主要成分：H2SO4、SO3）和尾气出口（主要成分：SO2、O2、N2等）。
5．SO2接触氧化适宜条件的选择
（1）温度：SO2接触氧化是一个放热的可逆反应，根据化学平衡理论判断可知，此反应在温度较低的条件下进行最为有利。但是，温度较低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益来考虑，对生产不利。在实际生产中，选定400～500℃作为操作温度，因为在这个温度范围内，反应速率和SO2的平衡转化率（93.5%～99.2%）都比较理想。
（2）压强：SO2的接触氧化也是一个总体积缩小的气体反应。增大气体压强，能相应提高SO2的平衡转化率，但提高得并不多。考虑到加压必须增加设备，增大投资和能量消耗，而且在常压下，400～500℃时，SO2的平衡转化率已经很高，所以硫酸工厂通常采用常压进行操作，并不加压。
（3）催化剂：主要含五氧化二钒（地区搜索V2O5），俗称钒触媒。
接触氧化适宜条件：温度：400～500℃（反应速率快，催化剂活性高）；压强：常压（常压下，SO2转化率已很高，无需加压）；催化剂：五氧化二钒（V2O5）。
要点诠释：催化剂在使用中会因各种因素而失去活性，其中重要的一个因素就是中毒。催化剂中毒的原因有几种可能，原料中所含的少量杂质，或是强吸附（多为化学吸附）在活
性中心上，或是与活性中心起化学作用，变为别的物质，都能使活性中心中毒。另外，反应产物中也可能有这样的毒物；在催化剂的制备过程中，载体内所含的杂质与活性组分相互作用，也可能毒化活性中心。中毒不仅影响催化剂的活性，造成催化剂的活性下降，也影响催化剂的选择性。
6．硫酸的用途
硫酸是化学工业中重要产品之一，是许多工业生产所用的重要原料。硫酸常列为国家主要重工业产品之一。
硫酸的用途十分广泛。主要有下列几方面：
化肥工业：硫酸与氨反应生成硫酸铵（肥田粉），与磷矿粉反应生成过磷酸钙，每生产1 t硫酸铵要消耗750 kg硫酸；1 t过磷酸钙要消耗360 kg硫酸。近年来，已逐渐用其他氮肥如尿素、碳酸氢铵、氨水、硝酸铵等代替硫酸铵，使硫酸用于生产氮肥的用量有所减少，但硫酸用于磷肥仍在增长。目前化肥工业（主要是磷肥）仍然是硫酸的最大用户，国外化肥用酸约占硫酸总消费量的40％，我国化肥用酸约占60％。
有机合成工业：在有机合成工业中要用硫酸生产各种磺化产品、硝化产品，如每生产1 t锦纶需发烟硫酸1.7 t；1 t TNT消耗360 kg硫酸。
石油工业：石油产品精炼时要用硫酸除去产品中的不饱和烃等，例如每吨柴油要消耗31 kg硫酸。
金属工业：金属铜、锌、镉、镍的精炼，其电解液需用硫酸配制；电镀、搪瓷工业需用酸洗去其表面的铁锈和氧化铁。
无机盐工业：在无机盐工业中，硫酸作为一种最易大量获得、价格低廉的酸，用以生产各种硫酸盐、磷酸盐、铬酸盐等。
原子能工业：大量硫酸用于离子交换法提取铀。
要点二、化工生产过程中的基本问题
1．依据化学反应原理确定生产过程
化工生产是以化学反应原理为依据，以实验室研究为基础的。任何生产的完成都要符合化
学反应规律。对于某一具体的化工产品，研究生产过程要从产品的化学组成和性质考虑，来确定原料和生产路线。
案例：工业制硫酸的反应原理和生产路线。从H2SO4的组成看，原料应是自然界存在的硫黄或硫铁矿。反应过程为：S或FeS2→SO2→SO3→H2SO4。由此可确定生产过程可分为：第一步：以硫黄或硫铁矿为原料制备SO2（造气）；第二步：利用催化氧化反应将SO2氧化为SO3（催化氧化）；第三步：三氧化硫转化为硫酸（吸收）。
2．生产中原料的选择
在工业生产中，选择原料除依据化学反应原理以外，还有许多因素要考虑，如厂址选择、原料、能源、工业用水的供应能力、存贮、运输、预处理成分及环境保护等。
案例：虽然用硫黄制硫酸的装置优于黄铁矿制硫酸的装置，且硫黄制硫酸比黄铁矿制硫酸生产流程短，设备简单，三废处理量小，劳动生产率高，易于设备大型化等。但由于我国硫资源缺乏，黄铁矿储量比天然硫黄要大，所以我国主要是以黄铁矿为原料制硫酸。
3．生产中反应条件的控制
在工业生产中，常常涉及可逆反应，因此要根据平衡移动原理和化学反应速率原理来选择合适的反应条件，使制备反应进行得尽可能地快，并且反应物的转化率尽可能的高。在实际生产中还要考虑控制某些化学反应条件的成本和实际可能性，因此转化率的高低不是唯一要考虑的因素。
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4．生产中的三废的处理
三废处理或将三废消灭于生产过程中，是近年来化工技术发展的方向之一。
（1）尾气处理
