第一单元氨的合成_选修IB

1、 弗里茨弗里茨.哈伯与合成氨 德国以德国以哈伯哈伯为首的一批化学家克服了当时的世界化为首的一批化学家克服了当时的世界化 学难题学难题以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的化工原以廉价的空气、水和煤炭合成了重要的化工原 料料: :氨氨（NH3） 合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约合成氨从第一次实验室研制到工业化投产经历了约 150150年的时间。德国科学家哈伯在年的时间。德国科学家哈伯在1010年的时间内进行了无年的时间内进行了无 数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，数次的探索，单是寻找高效稳定的催化剂，2 2年间他们就年间他们就 进行了多达进行了多达65006500次试验，测试了次试验

2、，测试了25002500种不同的配方，最后种不同的配方，最后 选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在选定了一种合适的催化剂，使合成氨的设想在19131913年成为年成为 工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于工业现实。鉴于合成氨工业的实现，瑞典皇家科学院于 19181918年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。年向哈伯颁发了诺贝尔化学奖。 问题问题33分析合成氨的反应特点，考虑合成氨适宜条件？分析合成氨的反应特点，考虑合成氨适宜条件？ N N2 2(g) + 3H(g) + 3H2 2(g) 2NH(g) 2NH3 3(g)(g)；H H = -92.4kJ = -92.4kJmolmol-

3、1 -1 可逆反应、正反应为放热反应、正反应是缩体反应可逆反应、正反应为放热反应、正反应是缩体反应 讨论：讨论：根据外界条件对化学反应速率的影响，说明根据外界条件对化学反应速率的影响，说明 要使合成氨的化学反应速率增大，应该采取哪些方法，要使合成氨的化学反应速率增大，应该采取哪些方法， 并说明理由。并说明理由。 讨论：讨论：根据外界条件对化学平衡的影响，说明要提根据外界条件对化学平衡的影响，说明要提 高平衡混合物中高平衡混合物中NHNH3 3的含量，应该采取哪些方法，并的含量，应该采取哪些方法，并 说明理由？说明理由？ 一、合成氨反应条件的选择一、合成氨反应条件的选择 综合分析综合分析：分别从

4、化学反应速率和化学平：分别从化学反应速率和化学平 衡两个角度分析合成氨的适宜条件。衡两个角度分析合成氨的适宜条件。 高高 温温 高高 压压 使使 用用 高高 压压 低低 温温 无无 影影 响响 合成氨对压强的选择合成氨对压强的选择 思考：工业上合成氨，是否压强越大越好？思考：工业上合成氨，是否压强越大越好？ 分析：分析： 压强过大压强过大 1 1、对材料的强度和设备的制、对材料的强度和设备的制 造要求也就越高；造要求也就越高； 2 2、技术要求也就越高；、技术要求也就越高； 降低综合降低综合 经济效益经济效益 结论：结论：一般采用的压强：一般采用的压强：20 MPa 50 MPa 合成氨对温度

5、的选择合成氨对温度的选择 结论：结论：使用催化剂，温度控制在使用催化剂，温度控制在450450左右左右 压强一定，温度升高，虽能增大合成氨的速率，压强一定，温度升高，虽能增大合成氨的速率， 但会降低平衡混合物中但会降低平衡混合物中NHNH3 3的含量。的含量。 思考：如何使氨的合成在较低的温度下也能保持思考：如何使氨的合成在较低的温度下也能保持 相对较大的反应速率？相对较大的反应速率？ 反应速反应速 率加快率加快 “铁触媒” 在在450450左右时催化的能力最大左右时催化的能力最大 降低反应降低反应 所需的最所需的最 小能量小能量 、 使用催使用催 化剂化剂 、 思考：在思考：在500500和

6、和30MPa30MPa下，合成氨平衡混合物中下，合成氨平衡混合物中NHNH3 3的的 体积分数也只有体积分数也只有26.4%26.4%，请问如何提高氨气的产量？，请问如何提高氨气的产量？ 措施：措施：1、液化氨气，从平衡混合物中分离出来。、液化氨气，从平衡混合物中分离出来。 2 2、循环利用原料气并不断补充、循环利用原料气并不断补充N N2 2和和H H2 2，使反，使反 应物保持一定浓度。应物保持一定浓度。 合成氨的适宜条件合成氨的适宜条件 采取循环操作：采取循环操作：不断补充氮气和氢气并及不断补充氮气和氢气并及 时液化分离出氨，并将余下时液化分离出氨，并将余下N N2 2、H H2 2送回

