高中化学 2.1 氨的合成相关素材 苏教版选修2

氨的合成氨的合成是一个后续过程。任务是在适当的温度、压力和催化剂的存在下将精制的氨-氮混合物直接合成氨。然后将生成的气体氨与未合成氨的混合气体冷凝分离，得到产品液氨，氨分离后的白色氢氮气循环使用。冷凝分离得到产品液氨，氨分离后回收氢气和氮气。第一节氨合成的基本理论一、氨合成反应的特点3H2 N2=2NH3 Q(1)是可逆反应。也就是说，当氢和氮反应生成氨时，氨也分解成氢和氮。(2)是放热反应。氨生成时释放热量，反应热与温度和压力有关。(3)这是一个体积缩小的反应。(4)反应需要催化剂来快速进行。二、氨合成反应的化学平衡1.平衡常数：温度降低，压力增加2.平衡氨含量当反应达到平衡时，混合气体中氨的百分比称为平衡氨含量，或氨的平衡产率。不参与氨合成反应的氢氮混合气体中所含的甲烷和氩气等气体成分称为惰性气体。提高平衡氨含量的措施是降低温度，增加压力，保持氢氮比等于3，降低惰性气体含量。三。氨合成动力学(a)反应机制在催化剂的作用下，氢气和氮气生成氨气的反应是一种多相气体催化反应。由以下步骤组成：(1)气体反应物扩散到催化剂的外表面；(2)反应物从催化剂的外表面扩散到毛细管孔的内表面；(3)气体被催化剂表面(主要是内表面)主动吸附(与普通吸附不同的是，涉及化学力并释放热量)；(4)吸附的气体在催化剂表面发生化学反应生成产物；(5)从催化剂表面解吸产物；(6)解吸的产物从催化剂孔扩散到外表面；(7)产物从催化剂的外表面扩散到气相主流。在上述七个步骤中，(1)和(7)是外部扩散过程；(2)和(6)是内部扩散过程；(3)、(4)和(5)统称为化学动力学过程。第二，反应速度反应速度表示为单位时间内反应物质浓度的降低或生成物质浓度的增加。影响氨合成反应速度的因素；1.压提高压力可以加速氨的生产，并迅速增加气体中的氨含量。2.温度随着温度的升高，反应速度明显加快。第二节氨合成催化剂有许多物质可以用作氨合成催化剂，例如铁、铂、锰、钨和铀。然而，铁基催化剂因其原料广泛、价格低廉、低温活性好、抗毒能力强、使用寿命长等优点而被广泛应用。一、催化剂的组成和性能1.还原前催化剂的化学组成和功能铁催化剂在还原前以氧化铁的形式存在。其主要成分是氧化铁(Fe2O3)和氧化亚铁(FeO)。此外，催化剂中还加入了各种促进剂。(1)氧化铁的组成(2)促进剂的组成和作用促进剂也称为助催化剂。它没有催化活性，但是当加入到催化剂中时，它可以改善催化剂的物理结构，从而提高催化剂的活性。在氨合成的铁催化剂中，常用于氨合成的催化剂添加剂包括氧化铝(A12O3)、氧化钾(K2O)、氧化钙(CaO)等。二。催化剂的还原和钝化1.催化剂的还原(1)催化剂还原反应原理催化剂中的氧化铁不能加速氨合成反应，必须还原成活性铁才能具有催化活性。常用的还原方法是将制备好的催化剂放入合成塔中，通入氢氮混合气体，通过氢气将催化剂中的氧化铁还原成金属铁。费奥H2菲H2O-克Fe2O3 3H2=2Fe 2H2O-Q催化剂的还原程度用perce表示还原后的活性铁遇到空气时会发生强烈的氧化反应，释放的热量会使催化剂烧结失活。钝化方法是将压力降至0.5-1兆帕，温度降至50-80度，用氮气置换系统后逐渐引入空气，使氮气中的氧含量为0.2-0.5%。三、催化剂中毒和老化1.催化剂中毒尽管进入转化器的新鲜混合气体已被净化，但它仍含有微量有毒气体，导致催化剂缓慢中毒并降低其活性。2.催化剂老化长期使用后，催化剂的活性和生产能力将逐渐降低。这种现象被称为催化剂老化。催化剂中毒和老化几乎是不可避免的，但选择耐热性好、气体质量好、运行稳定的催化剂可以大大延长催化剂的使用寿命。第三节氨合成操作条件的选择合成氨生产工艺条件必须满足高产率、低消耗定额、工艺流程和设备结构简单、操作方便、安全可靠等要求。决定生产条件的最重要因素是压力、温度、空速、气体组成和催化剂等。I .压力在一定空速下，合成压力越高，出口处的氨浓度越高，净氨值(转化器入口和出口处的氨含量之差)越高，转化器的生产能力就越大。氨合成系统的能耗主要包括原料气压缩功、循环气压缩功和氨分离制冷功。生产实践证明，当操作压力为20 35兆帕时，总能耗相对较低。二。温度在一定的生产条件下，某一催化剂的氨产率最高的温度称为最适宜温度。最佳温度还与空速、压力等有关。生产实践表明，氨合成操作温度控制在470 520更为合适。第三，空间速度当操作压力、温度和入口气体的组成不变时，空速增加，净氨值降低。由于氨净值的减少小于空速的增加倍数，氨合成生产强度和氨产量随着空速的增加而增加。四、合成塔入口气体组成转化器入口处的气体成分包括氢氮比、惰性气体含量和初始氨含量。在生产中，进入塔内循环气体的氢氮比宜控制在2.52.9。由于在氨合成过程中氢氮比以3: 1消耗，补充的新鲜气体的氢氮比应控制在3，否则循环系统中过量的氢或氮将累积，导致循环气体的氢氮比不平衡。第四节，氨合成工艺一、合成氨的基本工艺步骤(a)气体压缩和除油(2)气体的预热和合成(3)氨的分离合成塔出口气体的氨含量一般为10-20%，因此氨被分离。1.吸水法2.冷凝该方法降低合成气的温度，将其气态氨冷凝成液态氨，然后在氨分离器中将其与未冷凝的气体分离。目前，冷却法主要用于分离循环气体中的氨。在氨冷凝过程中，当液氨在“储罐气体”中时，部分氢气、氮气和惰性气体溶解在液氨中。(4)气体循环氢氮混合物通过氨转化器后，只有一小部分被合成为氨。氨分离后，剩余的氢气和氮气除少量放空以降低惰性气体含量外，大部分与新鲜原料气合并后返回合成塔进行氨合成，从而形成循环法生产工艺。(5)惰性气体的消除氨合成循环系统中的惰性气体通过三种方式带出：1.一小部分从系统中泄漏；2.少量溶解的液氨被带走；3.它们中的大部分被排出，即间歇地或连续地从系统中排出。排气位置应该是在氨已经被大量分离之后和添加新鲜气体之前。(6)循环素3.反应前预热氢氮混合物，预热高压锅炉给水反应结束后，高温气体首先通过塔内换热器预热反应前的氢氮混合物，然后通过塔外换热器预热高压锅炉给水。二、氨合成工艺由于压缩机类型、操作压力、氨分离和冷凝阶段、热能回收形式和各部分相对位置的不同，氨合成工艺流程也是相同的。操作压力为600 100兆帕，中压法为20 40兆帕。大约10兆帕被称