专题5三酸二碱工业归纳.docx

专题5三酸二碱工业归纳.docx

《专题5三酸二碱工业归纳.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《专题5三酸二碱工业归纳.docx（10页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

专题5三酸二碱工业归纳

专题5三酸二碱工业归纳

通常我们所说的三酸二碱工业指的是硫酸、硝酸、盐酸工业，氯碱、纯碱工业。

根据《上海市教育委员会关于印发本市中小学数学等7门学科课程标准调整意见的通知》：

《上海市中学化学课程标准（试行稿）》调整意见

一级主题

二级主题

调整意见

化工生产

硝酸工业及其原理

除“学习内容”中“硝酸”的要求转入“化学反应中电子的转移”（一级主题）下的“氧化剂”（二级主题）部分，该二级主题删除。

侯氏制碱法原理和简单流程

氯碱工业和电解池的改进

该二级主题删除。

石油化工

以乙烯为原料的化工生产

调整后“硝酸工业及其原理”和“氯碱工业和电解池的改进”不做学习要求，但是硝酸和电解饱和食盐水仍属于学习的范畴，会涉及相关的内容。

三酸二碱再加合成氨工业是高中阶段涉及的六大无机化工的内容，掌握基本的化工原理、基础实验、设计流程与思路等有助于分析新的化工流程，形成基本的化工流程设计思想。

一、盐酸工业

原理：

用过量的氢气包围氯气燃烧的方法合成氯化氢，再用水吸收。

装置：

合成塔

注意事项：

氢气在外管，氯气在内管，氢气过量。

二、硫酸工业

1．三种原料：

硫铁矿（FeS2）、空气、水。

利用接触法制硫酸一般可以用硫黄、黄铁矿、石膏、有色金属冶炼厂的烟气（含一定量的$SO_2$）等。

其中用硫黄作原料成本低、对环境污染少。

但我国硫黄资源较少，主要用黄铁矿（主要成分为$FeS_2$）作生产硫酸的原料。

2．三步骤、三反应：

（1） 4FeS2+11O2 

2Fe2O3+8SO2

（2）2SO2+ O2 

  2 SO3

（3） SO3+ H2O

 H2SO4

3．三设备：

（1）沸腾炉

（2）接触室（3）合成塔。

4．三原理：

化学平衡原理、热交换原理、逆流原理。

（1）增大反应物浓度、增大反应物间接触面积，能提高反应速率并使化学平衡向正反应方向移动，以充分提高原料利用率。

（2）热交换原理：

在接触室中生成的热量经过热交换器，传递给进入接触室的需要预热的混合气体，为二氧化硫的接触氧化和三氧化硫的吸收创造了有利条件。

（3）逆流原理：

液体由上向下流，气体由下向上升，两者在逆流过程中充分反应。

接触法制硫酸的原理、过程及典型设备

三原料

三阶段

三反应（均放热）

三设备

三净化

黄铁矿或S

造气

4FeS2+11O2 

2Fe2O3+8SO2或S+ O2

 SO2

沸腾炉

除尘

空气

接触氧化

2SO2+ O2 

  2 SO3

接触室（含热交换器）

洗涤

98.3%

浓硫酸

三氧化硫吸收

SO3+ H2O

 H2SO4

吸收塔

干燥

接触法制硫酸示意图：

5．应用化学反应速率和化学平衡移动原理选择适宜条件

二氧化硫接触氧化的反应是一个气体总体积缩小的、放热的反应。

（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

6．接触法制硫酸中应注意的几个问题

（1）依据反应物之间的接触面积越大反应速率越快的原理，送进沸腾炉的矿石要粉碎成细小的矿粒，增大矿石跟空气的接触面积，使之充分燃烧。

（2）依据增大廉价易得的反应物的浓度，使较贵重的原料得以充分利用的原理，采用过量的空气使黄铁矿充分燃烧。

（3）通入接触室的混合气体必须预先净化，其原因是：

炉气中含有二氧化硫、氧气、氮气、水蒸气以及砷、硒化合物、矿尘等。

