工业合成氨.doc

1. 合成氨工业(1)简要流程(2)原料气的制取N2：将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为：(3)制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。(4)氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。(5)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循坏送入合成塔，使之充分利用。2.合成氨条件的选择 (1)合成氨反应的特点：合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应：(2)合成氨生产的要求：合成氨工业要求：反应要有较大的反应速率；要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。(3)合成氨条件选择的依据:运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。(4)合成氨条件的理论分析(见下表)：反应条件对化学反应速率的影响对平衡混合物中NH3的含量的影响合成氨条件的选择增大压强有利于增大化学反应速率有利于提高平衡混合物中NH3的产量压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用20MPa50MPa的压强升高温度有利于增大化学反应速率不利于提高平衡混合物中NH3的产量温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500左右的温度(因该温度时，催化剂的活性最强)使用催化剂有利于增大化学反应速率没有影响催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行。(5)合成氨的适宜温度：温度：500左右压强：20MPa50MPa催化剂：铁触媒除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气，以有利合成氨反应。(6)合成氨生产示意图3.解化学平衡题的几种思维方式(1)平衡模式思维法(三段思维法)化学平衡计算中，依据化学方程式列出“起始”“变化”“平衡”时三段各物质的量(或体积、或浓度)，然后根据已知条件建立代数式等式而进行解题的一种方法。如反应，令A、B的起始量为amol、bmol，达到平衡后A的转化率为x。 (2)差量法(或差值法)利用化学反应(或物理变化)中某化学量从始态到终态的差量，作为已知量或未知量的对应关系列比式进行计算的一种常用方法。(3)极限思维法(极值法)极值法是将可逆反应看作处于完全反应和完全不反应的中间状态，接替使用这两个极端点，根据题目巧设假设某一种物质100%消耗,求出另一方的最大值(最小值，从而得出可逆反应达到某平衡状态时的取值(或取值范围)的方法。(4)“虚拟”思维法(构造法)“虚拟”思维法是指在分析或解决问题时，根据需要和可能，虚拟出能方便解决问题的对象，并以此为中介，实现由条件向结论转化的方法。如虚拟结果、数据、解题需要的条件、反应过程及某混合物的化学式等.(5)守恒思维法在任何化学反应中，均存在某些守恒关系，在化学反应中有时运用某种量守恒能够很快得出正确答案。(6)假设思维法在解题中，把一种状态与另一种状态平衡时的情况(如转化率、物质的量浓度及含量等)进行比较时，可以假设一个中间转化过程，有利于顺利比较。(7)等效平衡思维法等效平衡有“恒温恒容”平衡和“恒温恒压”平衡两种情况，在前面已经对此问题有较深刻的分析。4.化学平衡的移动与平衡混合物的平均相对分子质量()之间的变化规律(1)对于反应物和生成物都是气体的可逆反应来说，当平衡体系的温度或压强改变时，平衡移动的方向与平衡混合物的平均相对分子质量()的变化规律是：若平衡向气体体积缩小的方向移动，则平衡混合物的将增大；若平衡向气体体积扩大的方向移动，则平衡混合物的将减小；若反应前后气体体积不变，无论平衡移动与否，平衡混合物的将不变。(2)对于固体或液体参加或生成的可逆反应来说，平衡移动使平衡混合物的发生变化与反应起始时物质的配比有关，此时平衡发生移动时，可能增大，可能减小，也可能不变，需具体情况具体分析。5.合成氨中的绿色化学(1)比较少的资源(原料)生成较多的产品，提高原料的转化率；(2)某些原料包括催化剂的重复使用(防止催化剂中毒)；(3)节约能源，减小环境污染(催化剂的重复使用设计，氨分离，N2、H2回流循环催化合成)实现了省资源、少污染，减少成本的要求。6.化学反应进行的方向(1)自发过程和自发反应自发过程：在一定条件下，不需要外力作用就能自动进行的过程。自发反应：在该定的条件下，能自发的进行到显著程度的反应。非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。(2)化学反应进行方向中的判据能量判据：自发过程的体系趋向于从高能状态转化为低能状态，由此而得的经验规律就是能量判据。对于密闭体系，在恒压和不做其它功的条件下发生变化，吸收或放出的热量等于体系的焓的变化。熵判据：在与外界是个力的体系中，自发过程将导致体系熵增大，这一经验规律叫做熵增原理，在用来判断过程的方向时，就成为熵判据。a.与能量状态的高低无关的自发性：与有序体系相比，无须体系“更加稳定”，可以采取更多的存在方式。例如：放在同一密闭容器中的气体或液体物质(也包括能够挥发的固体物质)的蒸汽，不需要外界的任何作用，气态物质会通过分子的扩散自发的形成均匀混合物；硝酸铵溶于水虽然要吸热，它却能够自发地向水中扩散；相互接触的固体物质体系，经过长期放置后，原子或分子通过扩散而进入到另一种固体中。(这种现象可以作为纯物质难保存的最本质的解释)。b.熵：在密闭条件下，体系由有序转变为无序的倾向，这种推动体系变化的因素称为熵。c.同一物质，在气态时熵值最大，液态次之，固态最小。(3)能量判据和熵判据的应用能量判据：放热过程常常容易进行；熵判据：熵增的过程是自发过程。在较多情况下，简单的仅用一个判据判断同一个反应，可能得出相反的判断结果。因此，由能量判据和熵判据组合的复合判据将更合适所有的过程。凡是能使反应体系能量降低、上增大的反应方向，就是化学反应容易进行的方向。过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。如涂有防腐漆和未涂防腐漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现；装在气球中的气体和打开阀门后的气球中的气体一样，都有自发地进入大气并和大气混合均匀的自发性，但是只有后者可以实现。7.氮的固定将空气中游离的N2分子转化为含氮化合物的反应叫“固氮反应”，主要的固氮反应有：(1)生物固氮：是一种主要的自然固氮反应。如植物在根瘤菌作用下直接吸收空气中的N2转化为氨等，进一步合成蛋白质。(2)自然固氮：如闪电产生的巨大电压，其电火花可以击破氮分子的三键，促使其与氧气反应生成NO