7、合送回合 成塔，以提高原料的利用率。成塔，以提高原料的利用率。 使用催化剂：使用催化剂：铁触媒铁触媒 选择合适的温度：选择合适的温度：450左右左右 选择合适的压强：选择合适的压强：20 MPa-50 MPa 二、合成氨原料气制备二、合成氨原料气制备 问题问题11设计两种方法从空气中获得设计两种方法从空气中获得氮气氮气？ (1)(1)物理方法：液化空气，再利用物理方法：液化空气，再利用N N2 2的沸点比的沸点比O O2 2低，蒸低，蒸 馏出馏出N N2 2-氮气的沸点低先汽化。氮气的沸点低先汽化。 (2)(2)化学方法：将空气依次通过化学方法：将空气依次通过NaOHNaOH溶液、浓硫酸、溶液

8、、浓硫酸、 灼热的铜网，除去灼热的铜网，除去COCO2 2、水和、水和O O2 2，得到较纯净的，得到较纯净的N N2 2。 问题问题22写出工业上制取水煤气的化学方程式。现代工写出工业上制取水煤气的化学方程式。现代工 业常用石油工业中的碳氢化合物与水在催化剂作用下制业常用石油工业中的碳氢化合物与水在催化剂作用下制 取氢气和取氢气和COCO，试写出丙烷与水反应的化学反应方程式。，试写出丙烷与水反应的化学反应方程式。 C + HC + H2 2O CO + HO CO + H2 2 CO + H CO + H2 2O COO CO2 2 + H + H2 2 CHCH4 4 + H + H2 2

9、O = CO + 3HO = CO + 3H2 2 C C3 3H H8 8 + 3H + 3H2 2O = 3CO + 7HO = 3CO + 7H2 2 合成氨原料气的制备合成氨原料气的制备 （1）氮气的得到）氮气的得到 空气空气 压缩压缩 降温降温 液态空气液态空气 蒸发蒸发 N2（O2后逸出）后逸出） 赤热的炭层赤热的炭层 CO2N2 除去除去CO2 N2 （2）氢气的得到）氢气的得到 水蒸气水蒸气 赤热的炭层赤热的炭层 或碳氢化合物或碳氢化合物 COH2 H2O（g） CO2H2 催化剂催化剂 除除CO2 H2CH2OCOH2 高温高温 COH2OCO2H2 高温高温 催化剂催化剂

10、三、合成氨的生产工艺三、合成氨的生产工艺 考虑：为什么氮、氢混合气体送入合成塔前要进行压缩？考虑：为什么氮、氢混合气体送入合成塔前要进行压缩？ 达到一定压强既有利于反应速率又能保证其转化程度达到一定压强既有利于反应速率又能保证其转化程度 考虑：冷凝的作用是什么？合成氨工业有无尾气考虑：冷凝的作用是什么？合成氨工业有无尾气？ 问题问题 对照氨合成塔说明原料气对照氨合成塔说明原料气 在合成塔中的流向，并说明热交在合成塔中的流向，并说明热交 换器的作用。换器的作用。 把反应时生成的热，传把反应时生成的热，传 递给需要预热的气体，并冷递给需要预热的气体，并冷 却反应生成的气体却反应生成的气体 问题问题

11、 工业上从上而下将催化工业上从上而下将催化 剂分成四层，在层与层之间冷剂分成四层，在层与层之间冷 激气（冷的原料气）和反应气激气（冷的原料气）和反应气 混合。这样设计的原因是什么？混合。这样设计的原因是什么？ 及时降低反应混合物及时降低反应混合物 的温度，提高反应物的浓的温度，提高反应物的浓 度，提高氨气的产率。度，提高氨气的产率。 温度较低气体甲温度较低气体甲 热气体乙热气体乙 热交换原理：热交换原理： 一种流体在管道内流一种流体在管道内流 动，另一种流体在管动，另一种流体在管 道外流动。两种流体道外流动。两种流体 通过管壁进行热交换通过管壁进行热交换。 冷的流体被加热；冷的流体被加热； 热

12、的流体被冷却。热的流体被冷却。 冷气体乙冷气体乙 合成氨的实地照片合成氨的实地照片 三、合成氨的生产工艺三、合成氨的生产工艺 空气空气 压缩压缩 降温降温 液态空气液态空气 蒸发蒸发 N2（先逸出）（先逸出） 炭炭 CO2N2 除去除去CO2 N2 H2O(g) 赤热炭赤热炭 或其他燃料或其他燃料 COH2 H2O(g) 催化剂催化剂 CO2H2 除去除去CO2 H2 原料：原料： 空气、水、燃料空气、水、燃料 CH2O(g)COH2 高温高温 COH2O(g) CO2H2 催化剂催化剂 原料气的制备原料气的制备 净化净化 压缩压缩 (防止催化剂中毒防止催化剂中毒) 合成合成 分离分离 液氨液

