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1、课题2人工固氮技术合成氨1.能记住工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展。2.能记住工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法,能说出合成氨原料气循环利用的原理和重要意义。3.能说出工业合成氨与环境的关系。一二三一、合成氨的反应原理1.反应的化学方程式工业合成氨反应的化学方程式:N2+3H22NH3。2.反应的特点(1)可逆反应;(2)放热反应;(3)气体分子总数减小的反应。3.适宜化工生产条件的选择温度:400500;压强:1030MPa;催化剂:以铁为主的催化剂。一二三合成氨反应中催化剂的主要作用是什么?合成氨方案的主要优点是什么?提示催化剂的主要作用是提高反应速率。合成氨方案的
2、主要优点:反应物较易获得,通过改变反应条件可以提高氨的产率。一二三二、合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤:造气、净化、合成。1.制备合成氨的原料气(1)制备氮气。方法一:将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气。方法二:将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳,再除去二氧化碳得到氮气。(2)制备氢气。一二三2.原料气的净化(1)除去H2S(用氨水)的化学方程式为(3)精制原料气:用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量气体。为什么对原料气进行净化?提示合成氨需要纯净的氮气和氢气。在制取原料气的过程中,常混有一些杂质,其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂中毒而失去催化作用。一二三
3、3.氨的合成与分离(1)氨的合成:净化后的原料气进入氨合成塔,在高温、高压和催化剂作用下合成氨。(2)氨的分离:从合成塔出来的混合气体通过冷凝器使氨液化,从而将氨分离出来。合成塔出来的混合气体中约含15%(体积分数)的氨,分离出氨后为什么要进行循环操作?提示合成氨反应转化率低,从合成塔出来的混合气体中氮气和氢气的含量较大;循环操作的主要目的是充分利用原料、降低成本;循环操作利于实现全封闭、连续化生产,利于减少工序、控制废物的排放。一二三三、合成氨工业的发展1.原料及原料气的净化2.催化剂的改进3.环境保护废渣:用作建材和肥料的原料。废气:主要是H2S和CO2等气体。可用直接氧化法、循环法处理H
4、2S;研究将CO2作为尿素和碳铵生产原料的途径。废液:主要是含氰化物和含氨的污水。一二三一、合成氨条件的选择1.合成氨反应的特点H-TS=-46.1kJmol-1-298K(-99.510-3kJK-1mol-1)=-16.45kJmol-10常温下,合成氨反应能自发进行,所以合成氨的反应特点:所有的反应物和生成物都是气态,且该反应为可逆反应;气体物质的量减少的熵减反应;该反应的正反应是放热反应。一二三2.合成氨工业要求(1)反应要有较大的反应速率;(2)要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。3.工业合成氨最佳条件的选择任何化工生产适宜条件的选择都要从两个方面考虑:理论和实际。一二三一二三
5、综上可知,要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率,应掌握合成氨化学反应本身的特点,运用化学反应速率和化学平衡原理,同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素,综合确定合成氨的条件。当前,从所用催化剂的活性对温度的要求、工业生产对化学反应的速率与限度的要求、制作生产设备的材料性能和技术水平、追求生产投入与产品的最大正效益等实际情况来看,400500的温度、1030MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。特别提醒为了提高合成氨生产的综合经济效益,还有三点是不可忽视的:使原料气中n(N2)n(H2)13;将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用;及
6、时将NH3从平衡混合物中分离出来。一二三二、合成氨的生产工艺1.关键设备合成塔。2.工艺流程一二三三、合成氨原料气的制备1.氮气的制备(1)物理方法:将空气液化,蒸发分离出N2。由于相对分子质量越大,分子间作用力越大,空气中所含气体的沸点N2O2CO2,因此,高压下将空气液化后,经减压蒸发,最先得到的是N2,然后还可以得到O2等。此法是目前工业上制取N2和O2的主要方法。(2)工业上所采用的化学方法:用煤在空气中燃烧,除去O2,吸收CO2(如用氨水吸收制NH4HCO3)后,得到N2。一二三2.氢气的制造合成氨原料来源的关键是如何获得大量廉价的氢气。特别提醒原料制备路线的选择,应综合考虑资源、工