硫酸工业生产的尾气中含有少量的SO2，可用石灰水吸收，使其生成CaSO3，然后再用硫酸处理，生成SO2和CaSO4。
化学方程式为：SO2+Ca(OH)2==CaSO3+H2O CaSO3+H2SO4==CaSO4+SO2↑+H2O。
（2）污水处理
Ca(OH)2+H2SO4==CaSO4+2H2O
（3）废渣利用
5．能量的充分利用
硫酸生产过程中要消耗大量的能量。例如，开动机器设备（矿石粉碎机、运输装置、鼓风机、泵等）需要电能，维持接触氧化适宜的温度（400～500℃）需要热能。由于硫酸生产过程中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以降低生产成本。例如，在沸腾炉旁设置“废热”锅炉，产生的蒸气可用来发电；在催化反应室中设热交换装置，利用SO2氧化为SO3时放出的热来预热即将参加反应的SO2和O2，使其达到适宜的反应温度。据测算，生产1 t硫酸约需消耗100 kW·h的电能，而相应量反应物在生产过程中放出的反应热相当于200 kW·h的电能。以上资料显示：硫酸生产中如能充分利用“废热”，则不仅不需要由外界向硫酸厂供应能量，而且还可以由硫酸厂向外界输送大量的能量。
要点三、硫酸工业制备中的知识储备
1．FeS2中硫元素的化合价
从化合价定则推知，FeS2中铁为+2价，硫为―1价。但在已知硫元素的各种价态中，只有―2价、0价、+4价、+6价，并不存在―1价。这里根据化合价定则求算出的硫元素的“化合价”，实际上是硫元素在该化合物中
的氧化数。所谓氧化数是指元素一个原子在外观或形式上所带的电荷。FeS2的电子式为 ，两个硫
原子之间形成一对共用电子对，由于两个相同的硫原子吸收电子的能力相同，该电子对不发生偏移，而是居于两个硫原子的正中央，两个硫原子都不显电性。但每个硫原了和铁原子结合时，一个硫原子获得铁原子供给的一个电子，而带一个单位负电筒，故在FeS2中每个硫原子在外观或形式上带有一个单位负电荷，所以FeS2中硫元素的氧化数为－1。由于中学化学里不要求氧化数的概念，可以通俗地认为FeS2中硫元素的“化合价”为－1价。当然也可以把（S2）看做是一个整体，称为过硫团，可以认为过硫团（S2）显－2价。
2．煅烧硫铁矿的化学方程式中电子转移方向和总数的标法
单线桥法：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
或
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
若用双箭号法标电子转移方向和总数，则为：
4FeS2+11O22Fe2O3+8SO2
还原剂为FeS2，氧化剂为O2，氧化产物为Fe2O3和SO2，还原产物为Fe2O3和SO2。本质是0价的O元素氧化了+2价的Fe和－1价的S元素，参加反应的三种元素均参加了氧化还原反应。
3．常见问题整理
A、工业上接触法制硫酸中为什么要先将黄铁矿粉碎？
答：该做法是为了增大反应物之间的接触面积，因为反应物之间的接触面积越大，反应速率就越快，制H2SO4时把黄铁矿石粉碎，并在沸腾炉中燃烧，从而加快反应的进行，燃烧也充分。
B、为什么把燃烧黄铁矿的炉子叫沸腾炉？为什么用这种炉子？
答：这是因为矿粒燃烧的时候，从炉底通入强大的空气流，把矿粒吹得在炉内一定空间里剧烈翻腾，好像“沸腾着的液体”一样。因此，人们把这种炉子叫沸腾炉。
矿粒在这种沸腾情况下，跟空气充分接触，燃烧快，反应完全，提高了原料的利用率。
C、黄铁矿在沸腾炉里燃烧时，为什么要向炉中鼓入过量的空气（氧气）？
师答：生产上，常使其一反应物的用量（浓度）超过反应所需的量。过量的那种反应物往往是原料中比较易得且价钱比较便宜的。因而能使较贵重的原料更充分利用。在焙烧黄铁矿石制造硫酸时，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧，就是一例。
D、逆流原理在接触法制硫酸过程中有哪些具体的作用？
纳米铂金师答：在化工生产中，相互作用的物料，往往采用逆流的方法，如用质量分数为98.3％的硫酸吸收三氧化硫，液体和气体的流向是相反的，液体由吸收塔顶部淋下，气体由下向上，使作用更完全。在热交换中，冷的和热的气体（或液体），都是采用逆流的方法进行热量交换的。硫酸工业中，接触室内使用热交换器，使未进入接触室的SO2和O2得以预热，有利于SO2的转化；从接触室里出来的SO3。得以降温，减少了SO3的分解。
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