13、氨 N2、H2(循环操作循环操作) 合成氨的生产工艺合成氨的生产工艺 问题问题 合成氨生产得到的氨可以直接用途肥料，合成氨生产得到的氨可以直接用途肥料， 也可用来生产硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵。试写也可用来生产硫酸铵、硝酸铵、碳酸氢铵。试写 出有关化学反应方程式。工业上用氨的催化氧化出有关化学反应方程式。工业上用氨的催化氧化 来制取硝酸，试写出有关化学反应方程式。来制取硝酸，试写出有关化学反应方程式。 NH3 NO NO2 HNO3 催化剂催化剂 4NH3 + 5O2 = 4NO + 6H2O 2NO + O2 = 2NO2 3NO2 + H2O = 2HNO3 + NO 硫酸生产发展简史硫酸生

14、产发展简史 1.1.一千多年前的波斯人用煅烧绿矾（一千多年前的波斯人用煅烧绿矾（FeSOFeSO4 4.7H.7H2 2O)O)方法制硫酸当方法制硫酸当 时的人称之为时的人称之为“矾油矾油”反应过程可以表示为：反应过程可以表示为： 煅烧煅烧 2（FeSO4.7H2O) =Fe2O3 + SO2 + SO3 + 14H2O 2.17402.1740年英国人在陶器中加热硫磺和硝酸的混合物制硫酸后来年英国人在陶器中加热硫磺和硝酸的混合物制硫酸后来 在此基础上发展起来的各种方法都叫做硝化法。反应过程可以在此基础上发展起来的各种方法都叫做硝化法。反应过程可以 表示为：表示为： NO2 +SO2 = NO

15、 + SO3 SO3 + H2O = H2SO4 3.18313.1831年英国人又发明了接触法。目前，硫酸有年英国人又发明了接触法。目前，硫酸有80%80%以上都是以上都是 用这种方法生产。用这种方法生产。 4.4.我国在我国在18671867年上海建成第一座硫酸厂。到年上海建成第一座硫酸厂。到19491949年产仅年产仅4 4万吨，万吨， 而到而到19841984年时我国的硫酸产量就已达到年时我国的硫酸产量就已达到817.16817.16万吨。万吨。 一、工业制硫酸的理论分析一、工业制硫酸的理论分析 接触法制硫酸的反应原理是接触法制硫酸的反应原理是:用硫磺或黄铁矿、石膏、有色金属用硫磺或黄

16、铁矿、石膏、有色金属 冶炼厂的含二氧化硫烟气等作原料制取冶炼厂的含二氧化硫烟气等作原料制取二氧化硫二氧化硫，使二氧化硫在，使二氧化硫在 适当的温度和催化剂的作用下氧化成适当的温度和催化剂的作用下氧化成三氧化硫三氧化硫，再使三氧化硫跟，再使三氧化硫跟 水化合生成水化合生成硫酸硫酸。 说明：说明：1.选择制取要硫酸的原料从实际出发选择制取要硫酸的原料从实际出发,世界上主要用硫磺作原料世界上主要用硫磺作原料,而我国而我国 主要用黄铁矿作原料主要用黄铁矿作原料. 2.SO2跟氧气是在催化剂的表面接触时起反应的跟氧气是在催化剂的表面接触时起反应的,接触法的名称即由此而得接触法的名称即由此而得. FeSF

17、eS2 2HH2 2SOSO4 4SOSO3 3SOSO2 2 1、造气造气 2、接触氧化接触氧化 3、三氧化硫的吸收三氧化硫的吸收 接触法制硫酸的工业流程接触法制硫酸的工业流程1 1：造气造气 考虑考虑1 1：为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？：为什么要将黄铁矿粉碎成细小矿粒？ 4FeS 4FeS2 2 + 11O + 11O2 2 = 2 Fe = 2 Fe2 2OO3 3 +8SO +8SO2 2 高温高温 粉碎的黄铁矿粉碎的黄铁矿 鼓入强大空气流鼓入强大空气流 沸腾炉沸腾炉 二、工业二、工业 流程分析流程分析 考虑考虑2 2：从沸腾炉中出来的气体叫做炉气从沸腾炉中出来的气体叫做炉气。试分

