6.3化 工 生 產 能 否 做 到 又 快 又 多二、硫酸的工業(yè)制法一、工業(yè)合成氨 一 、 合 成 氨 工 業(yè) 簡 介 1909年 德 國 化 學 家 哈 伯 成 功 建 立 了 第 一 套 合成 氨 的 實 驗 裝 置 ， 產 量 80g/小 時 。 在 此 基 礎 上1913年 德 國 化 學 工 程 專 家 波 施 建 立 了 第 一 個 工 業(yè)規(guī) 模 的 合 成 氨 工 廠 ， 產 量 為 7000噸 /年 ， 所 以 合成 氨 的 方 法 又 叫 做 哈 伯 -波 施 法 。 目 前 ， 全 球 氨 產 量 約 為 650萬 噸 /年 。 近 年 來 ，合 成 氨 裝 置 大 型 化 是 世 界 合 成 氨 發(fā) 展 的 主 流 趨 勢 ?，F(xiàn) 世 界 最 大 單 系 列 合 成 氨 裝 置 為 阿 根 廷Profertil公 司 的 2050噸 /天 裝 置 ； 而 3000噸 /天(約 100萬 噸 /年 )的 單 系 列 合 成 氨 裝 置 將 于 2005年投 產 ， 4000噸 /天 規(guī) 模 的 裝 置 也 已 完 成 初 步 設 計 。 目 前 我 國 合 成 氨 年 產 量 已 居 世 界 第 1位 ， 但 是 ， 單 系 列 裝 置 規(guī) 模 較 小 ， 已 經無 法 適 應 世 界 合 成 氨 的 發(fā) 展 趨 勢 。 據(jù) 有 關 資 料 統(tǒng) 計 ， 我 國 合 成 氨 平 均 規(guī)模 為 5萬 噸 /年 。 而 俄 羅 斯 的 平 均 規(guī) 模 為40萬 噸 /年 ； 美 國 為 30萬 噸 /年 以 上 。 假 如 你 自 己 就 是 一 個 合 成 氨 工 廠 的 廠長 ， 你 最 關 心 的 是 什 么 ？ 對 整 個 生 產 過 程會 有 怎 樣 的 要 求 ？提 高 單 位 工 作 時 間 內 產 品 的 產 量產 品 生 產 周 期 短 （ 生 產 的 快 ）產 品 的 產 率 高 （ 生 產 的 多 ） 好 的 經 濟效 益 【 問 題 】 1、 合 成 氨 反 應 的 化 學 方 程 式為 ： N2+3H2 2NH3(正 反 應 為 放 熱反 應 )， 分 析 該 反 應 的 特 點 。 一 個 正 反 應 為 放 熱 、 氣 體 總 體 積縮 小 的 可 逆 反 應 。 2、 針 對 反 應 特 點 ， 分 別 從 化 學 反應 速 率 和 化 學 平 衡 兩 個 方 面 思 考 ， 討論 并 完 成 下 表 。 使 氨 生 成 的 快（ 反 應 速 率 ） 使 氨 生 成 的 多（ 化 學 平 衡 ） 濃 度壓 強溫 度催 化 劑 高 壓高 溫使 用 無 影 響高 壓低 溫增 大 濃 度 增 大 反 應 物 濃 度 ；減 小 生 成 物 濃 度是 一 個 正 反 應 為 放 熱 、 氣 體 總 體 積 縮 小 的 可 逆 反 應 。 合 成 氨 反 應 N2+3H 2 2NH 3 (1)既 然 增 大 壓 強 能 提 高 反 應 速 率 和 氨 的 產量 ， 那 是 否 工 業(yè) 上 采 用 的 壓 強 越 大 越 好 ？ (3)催 化 劑 對 化 學 平 衡 并 沒 有 影 響 ， 那 為 何工 業(yè) 上 還 要 使 用 催 化 劑 ？(2)降 低 溫 度 有 利 于 生 成 氨 ， 那 是 否 溫 度 越低 越 好 ？【 討 論 題 】 使 用 催 化 劑 時 ,應 考 慮 哪 些 因 素 ? 二 、 工 業(yè) 合 成 氨 的 適 宜 條 件1.壓 強 ：3.催 化 劑 ：2.溫 度 ：4.