202X高中化学第一单元走进化学工业1.2人工固氮技术——合成氨课件新人教版选修2

1、课题2人工固氮技术合成氨1.能记住工业合成氨的根本原理、根本生产过程以及合成氨工能记住工业合成氨的根本原理、根本生产过程以及合成氨工业的开展。业的开展。2.能记住工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法能记住工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法,能说出合成能说出合成氨原料气循环利用的原理和重要意义。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。能说出工业合成氨与环境的关系。一二三一、合成氨的反响原理1.反响的化学方程式工业合成氨反响的化学方程式:N2+3H2 2NH3。2.反响的特点(1)可逆反响;(2)放热反响;(3)气体分子总数减小的反响。3.适宜化工生产条件的选择温度:

2、400500 ;压强:1030 MPa;催化剂:以铁为主的催化剂。 一二三合成氨反响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响速率。合成氨方案的主要优点:反响物较易获得,通过改变反响条件可以提高氨的产率。一二三二、合成氨的根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:将空气液化后蒸发别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、C

3、O2、O2、H2S等少量气体。为什么对原料气进展净化?提示合成氨需要纯洁的氮气和氢气。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.氨的合成与别离氨的合成与别离(1)氨的合成氨的合成:净化后的原料气进入氨合成塔净化后的原料气进入氨合成塔,在高温、高压和催在高温、高压和催化剂作用下合成氨。化剂作用下合成氨。(2)氨的别离氨的别离:从合成塔出来的混合气体通过冷凝器使氨液化从合成塔出来的混合气体通过冷凝器使氨液化,从从而将氨别离出来。而将氨别离出来。合成塔出来的混合气体中约含15%(体积分数)的氨,别离出氨后为什么要进展循环操作?提示合成氨反

4、响转化率低,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、降低本钱;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、合成氨工业的开展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H2S;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.合成氨反响的特点H-TS=-46.1 kJmol-1-298 K(-99.510-3 kJK-1mol-1)=-16.45 kJmol-10常温下,合成氨

5、反响能自发进展,所以合成氨的反响特点:所有的反响物和生成物都是气态,且该反响为可逆反响;气体物质的量减少的熵减反响;该反响的正反响是放热反响。 一二三2.合成氨工业要求合成氨工业要求(1)反响要有较大的反响速率反响要有较大的反响速率;(2)要最大限度地提高平衡混合物中要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。的含量。3.工业合成氨最正确条件的选择工业合成氨最正确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。理论和实际。一二三一二三综上可知,要使合成氨的化学反响具有理想的反响速率和反响物的平衡转化率,应掌握合成氨化学反响本身的特点

6、,运用化学反响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、工业生产对化学反响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、1030 MPa的压强和铁触媒的组合是合成氨的最正确条件。特别提醒为了提高合成氨生产的综合经济效益,还有三点是不可无视的:使原料气中n(N2) n(H2)1 3;将从反响混合物中别离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用;及时将NH3从平衡混合物中别离出来。一二三二、合成氨的生产工艺1.关键设备合成塔。2.工艺流

7、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,蒸发别离出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、工艺、能耗、本钱、环境等重要因素。由电解水制氢气,电能消耗大,本钱高,不适于制取大量的氢气。

8、知识点1知识点2合成氨适宜条件的分析【例题1】 以下有关合成氨工业的表达,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响C.500 左右比室温更有利于合成氨的反响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响正向移动;选项C中高温不利于合成氨,只能加快反响速率,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题,不能用于解释化学反响速率问题。(2)催化剂可以同等程度地加快正逆反响速率,所以使

9、用催化剂可以改变反响速率但不会影响化学平衡。知识点1知识点2合成氨的根本生产过程【例题2】 工业合成氨是在一定条件下进展的可逆反响:知识点1知识点2请答复以下问题:(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)工业合成氨反响后可以通过降低混合气体的温度而使氨气别离出来。这种别离物质的方法的原理类似于以下哪种方法?(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,如果漏气那么会有白烟生成。该反响的化学方程式为 。 知识点1知识点2解析：(2)原料气中往往含

10、有使催化剂中毒的物质,所以在原料气进展反响前,需要除掉其中的杂质;工业合成氨反响后的混合气体中既有氨气,也有未反响的氢气、氮气,所以为了提高原料气的利用率,将未反响的原料气进展重新利用,这样可以提高经济效益。(3)降低温度,氨变为液态,从而进展别离,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别离。(4)2NH3+3Cl2 N2+6HCl,生成的HCl又与NH3反响生成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,到达别离的目的(4)8NH3+3Cl2 6NH4Cl+N2知识点1知识

11、点2点拨在合成氨反响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响。为了充分利用原料,要把氨及时别离出来,使未反响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工业上用氢气和氮气合成氨,氢气的主要来源是氢气的主要来源是()A.水和燃料水和燃料B.电解水电解水C.锌和稀硫酸锌和稀硫酸 D.液化空气液化空气解析：解析：B、C项生产项生产H2本钱太高本钱太高,不符合实际不符合实际;D项空气中不含有项空气中不含有H2,通过液化得不到通过液化得不到H2。答案：答案：A1 2 3 4 52如图是合成氨的简要流程示意图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

12、质是路线上送回合成塔的物质是()A.催化剂催化剂2和和H2C.只有只有N2D.只有只有H2解析：工业上将未反响的解析：工业上将未反响的N2、H2通过循环压缩机送回合成塔循通过循环压缩机送回合成塔循环利用。环利用。答案：答案：B1 2 3 4 53合成氨反响的正反响是气体分子数减小的放热反响合成氨反响的正反响是气体分子数减小的放热反响,合成氨工业合成氨工业的工艺流程如下的工艺流程如下:以下关于合成氨工业的说法中不正确的选项是()A.混合气进展循环利用遵循绿色化学思想B.合成氨反响需在低温下进展C.对原料气进展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响制得解析：合成氨反响虽

13、是放热反响,但是温度较低时,反响速率太慢,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合成氨工业采取的以下措施中合成氨工业采取的以下措施中,不能用勒夏特列原理解释的是不能用勒夏特列原理解释的是()1030 MPa500 的高温铁触媒作催化剂将生成的高温铁触媒作催化剂将生成的氨液化并及时从体系中别离出来的氨液化并及时从体系中别离出来,未反响的未反响的N2、H2循环到合成循环到合成塔中塔中A.B.C.D.解析：对于反响解析：对于反响N2+3H2 2NH3,中增大压强可使平衡中增大压强可使平衡向正反响方向移动向正反响方向移动;中高温不利于反响物转化率的提高中高

14、温不利于反响物转化率的提高,只能加只能加快反响速率快反响速率;中催化剂不影响化学平衡中催化剂不影响化学平衡;中及时别离出中及时别离出NH3和和将未反响的将未反响的N2、H2循环到合成塔中循环到合成塔中,使平衡向正反响方向移动。使平衡向正反响方向移动。答案：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,完成以下填空:(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,假设有n mol Fe2O3H2O转化,那么反响掉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。其电解总反响方程式(忽略氧气的氧化复原)为。 1 2 3