砷、硒化合物和矿尘等会使催化剂中毒；水蒸气对生产和设备有不良影响。

因此，炉气必须通过除尘、洗涤、干燥等净化处理。

（4）在接触室里装有热交换器，其作用是在二氧化硫接触氧化时，用放出的热量来加热未反应的二氧化硫和空气，充分利用热能，节约燃料。

（5）不能用水吸收三氧化硫而用98.3%的浓硫酸，若用水或稀硫酸吸收，容易形成酸雾，且吸收速度慢。

三、硝酸工业

1、历史上曾用硝石（NaNO3）与浓硫酸反应制取硝酸

2、工业制HNO3————氨催化氧化法

（1）NH3在催化剂的作用下与O2反应，生成NO

（2）NO被氧化成NO2

（3）在吸收塔中用水吸收NO2生成HNO3

⑵⑶可合写成

（4）为提高原料转化率，应补充空气，多次氧化和吸收

（5）尾气吸收——用碱液

当

，均可被吸收完全。

（6）硝酸浓度的提高（浓缩）

四、氯碱工业

1．电解饱和食盐水的原理

电极反应式：

阴极：

H2O

H++OH-2H++2e→H2↑（还原反应）

电极反应式：

阳极：

2Cl-—2e→Cl2↑（氧化反应）

电解饱和食盐水

化学方程式：

2NaCl+2H2O

2NaOH+H2↑+C12↑

现象：

两极产生气体的体积相同，在溶液中滴入酚酞试剂，阴极附近溶液变红，说明阴极生成了NaOH。

阳极：

电极材料炭棒，产生黄绿色的C12，用淀粉碘化钾试纸检验，试纸变蓝，原理C12+2KI→2KCl+I2，碘单质遇淀粉显蓝色。

阴极：

电极材料铁棒，产生无色的氢气，点燃发出淡蓝色火焰，验纯方法：

搜集一试管的气体，管口向下移至火焰处，听到轻微的爆鸣声。

2．氯碱工业装置

如图是世界上比较先进的电解制碱技术离子交换膜法电解原理示意图。

写出各进出口的物质：

①_________、②_________、③_________、④_________、⑤_________、⑥_________。

①水（含少量NaOH）目的是增强溶液的导电性；②饱和（或浓）食盐水；③淡盐水；④氯气；

⑤氢气；⑥氢氧化钠。

（1）氯碱工业产品主要有：

烧碱、H2、C12、盐酸

（2）主要设备改进为立式隔膜电解槽（阳离子交换膜电解槽），该方法的优点：

①阳极（金属钛网）——Cl2不易腐蚀金属钛②用阳离子交换膜隔成阴极室和阳极室既能防止阴极产生的H2和阳极产生的Cl2相混合引起爆炸：

又能避免C12与NaOH溶液作用生成NaClO而影响烧碱的质量。

3．生产工艺流程

氯碱厂电解饱和食盐水制取NaOH的工艺流程示意图如下：

为了除去食盐中的Mg2+、Ca2+、SO42-，需要对其进行精制，在精制的过程中的一般思路。

是将杂质离子转化为沉淀或气体而除去，但应特别注意的是Mg2+应以Mg（OH）2的沉淀形式除去而不是MgCO3的形式除去。

故Mg2+、Ca2+的沉淀剂应分别为NaOH和Na2CO3，考虑到除杂不要引入新的杂质，也应该在后续操作中容易除去，比如上述Na2CO3的使用，可在后面操作中用稀HCl调整溶液的pH时除去多余的Na2CO3。

关于除尽SO42-，可加入稍过量的钡试剂如Ba（OH）2或BaCl2，但要保证Na2CO3的加入在钡试剂之后即可。

五、纯碱工业

纯碱是一种基本化工原料。

如何使用最廉价的原料制取纯碱呢?

自然界中能提供最廉价原料的是食盐和石灰石。

但CaCO3和NaCl不能直接反应得到Na2CO3，所以要找个中间产物——NaHCO3。

1．索尔维法——氨碱法

1862年，比利时人索尔维（ErnestSolvay，1832～1922）以_________为原料，制得了碳酸钠，即氨碱法。

反应分两步进行：

NH3+CO2+H2O+NaCl→NaHCO3↓+NH4Cl

2NaHCO3

Na2CO3+CO2↑+H2O

思考：

NaHCO3为什么会沉淀下来?