濃 度 ： 20MPa 50MPa(受 動 力 、 材 料 、 設 備 等實 際 條 件 的 影 響 )500 左 右 (溫 度 過 低 ,速 率 慢 ,不 經 濟 ;還 應 考 慮 催 化 劑 的 活 性 對 溫 度 的 要 求 )N2、 H2的 再 循 環(huán) 并 及 時 補 充 N2和 H2 增 大 反 應 物 的 濃 度 及 時 將 氨 冷 卻 并 從 平 衡 氣 體 中 分 離 降 低 生 成 物 的 濃 度鐵 觸 媒 (加 快 反 應 速 率 ,大 大 縮 短 到 達平 衡 的 時 間 ) 合 成 氨 生 產 示 意 圖 【 小 結 】合 成 氨 的 方 程 式 (補 充 條 件 )：N2+3H2 2NH3 Fe、 50020MPa 50MPa合 成 氨 工 廠N2+3H2 2NH3高 溫 、 高 壓 催 化 劑 3.既 要 注 意 -上 的 要 求 ， 又 要 注 意 -操 作 中 的 可 能 性 。三 、 選 擇 適 宜 化 工 生 產 條 件 的 原 則 ：1.既 要 考 慮 外 界 條 件 對 -和 -影 響 的 -， 又 要 考 慮 外 界 條 件 對 兩 者 影 響的 -。2.既 要 注 意 -、 -對 化 學 反 應 速 率 影 響的 一 致 性 ， 又 要 注 意 溫 度 對 -的 影 響 。化 學 反 應 速 率 化 學 平 衡矛 盾 性 一 致 性溫 度 催 化 劑 催 化 劑 活 性理 論 實 際 催 化 劑 的 催 化 能 力 一 般 稱 為 催 化 活 性 。 有人 認 為 ： 由 于 催 化 劑 在 反 應 前 后 的 化 學 性 質 和質 量 不 變 ， 一 但 制 成 催 化 劑 之 后 ， 便 可 以 永 遠地 使 用 下 去 。 實 際 上 許 多 催 化 劑 在 使 用 過 程 中 ，其 活 性 從 小 到 大 ， 逐 漸 達 到 正 常 水 平 ， 這 就 是催 化 劑 的 成 熟 期 。 接 著 催 化 劑 在 一 段 時 間 里 保持 穩(wěn) 定 ， 然 后 再 逐 漸 下 降 ， 直 至 不 能 再 使 用 。催 化 劑 催 化 活 性 保 持 穩(wěn) 定 的 時 間 即 為 催 化 劑 的壽 命 ， 其 長 短 因 催 化 劑 的 制 備 方 法 和 使 用 條 件而 異 。 催 化 劑 中 毒 催 化 劑 在 穩(wěn) 定 活 性 期 間 ， 往 往 因 接 觸 少 量 的雜 質 而 使 活 性 明 顯 下 降 甚 至 被 破 壞 ， 這 種 現(xiàn) 象 稱為 催 化 劑 中 毒 。 一 般 認 為 是 由 于 催 化 劑 表 面 的 活性 中 心 被 雜 質 占 據(jù) 而 引 起 中 毒 。 中 毒 分 為 暫 時 性中 毒 和 永 久 性 中 毒 兩 種 。 例 如 ， 對 于 合 成 氨 反 應中 的 鐵 觸 媒 催 化 劑 ， 氧 氣 、 二 氧 化 碳 、 一 氧 化 碳和 水 蒸 氣 都 能 使 催 化 劑 中 毒 ， 但 利 用 純 凈 的 氫 氮混 合 氣 體 通 過 中 毒 的 催 化 劑 時 ， 催 化 劑 的 活 性 又能 恢 復 ， 因 此 這 種 中 毒 是 暫 時 性 的 中 毒 。 相 反 ，含 磷 、 硫 、 砷 的 化 合 物 則 可 使 催 化 劑 永 久 失 去 催化 活 性 。 催 化 劑 永 久 性 中 毒 后 ， 往 往 完 全 失 去 活性 ， 這 時 即 使 再 用 純 凈 的 氮 、 氫 混 合 氣 體 處 理 ，活 性 也 很 難 恢 復 。 催 化 劑 中 毒 會 嚴 重 影 響 生 產 的 正 常 進行 ， 工 業(yè) 生 產 中 為 了 防 止 催 化 劑 中 毒 ， 要把 反 應 物 原 料 加 以 凈 化 ， 以 除 去 有 毒 物 質 ，這 樣 就 要 增 加 設 備 ， 提 高 成 本 。 