课题2　人工固氮技术──合成氨

目标导航1 使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理 选择合成氨的适宜条件 2 了解合成氨生产的一般流程和反应原理 反应条件等 3 介绍合成氨 体验化工生产的过程 体验实验室研究与实际生产之间转化过程 课题2人工固氮技术 合成氨 一 氮的循环及合成氨的反应原理1 含氮化合物对人类生活有着十分重要的意义 1 是植物生长不可缺少的元素之一 2 含氮化合物还用于制造 和许多其他产品 氮元素 染料 人造纤维 油漆 炸药 2 氮的固定 1 氮的存在和固定 存在 地壳中氮的含量只有0 04 而大气中氮气的体积分数为 氮的固定 是指将转变为的方法 78 游离态氮 化合态氮 自然 人工 2 实验室合成氨实验装置 铁丝绒的作用 润湿的pH试纸的作用 现象 3 工业上 通常采用以铁为主的催化剂 在 和MPa的条件下合成氨 催化剂 检验生成的氨气 pH试纸 变蓝 400 500 10 30 议一议1 你知道氮固定的主要途径有哪些 通过闪电引发自然固氮的原理是什么 答案豆科植物的根瘤菌固氮 雷电固氮 人工固氮 工业合成氨 2 试从速率和平衡的角度综合分析合成氨工业选择400 500 的温度 10 30MPa的压强的原因 答案合成氨反应是一个可逆 放热 气体分子总数减小的反应 根据勒夏特列原理 温度越低 压强越大 该反应的平衡体系中氨的含量越高 但降低温度使反应速率降低 增大压强对设备要求较高 而400 500 时催化剂活性最好 10 30MPa下N2 H2的转化率已经较高 故选择在该条件下进行合成氨 二 合成氨的基本生产过程及工业发展合成氨的生产主要包括三个步骤 1 制备合成氨的原料气 造气 净化 合成 2 原料气的净化 1 目的是 2 原料气的净化 用稀氨水吸收H2S的化学方程式 防止催化剂中毒 H2S NH3 H2O NH4HS H2O 除去CO的有关化学方程式 精制原料气 用 和配制成的溶液来吸收 等少量有害气体 醋酸 铜 氨 CO CO2 O2 H2S CO2 K2CO3 H2O 2KHCO3 3 氨的合成与分离 1 氨的合成 将净化后的原料气经过压缩至高压 进入 在 和作用下合成氨 2 从合成塔出来的混合气体 通常约含15 体积分数 的氨 要把混合气体通过使氨液化 然后在里把液态氨分离出来并导入液氨贮罐 余下的气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应 压缩机 合成塔 高温 高压 催化剂 冷凝器 气体分离器 4 合成氨工业的发展合成氨工业的主要研究领域有以下三个方面 1 的净化 2 的改进 3 环境保护废渣 用作 废气 主要是和等有害气体 废液 主要是含和含的污水 原料及原料气 催化剂 建材和肥料的原料 H2S CO2 氰化物 氨 议一议1 据上一课题中的 硫酸工业流程 画出合成氨生产的工艺流程 答案 2 在净化阶段用K2CO3溶液吸收CO2 在加压的条件下进行的理论依据是什么 答案加压不仅能增大反应速率还能使平衡向右移动 提高CO2的吸收率 3 在化工生产中 常采用循环操作 这种操作的目的是什么 合成氨工业可以进行哪些联合生产或深加工 答案合成氨是可逆反应 无论条件多么适宜 从合成塔中出来的气体总有一部分未反应的N2和H2 NH3可通过冷凝分离除去 为充分利用原料气 将此混合气用循环压缩机重新送入合成塔 同时不断地补充新鲜的原料气 这样可以提高原料的利用率 降低生产成本 合成氨可与尿素 硝酸 碳酸氢铵 纯碱等工业联合生产使原料充分利用 减少物流 交通所耗费的人力 物力 降低生产成本 一 合成氨条件的理论分析1 浓度 因为增大反应物浓度 能提高反应速率和使平衡正向移动 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 因此生产中常适当增加N2的比例 实际生产 n H2 n N2 2 8 1 2 压强 无论从反应速率还是从化学平衡考虑 压强越大越有利于合成氨 但压强太大 动力消耗大 设备的质量和制造水平要求高 故必须综合考虑 目前我国合成氨厂一般采用的压强在10 30MPa之间 3 温度 对于放热反应 升温可提高反应速率 但转化率降低 若温度太低 反应速率又太慢 综合考虑以400 500 为宜 而且在此温度下催化剂活性最大 4 催化剂 加快反应速率但不影响平衡 可以提高单位时间内氨的产量 目前工业上多采用以铁为主的催化剂 5 及时将NH3从平衡体系中分离出来 并将N2 H2重新压缩后输入合成塔再次利用 提高原料的利用率 例1合成氨时既要使氨的产率增大 又要使反应速率加快 可采取的办法是 减压 加压 升温 降温 及时从平衡混合气中分离出NH3 补充N2或H2 加催化剂 减小N2或H2的量A B C D 答案C 解析工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进行的 原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行程度已经很大 采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动 但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求 综合生产成本和经济效益两方面因素 实际生产时 在常压下进行最合理 答案高温 高压 催化剂合成氨 高温 高压 催化剂 合成SO3 高温 常压 催化剂 2 在合成氨的工业生产中 要分离出氨 