观察溶解度数据：

（单位：

克）

温度

NaCl

NH4HCO3

NaHCO3

NH4Cl

30℃

36.3

27.0

11.1

41.1

温度

NaHCO3

Na2CO3

30℃

11.1

50.5

40℃

12.7

48.5

60℃

16.4

46.4

这两个反应的工业生产流程中，为使NaHCO3达到饱和而析出，在饱和NaCl溶液里先通入NH3至饱和后再通入CO2。

反应生成的CO2可以回收再用，而NH4Cl又可以与消石灰反应，产生NH3，重新作为原料使用：

2NH4Cl+Ca（OH）2→2NH3↑+CaCl2+2H2O

氨碱法使生产实现了连续性，食盐的利用率得到提高，产品纯净，因而被称为纯碱，但最大的优点还在于成本低廉。

1867年索尔维设厂制造的产品在巴黎世界博览会上获得铜制奖章，此法被正式命名为索尔维法。

此时，纯碱的价格大大下降。

氨碱法的优点：

___________________________________

氨碱法的缺点：

___________________________________

【Key】食盐、氨、二氧化碳

原料低廉，成本降低；氨可以循环利用；产品纯度高；制造步骤简单

生成了无多大用途的CaCl2；食盐的利用率较低，70％左右

2．侯氏制碱法——联碱法

侯德榜，字致本，1890年8月9日出生于福建省闽侯县坡尾村一农民家庭，1907年以优异的成绩毕业于福州英华书院，1909年毕业于沪皖两省路矿学堂，毕业后，曾在津浦铁路当练习生。

1910年考取清华留美预备学堂，1913年23岁的侯德榜以特别优秀的成绩完成了预科学业，公费派往美国留学。

1917年获麻省理工学院化学工程学学士学位，1918年获柏拉图学院制革化学师文凭，1919年获哥伦比亚大学硕士学位，1921年获该校哲学博士学位。

1940年终于完成了这个新的工艺路线。

1943年11月顺利投产。

原理：

同索尔维法

原料不同：

焦炭、空气、水和食盐

改进工艺：

滤液不再加Ca（OH）2回收NH3，而是加固体食盐，使NH4Cl析出，除去NH4Cl后的母液循环使用来制Na2CO3。

不但使原料食盐得到充分利用，还生产出了化肥。

思考：

原料不用石灰石，那CO2哪里来?

NH3不回收，那NH3又哪里来?

答案：

___________________________________

联碱法的优点：

___________________________________

【Key】NH3、CO2都来自合成氨厂，所以侯氏制碱法又称为联合制碱法，即联碱法，（C+H2O（g）

CO+H2，CO+H2O（g）

CO2+H2）

母液循环使用，原料能充分利用，食盐利用率高达98％；可同时产出两种可用产品——纯碱和氯化铵，不产生CaCl2

六、合成氨工业

【归纳】化工生产选择适宜条件的原则

化工生产选择适宜条件的目的是尽可能加快反应速率和提高反应进行的程度，依据外界条件对化学反应速率和化学平衡影响的规律确定，其原则是：

（1）对任一可逆反应，增大反应物浓度，能提高反应速率和转化率。

故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率，如氮气与氢气的配比为1.07:

3。

（2）对气体分子数减少的反应，增大总压使平衡向增大生成物的的方向移动。

但压强太大，动力消耗，设备要求、成本增高，故必须综合考虑。

（3）对放热反应，升温，提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，故需使用适当的催化剂。

对吸热反应，升温，加快反应速率，又能提高转化率，但要避免反应物或生成物的过热分解。

（4）使用催化剂可大大提高反应速率且不影响化学平衡，但使用时必须注意其活性温度范围，且防止催化剂“中毒”，延长使用寿命。

合成氨适宜条件：

___________________________________

【Key】500℃、铁触媒、2×107～5×107、增大氮气与氢气的浓度、及时分离出氨、循环操作。