18、析黄铁。试分析黄铁 矿燃烧后炉气中含有哪些物质？矿燃烧后炉气中含有哪些物质？ SO2、O2、N2、 水蒸气以及一些水蒸气以及一些 杂质，如杂质，如As、Se 等的化合物和矿等的化合物和矿 尘等等。尘等等。 洗涤洗涤 干燥干燥 除尘除尘 SOSO2 2、OO2 2、N N2 2 容易使催化剂中毒容易使催化剂中毒 腐蚀设备，影响生产腐蚀设备，影响生产 2SO2SO2 2+O+O2 2 2SO 2SO3 3 ； ；H= -196.6kJ/molH= -196.6kJ/mol 讨论：讨论： 根据反应速率和化学平衡理论根据反应速率和化学平衡理论, ,考虑综合经考虑综合经 济效益，你认为采取哪些措施济效益

19、，你认为采取哪些措施( (催化剂、浓度、温度、催化剂、浓度、温度、 压强压强) )可以提高可以提高SOSO2 2的利用率的利用率? ? 浓度浓度：增大廉价原料的用量以增大廉价原料的用量以增大增大OO2 2的浓度的浓度，可以提高，可以提高 SOSO2 2的利用率，从而降低生产成本。的利用率，从而降低生产成本。 温度温度：从平衡角度看，此反应在较低温度下进行最为有利，从平衡角度看，此反应在较低温度下进行最为有利， 但温度低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益但温度低时催化剂活性不高，反应速率低，从综合经济效益 考虑，对生产不利。故在实际生产中，选定考虑，对生产不利。故在实际生产中，选定45

20、0450左右。左右。 压强压强：考虑到加压对设备的要求高，投资大和能耗大，且考虑到加压对设备的要求高，投资大和能耗大，且 常压下常压下400-500400-500时，时，SOSO2 2的转化率已经很高，从综合经济的转化率已经很高，从综合经济 效益考虑，在实际生产中，通常效益考虑，在实际生产中，通常采用常压操作采用常压操作。并不加压。并不加压。 V V2 2OO5 5 接触法制硫酸的工业流程接触法制硫酸的工业流程2 2：接触氧化接触氧化 二、工业二、工业 流程分析流程分析 接触室 热交换器热交换器 催化剂催化剂 考虑：考虑：SO2的接触氧化需在的接触氧化需在450450条件下进行：条件下进行：

21、反应前要把低温的炉气预热到这个温度？反应前要把低温的炉气预热到这个温度？ 该反应放热，环境温度会升高，不利于该反应放热，环境温度会升高，不利于SOSO3 3生成？生成？ 沸腾炉 接触室 沸腾炉 SO2、N2、 O2 ； 45%）的矿渣，经处理后可以炼铁、制造）的矿渣，经处理后可以炼铁、制造 硫酸铁、氧化铁红颜料等产品。硫酸铁、氧化铁红颜料等产品。 可用石灰乳中和处理可用石灰乳中和处理 废水中主要含有少量硫酸、废水中主要含有少量硫酸、 氟化物、铁离子、铅离子等。氟化物、铁离子、铅离子等。 形成的氢氧化铁絮状沉淀可吸收重金属离子。形成的氢氧化铁絮状沉淀可吸收重金属离子。 四、硫酸工厂厂址选择四、硫

22、酸工厂厂址选择 （一）生产规模：现代化工生产应有较大生产规模。（一）生产规模：现代化工生产应有较大生产规模。 （二）厂址选择原则：（二）厂址选择原则： 4、是否接近原料供应地、是否接近原料供应地 2、土地供应是否充足、土地供应是否充足 5、水源是否充足、水源是否充足6、能源是否充足且价廉、能源是否充足且价廉 3、交通运输是否方便、交通运输是否方便 1、是否有市场需求、是否有市场需求 7、能否达到环境保护要求等诸多因素、能否达到环境保护要求等诸多因素 硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，需要随产随销；硫酸是腐蚀性液体，不便贮存和运输，需要随产随销； 硫酸的运输费比较高，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费硫酸的运输费比较高，因此要求把硫酸厂建在靠近硫酸消费 中心的地区。中心的地区。 工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少来工厂规模的大小，主要由硫酸用量的多少来 决定。决定。硫酸厂对环境污染比较严重，选址应避开人口稠密硫酸厂对环境污染比较严重，选址应避开人口稠密 的居民区和环境保护要求高的地区。的居民区和环境保护要求高的地区。 2SO2(g) + O2(g) 2SO3(g) +放热放热,试回答下列问题：试回答下列问题： 增大廉价原料的用量以增大增大廉价原料的用量以增大O O2 2的浓度，可以提的浓度，可以提 高高SOSO2 2的利用率，从而降低生产成本。的利用