7、艺、能耗、成本、环境等重要因素。由电解水制氢气,电能消耗大,成本高,不适于制取大量的氢气。知识点1知识点2合成氨适宜条件的分析【例题1】下列有关合成氨工业的叙述,可用勒夏特列原理来解释的是()A.使用铁触媒,有利于合成氨B.高压比常压条件更有利于合成氨的反应C.500左右比室温更有利于合成氨的反应D.合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率解析：选项A中催化剂不能使平衡移动;选项B中加压可使合成氨反应正向移动;选项C中高温不利于合成氨,只能加快反应速率,另外,500左右铁触媒活性较高;选项D中,循环操作,不涉及平衡移动问题。答案：B知识点1知识点2点拨(1)勒夏特列原理只能解释有关平衡移动的问
8、题,不能用于解释化学反应速率问题。(2)催化剂可以同等程度地加快正逆反应速率,所以使用催化剂可以改变反应速率但不会影响化学平衡。知识点1知识点2合成氨的基本生产过程【例题2】工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应:知识点1知识点2请回答下列问题:(1)第步除需要催化剂这个条件外,还需要的条件是。(2)第步操作中的原料气的“净化”目的是,第步操作中的目的是。(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列哪种方法?(填编号)。A.过滤B.蒸馏C.分液D.萃取你作出这个判断的理由是。(4)可以用氯气来检验输送氨气的管道是否漏气,如果漏气则会有白烟
9、生成。该反应的化学方程式为。知识点1知识点2解析：(2)原料气中往往含有使催化剂中毒的物质,所以在原料气进行反应前,需要除掉其中的杂质;工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气,也有未反应的氢气、氮气,所以为了提高原料气的利用率,将未反应的原料气进行重新利用,这样可以提高经济效益。(3)降低温度,氨变为液态,从而进行分离,所以与蒸馏类似,都是通过改变温度,使物质的聚集状态发生变化而分离。(4)2NH3+3Cl2N2+6HCl,生成的HCl又与NH3反应生成NH4Cl小颗粒而形成白烟。答案：(1)高温、高压(2)防止催化剂中毒提高原料利用率(或提高经济效益等)(3)B通过改变温度而改变物质的状态,达
10、到分离的目的(4)8NH3+3Cl26NH4Cl+N2知识点1知识点2点拨在合成氨反应的平衡混合物中氨的体积分数仅占15%,还有大量的氮气和氢气未反应。为了充分利用原料,要把氨及时分离出来,使未反应的原料气重新得到利用。1 2 3 4 51工业上用氢气和氮气合成氨,氢气的主要来源是()A.水和燃料B.电解水C.锌和稀硫酸 D.液化空气解析：B、C项生产H2成本太高,不符合实际;D项空气中不含有H2,通过液化得不到H2。答案：A1 2 3 4 52如图是合成氨的简要流程示意图,x路线上送回合成塔的物质是()A.催化剂B.N2和H2C.只有N2D.只有H2解析：工业上将未反应的N2、H2通过循环压
11、缩机送回合成塔循环利用。答案：B1 2 3 4 53合成氨反应的正反应是气体分子数减小的放热反应,合成氨工业的工艺流程如下:下列关于合成氨工业的说法中不正确的是()A.混合气进行循环利用遵循绿色化学思想B.合成氨反应需在低温下进行C.对原料气进行压缩是为了增大原料气的转化率D.原料气之一的氢气可由天然气和水反应制得解析：合成氨反应虽是放热反应,但是温度较低时,反应速率太慢,适宜温度需在400500,且该温度下催化剂的活性较大。答案：B1 2 3 4 54合成氨工业采取的下列措施中,不能用勒夏特列原理解释的是()1030MPa500的高温铁触媒作催化剂将生成的氨液化并及时从体系中分离出来,未反应
12、的N2、H2循环到合成塔中A.B.C.D.解析：对于反应N2+3H22NH3,中增大压强可使平衡向正反应方向移动;中高温不利于反应物转化率的提高,只能加快反应速率;中催化剂不影响化学平衡;中及时分离出NH3和将未反应的N2、H2循环到合成塔中,使平衡向正反应方向移动。答案：B1 2 3 4 55利用天然气合成氨的工艺流程示意图如下:1 2 3 4 5依据上述流程,完成下列填空:(1)图中CH4的一次转化过程中的化学方程式是。(2)脱硫过程中,若有nmolFe2O3H2O转化,则反应掉H2S的物质的量为mol(用含n的代数式表示)。(3)整个流程有三个循环:一是K2CO3(aq)循环,二是N2和
13、H2循环,第三个循环中被循环物质是。(4)改用过量NaOH溶液吸收天然气中的硫化氢,以石墨作电极电解吸收后所得溶液可回收得到硫,同时得到副产物H2。其电解总反应方程式(忽略氧气的氧化还原)为。1 2 3 4 5解析：(1)由工艺流程图知,CH4和H2O(g)一次转化的产物为H2和CO,CH4没有完全反应,说明该反应为可逆反应。(2)脱硫的化学方程式为:Fe2O3H2O+3H2S2FeS+S+4H2O则n(H2S)=3n(Fe2O3H2O)=3nmol。(3)由工艺流程图知,向FeS、S、H2O的混合物中通入O2,生成的Fe2O3H2O循环使用。(4)过量NaOH溶液吸收H2S气体生成Na2S。用惰性电极电解Na2S溶液生成NaOH、S和H2。