因 此 ， 研制 具 有 較 強 抗 毒 能 力 的 新 型 催 化 劑 ， 是 一個 重 要 的 課 題 。 二、硫酸的工業(yè)制法 思考：怎樣制取硫酸？H 2SO4SO3SO2SFeS2 H 2OO2O2O2 二 氧 化 硫 氣 體 的 制 備 S O2 SO2 點 燃4FeS 2 11O2 2Fe2O3 8SO2 高 溫 二 氧 化 硫 的 催 化 氧 化 催 化 劑 三 氧 化 硫 的 吸 收 SO3 H 2O H 2SO41、 接 觸 法 制 硫 酸的 主 要 反 應 過 程一 、 硫 酸 的 工 業(yè) 制 法 -接 觸 法2SO2 O2 2SO3 二 氧 化 硫 的 制 取 和 凈 化發(fā) 生 的 反 應生 產 設 備 沸 騰 爐 2、 硫 酸 生 產 過 程 簡 介4FeS2 11O2 = 2Fe2O3 8SO2 高 溫 黃 鐵 礦空 氣 礦 渣 SO2、 O2、 N2 為 什 么 要 將 黃 鐵 礦 粉 碎 成 細 小 礦 粒 ？ 為 什 么 要 從 爐 底 通 入 強 大 空 氣 流 ？討論 二 氧 化 硫 氧 化 成 三 氧 化 硫 生 產 設 備 ： 接 觸 室 發(fā) 生 的 反 應 ： 2SO2 O2 2SO3 + QV2O5 接 觸 氧 化 的 三 個 適 宜 條 件 ： 壓 強 用 常 壓 ； 溫 度 為 400 500 ； 催 化 劑 主 要 為 V 2O5。 經 凈 化 的SO2、 O2 SO2、 O2 SO3 冷 氣 體 熱 氣 體溫 度 較 低 的 氣 體溫 度 較 高 的 氣 體接觸室 三 氧 化 硫 跟 水 化 合 生 成 硫 酸 發(fā) 生 的 反 應 ： SO3 H 2O H 2SO4 用 98.3%濃 硫 酸 吸 收 三 氧 化 硫生 產 設 備 ： 吸 收 塔 98.3%H 2SO4吸收塔尾 氣發(fā) 煙 H 2SO4SO3 O2、 SO2、 N2 三 階 段 SO2的 制 取 和 凈 化 SO2氧 化 成 SO3 吸 收 SO3生 成 硫 酸原 料三 方 程 高 溫4FeS2 +11 O2 = 2Fe2O3 + 8SO2 催 化 劑2SO2+O2 2SO3 400-500 SO3 +H 2OH 2SO4三 設 備 沸 騰 爐 接 觸 室 吸 收 塔工 藝 要 求 黃 鐵 礦 (硫 磺 )、空 氣 98.3% 濃 硫 酸鐵 礦 粉 碎 ，爐 氣 凈 化 用 兩 層 催 化 劑用 熱 交 換 器 用 98.3%的 濃 硫 酸 吸收 SO 3 -接 觸 法 制 硫 酸 小 結 接 觸 氧 化 的 三 個 適 宜 條 件 ： 壓 強 用 常 壓 ； 溫 度 為 400 500 ； 催 化 劑 主 要 為 V 2O5。 【 例 】 含 二 氧 化 硅 的 黃 鐵 礦 樣 品 10g 在 空 氣 中 充 分 燃 燒 ， 最 后 剩余 8g 殘 渣 （ 殘 渣 中 不 含 硫 元 素 ） 。 又 知 在 接 觸 法 制 硫 酸 的 生 產 中 ， 有2%的 硫 受 損 失 混 入 爐 渣 。 用 上 述 黃 鐵 礦 150 t ,可 制 得 98%的 濃 硫 酸 多少 噸 ？ 解 ： 設 10g 黃 鐵 礦 中 FeS2 的 質 量 為 x 4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO24 120g 2 160gx 10g 8g = 2 gx = 6 g 黃 鐵 礦 中 FeS 2% = 6 10 100% = 60%固 體 減 重480g-320g = 160g設 150 t 含 FeS2 60 %的 硫 鐵 礦 可 制 得 98% 的 濃 硫 酸 的 質 量 為 yFeS2 2H 2SO4120 196150 60% 98% 98%yy = 147 t 答 ： 可 制 得 98%的 濃 硫 酸 147 噸