河南省荥阳三中2015-2016学年高中化学走进化学工业(第4课时)《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》

第4课时合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展教学设计【学习目标】认识合成氨生产的一般流程和反响原理、反响条件。认识实验研究与实质生产之间的转变。认识合成氨的发展认识合成氨工业的三废办理。【重点难点】合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义利用所学的化学反响速率和化学平衡理论讲解合成氨中的相关问题。课前预习【情况资料】在让合成氨的工艺走出实验室实验工业化学生产的过程中，德国化学工程师博施作出了重要贡献，他经过大量试验，找到较为理想的铁催化剂，设计并建筑了能够耐高温、高压的合成氨装置。1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验厂，1913年，又建立了生产规模的合成氨厂。今后今后，合成氨工业便迅速发展起来。工业上是如何合成氨的？【预习内容】依照教材相关内容填写以下空白：一、合成氨的基本生产过程合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤：、、。原料气的制备氮气的制备①物理方法：②化学方法：将空气中的氧气与作用生成，再除掉。氢气的制备①碳与水蒸气的反响，用方程式表示为：

。②水蒸气与碳氢化合物的反响，用方程式表示为：

，。2.原料气的净化(1)含义：原料气的净化是指(2)净化方法①H2S的除掉，用方程式表示为：

，目的是；

。②CO的除掉，用方程式表示为：

；③CO2的除掉，用方程式表示为：

。3.氨的合成与分别(1)氨的合成：将净化后的原料气加压送进(2)从合成塔出来的混杂气体，其中氨气占整体积的

，在合适条件下充分反响制取氨。15%，要把混杂气体经过

使氨液化，再导入

。二、合成氨工业的发展原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自，现在氢气主要经过不同样的态可燃物（煤和焦炭）、态可燃物（石油提炼后的石脑油、重油）、态可燃物（天然气、焦炉气）为原料。2.催化剂的改进多年来素来用

作催化剂，目前有采用

为基础活性物质的新式催化剂。3.环境保护(l)废渣：可用作

的原料。(2)废气：主若是

和等有害气体，对H2S的办理，先后采用直接

法（选择性催化氧化）、

法（用溶剂吸取浓缩，CO2也可用来生产和

等。(3)废液：主若是含

和含

的污水，办理含氰化物主要用

、加压

、

分解、

、积淀、

回炉等方法；办理氨废水可用的方法回收氨气，也可用治理。预习内容答案一、造气(制备合成氨的原料气)；净化(原料气净化办理)；合成(使原料气进行化学反响合成氨)。高温1.液态空气液氮液氧碳二氧化碳二氧化碳C＋H2O=====CO＋H2高温高温CH4＋H2O=====3H2＋COCH＋HO=====4H＋CO4222催化剂2.除掉原料中杂质的过程防范催化剂中毒催化剂H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2OCO＋H2O=====CO2＋H2△KCO＋CO＋HO=2KHCO232233.合成塔冷凝器液氨贮罐二、1．空气固液气2．磁铁矿钌3．(1)建材和肥料(2)H2SCO2氧化循环尿素碳铵(3)氰化物氨生化水解氧化化学反吹蒸馏离子交换法堂中互动【问题研究1】合成氨的原料气是如何制备的？【教师点拨】原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因从素。解析解答:制备合成氨的原料气氮气：合成氨所需要的氮气都取自空气。从空气中制取氮气平时有两种方法：一是将空气液化后蒸发分别出氧气而获得氮气；另一是将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳，再除掉二氧化碳获得氮气。氢气：氢气则本源于水和碳氢化合物。能够将水蒸气经过赤热的煤发生化学反响生成一氧化碳和氢气：C＋H2OCO＋H2。【即学即练1】合成氨所需的原料是()①水②空气③焦炭④铁触媒A.①②B.②③C.①②③D.全部