目的是 而合成SO3的过程中 不需要分离出SO3 原因是 减小生成物 的浓度 使平衡向生成NH3的方向移动 该反应向生成SO3的方向进行程度较大 达到平衡后SO2剩余量较少 故不需要分离出SO3 二 工业合成氨的流程分析工业生产流程主线 规律 主线主产品 分支副产品 回头为循环 核心考点 物质的分离操作 除杂试剂的选择 生产条件的控制 例2利用天然气合成氨的工艺流程如下图所示 根据上述流程 完成下列填空 1 天然气脱硫时的化学方程式是 解析流程图中已给出反应物是H2S和Fe OH 3 生成物是Fe2S3和H2O CH4没有参与反应 写出方程式再配平即可 3H2S 2Fe OH 3 Fe2S3 6H2O 2 nmolCH4经一次转化后产生CO0 9nmol 产生H2mol 用含n的代数式表示 解析写出方程式后很容易看出H2的物质的量 2 7n 3 K2CO3 aq 和CO2反应在加压下进行 加压的理论依据是 填字母序号 A 相似相溶原理B 勒夏特列原理C 酸碱中和原理解析是勒夏特列原理的应用 B 4 由KHCO3分解得到的CO2可用于 写出CO2的一种重要用途 解析考查CO2的用途 生产纯碱 或作制冷剂等 5 在整个流程中有三处循环 一是Fe OH 3循环 二是K2CO3 aq 循环 请在上述流程图中标出第三处循环 解析是对合成氨工业中实际应用的循环操作进行设问和考查 答案 变式训练2合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义 下图是工业合成氨的简要流程示意图 1 合成氨的原料气往往混有CO2等杂质 在进入合成塔之前需净化 净化的原因是 解析气体中的杂质能使催化剂中毒 使活性降低 降低催化效率 因此气体要净化 答案防止催化剂 中毒 2 工业上合成氨选择的适宜条件是 以铁为主的催化剂 解析由工业合成氨可知 合成氨的条件是以铁为主的催化剂 400 500 10 30MPa 在此条件下 合成氨的产率 反应速率以及经济效益为最佳 400 500 10 30MPa 3 沿X路线进入合成塔的物质是 这样设计的意义是 解析合成氨为可逆反应 分离出氨气后 氮气和氢气需要回收利用 再次将其通入合成塔中 可以降低成本以及提高原料利用率 N2和H2 未反应的氮气和氢气循环进入合成塔 使氮气和氢气得到充分利用 或提高原料的利用率 4 目前工业制硝酸所采用的主要方法是 解析因为合成氨是制硝酸的基础 所以氨催化氧化法是目前工业制硝酸所采用的主要方法 原因为原料来源广并且价格便宜 氨催化氧化法 或氨氧化法 1 下列有关催化剂的性质 作用的说法正确的是 A 合成氨反应若不使用催化剂 该反应就不能进行B 反应前后催化剂的质量不改变 但化学性质要改变C 催化剂能缩短反应到达平衡所用的时间 但催化剂损耗量较大D 催化剂可以同等程度地改变正 逆反应速率 1 2 3 4 D 1 2 3 4 2 对于可逆反应N2 g 3H2 g 2NH3 g H 0 下列说法正确的是 A 达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等B 达到平衡后加入氨气 重新达到平衡时 氨气的浓度比原平衡时大C 达到平衡时 升高温度加快了吸热反应的速率 降低了放热反应的速率 所以平衡向逆反应的方向移动D 加入催化剂可以缩短到达平衡的时间 这是因为加快了正反应的速率 而减慢了逆反应的速率 1 2 3 4 解析本题往往错选C D 原因是对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清 对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清 正确选项为B 答案B 3 合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温度 压强的关系如右图所示 根据此图分析合成氨工业最有前途的研究方向是 A 提高分离技术B 研制耐高压的合成塔C 研制低温催化剂D 探索不用N2和H2合成氨的新途径 1 2 3 4 解析由图可知 NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降 故要提高NH3的体积分数 必须降低温度 但目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度为500 故最有前途的研究方向为研制低温催化剂 答案C 1 2 3 4 4 工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应 1 2 3 4 其部分工艺流程如下图所示 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 解析工业合成氨需要条件为高温 高压 催化剂 1 2 3 4 高温 高压 2 第 步操作中的原料气的 净化 的目的是 第 步操作中的目的是 解析原料气中往往含有使催化剂中毒的物质 所以在进行原料气的反应前 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 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 1 2 3 4 防止催化剂中毒 提高原料利用率 或提高经济效益等 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中的 填字母 a 过滤b 蒸馏c 分液d 萃取你作出