(或焦炭

)层，使水蒸气与碳1.C【解析】铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。【问题研究2】原料气在合成氨从前为何进行净化？如何净化？氨的合成与分别是如何进行的？【教师点拨】①一氧化碳的变换拥有重要的意义：一是提高了燃料的利用率和氢气的产率；二是解决了氢气中的杂质难以除掉的问题。②在原料气净化的最后，还要将原料气作精制办理使杂质的含量减少到最低程度。常用的方法之一是用醋酸、铜和氨配成的溶液来吸取H2S、CO、CO2、O2等杂质。③将氨从反响混杂物中分别出来，利用的原理是氨易液化，氮气和氢气难液化，采用的方法是将混杂气体经过冷凝器使氨液化。循环操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；从工艺设计以及环境保护角度来说，循环操作有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制荒弃物的排放，因此，循循环操作常常成为化学工艺设计时重点考虑的问题。解析解答：原料气的净化①对原料气净化的原因：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”，因此必定除掉，这一过程称为原料气的净化。②吸取H2S：用稀氨水吸取H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。③除掉CO：制造原料气过程中产生的CO必定变成CO2除掉。工业生产中在催化剂(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳能够与水蒸气反响生成二氧化碳和氢气：CO＋H2O=CO2＋H2，生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸取：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。④精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸取CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制办理。为了使氨从没有反响的氮气和氢气里分别出来，要把混杂气体经过冷凝器使氨液化，尔后在气体分别器里把液态氨分别出来导入液氨贮罐。由气体分别器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反响。【即学即练2】以下列图是合成氨的简要流程表示图：(1)写出所含主要物质的化学式：A___________，B_________，C__________，D_________。(2)写出设备名称：D____________，E_________。2.(1)A.N2、HB.NH3C.N2、HD.NH3、N、H2222(2)合成塔分别器【解析】合成氨的过程是将原料气(氮气、氢气)压缩后送入合成塔内进行反响，尔后冷却，在分别器的作用下，将液氨分别出来，节余的气体(氮气和氢气)再进入合成塔内合成，这样循环利用，可提高产率。【问题研究3】结合生产是指在整个生产过程中生产多种产品。依照合成氨的生产过程，请举例说明合成氨工业能够进行哪些结合生产或深加工？【教师点拨】结合生产能够使原料、产品等物料获得充分的利用，减少物流交通所耗费的人力、物力，降低产品的成本。能够实现能量和设备等资源、技术的共享，也是绿色化学工艺改进的一条重要思路。解析解答：从经济角度，结合生产有可能实现大规模生产，以求得规模效益和综合效益的最大化。比方，合成氨与硝铵、碳铵等氮肥生产：的结合，石油精髓厂与合成冲洗剂厂的结合生产等。【即学即练3】氨在公民经济中占有重要的地位。现在约有80%的氨用来制造化肥，其他的用作生产其他化工产品的原料。比方，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混杂肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。(1)对于合成氨的反响来说，使用催化剂和施以高压，以下表达中正确的选项是

(

)A.都能提高反响速率，都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态所用时间，只有压强对化学平衡状态有影响D.催化剂能缩短反响达到平衡状态所用时间，而压强无此作用综合考虑各种因素，在实质生产中，合成氨一般选择以________为催化剂，压强在________之间，温度在________左右。(3)要实现合成氨的工业化生产，第一要解决氢气和氮气的本源问题。氢气的制取可有以下几条路子：①电解水制取氢气，②由煤或焦炭来制取氢气，③由天然气或重油制取氢气。你认为哪种方法是最正确选择？________(填序号)，其反响的化学方程式为_________________________________。硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物，为了防范污染大气能够用烧碱溶液吸取从吸取塔中放出的尾气，发生的反响以下：2NaOH＋NO＋NO2===2NaNO＋H2O

2NaOH

＋2NO===NaNO2＋NaNO3＋H2O但在实质生产中常用纯碱代替烧碱，NO和NO2的两个反响的化学方程式：①

也能发生近似的反响，且放出CO2，试写出用纯碱溶液吸取_______________________________；______________________________________。3.(1)C(2)铁触媒20～50MPa500℃催化剂催化剂(3)③CH4＋H2O=====CO＋3H2CO＋H2O=====CO2＋H2高温△(4)①Na2CO3＋NO＋NO2===2NaNO＋CO2②Na2CO3＋2NO===NaNO2＋NaNO3＋CO2【解析】(1)对合成氨的反响，催化剂只能提高反响速率，不能够使化学平衡发生搬动；高压能提高化学反响速率，也能使化学平衡向生成氨的方向搬动。(3)电解水制氢气，电能耗费大，成本高；煤作原料，能源耗费大，污染大。天然气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。练案A组（课堂反响满分50分）一、选择题（每题5分，共35分）油炸虾条、薯片等易碎的食品，不宜采用真空袋装而应采用充气袋装。在实质生产中，充入此类食品袋的是以下气体中的（）A.氧气B.二氧化碳C.空气D.氮气1.D【解析】易碎食品在储蓄的时候要注意防氧化和抗挤压。在食品袋中冲入氮气既能够防挤压又能够防氧化。2.制备干燥氨气所需的药品是()A.NH4Cl溶液，NaOH溶液，熟石灰B.饱和氨水C.NaOH溶液，NH4Cl晶体，浓硫酸D.NH4Cl固体，碱石灰，消石灰2.D【解析】NH4Cl固体和消石灰混杂加热生成NH3，碱石灰吸取水，可获得干燥的氨气。合成氨工业有以下贱程：①原料气制备；②氨的合成；③原料气净化和压缩；④氨的分别。其先后序次为（）A.①②③④B.①③②④C.④③②①D.②③④①3.B【解析】对于合成氨工业工艺流程，第一制取原料气，尔后在进入合成塔从前，为防范催化剂中毒及动力因素，要对原料气进行净化和压缩。进入合成塔进行合成后，要及时分别出液氨，并进行循环操作，以增强N2和H2的利用率。以下列图是合成氨的简要流程表示图沿X路线回去的物质是()A.N和HB.催化剂C.NH3D.H2224.A【解析】从合成塔出来的混杂气中有相当一部分是未反响的氮气和氢气，单程转变会造成极大的浪费，实质生产中采用了循环法，将它们重新送回合成塔连续反响，同时不断地补充新鲜的原料气。高温催化剂用焦炭、水、空气来制取氨气的化学方程式：C＋H2O(g)=====CO＋H2，CO＋H2O(g)=====CO2△＋H2，N2＋3H22NH3，参加反响的焦炭与氨气之间的物质的量之比为()A．3∶4B．3∶2C．1∶1D．1∶25.A【解析】前两个化学方程相加得：高温C＋2HO=====CO＋2H2因此，相关系式C～2H2①而N2＋3H22NH3中有：3H2～2NH3②因此，①×3＋②×2得3C～4NH3，故n(C)∶n(NH3)＝3∶4。已知焦炭、一氧化碳和烃类化合物都能与水反响产生合成尿素的原料——氢气和二氧化碳，从充分利用原料的角度考虑，用以下物质生产H2和CO2最为合适的是()A.CB.COC.天然气D.石脑油(C5H12、C6H14)6.D【解析】生产出的H2用于合成NH3：N2＋3H22NH3，再由NH3与CO2合成尿素。由此，可找出H2与CO2的关系式：3H2～2NH3～CO2。分别写出备选项中各物质与H2O反响的化学方程式：

A项

高温高温C＋H2O=====H2＋CO，CO＋H2O=====H2＋CO2总反响方程式为：

C＋

高温2H2O=====2H2＋CO2；

B

项

CO＋高温

高温

高温高温H2O=====H2＋CO2；C项CH4＋2H2O=====4H2＋CO2；D项C5H12＋10H2O=====16H2＋5CO2，C6H14＋12H2O=====19H2＋6CO2。产物中，n(H2)∶n(CO2)最凑近3∶1的最合适。实验室合成氨装置以以下列图所示，则以下说法中错误．．的是()A.装置甲的作用之一是干燥

B.装置甲的作用是化合C.乙处导出的气体是

N2、H2、NH3D.

检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等7.B【解析】装置甲的作用有三点：①干燥气体；②观察气体逸出速率便于控制比率；③赌气体混杂均匀。二、填空题（共15分）8.(6分)工业上合成氨的原料之一——氢气，有一种本源是石油气，如丙烷。有人设计了以下反响路子(反响方程式未配平)，假设反响都能进行，你认为最合理的是(

)极高温A.C3H8――→

C＋H2

B.C

高温脱氢3H8――→

C3H6＋H2

催化剂C.C3H8＋H2O――→△

CO＋H2(2)按以上最合理的反响路子，理论上用1mol(3)该合理的反响路子最显然的优点是()

丙烷最多可制得氨气

(

)A.简单易行B.制得的H2纯度高C.制得的8.(1)C（2分）(2)B（2分）(3)C（2分）

H2产量高

D.可同时获得大量热量【解析】

(1)要解析得出哪一种反响方式生成的

H2最多，配平反响的化学方程式以下：极高温A．C3H8――→

3C＋4H2。

高温脱氢B．C3H8――→

C3H6＋H2。催化剂

高温C．C3H8＋3H2O――→

3CO＋7H2，生成的

CO又能和

H2O反响：CO＋H2O=====CO2＋H2。△当C3H8均为

1mol

时，C选项的路子中产生

H2最多。高温

高温(2)C3H8＋3H2O――→3CO＋7H23CO＋3H2O=====3CO2＋3H2

N2＋3H2

2NH3由以上反响可得C3H8～10H2,3H2～2NH3。依照相关量，进行计算：10C3H8～10H2～3×2NH31mol

203mol因此

1molC

3H8最多可制得

6.7mol

氨，应选

B。9.(9分)以下列图是工业生产中合成氨流程表示图，仔细观察图示中的物质变化关系及工艺特点，回答以下问题：合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分，其中上述工艺流程图示中已经将造气与净化妆置用竖线分开，请你在图示中再将净化与合成氨装置用竖线分开。合成氨工业中的氢气本源于天然气、煤等物质，依照图示物质的变化关系写出两个生成氢气的化学方程式：____________________________________________________________；________________________________________________________________。(3)净化妆置中能够除掉造气过程中产生的杂质，目的是_____________________________。目前国家提议节能减排，观察上述工艺流程图示，写出合成氨工业中节能减排的两项措施________________________________________________________________________________________________________________________________。9.(1)(2分)高温高温(2)CH4＋H2O=====CO＋3H(2分)CO＋H2O=====CO＋H(2分)222防范催化剂中毒(1分)(4)氢气、氮气的循环利用(1分)；利用反响产生的热预热合成气体(1分)【解析】(1)整个工艺流程图示分为三部分，即造气、净化和合成氨装置。其中“冲洗塔”就是净化妆置，而合成塔则是合成氨气的装置，别的还有氨气分别装置。(2)图示中进入“转变炉”的气体是甲烷与水蒸气，而出来的气体有氢气、CO，故在转变炉中发生的甲烷与水蒸气的反响；转变炉中的CO产物对制备合成氨无用，故在“变换塔”中通入水蒸气使之与一氧化碳反响能够制备氢气。工业合成氨需要催化剂，而催化剂常常会因为杂质的存在而降低催化收效，因此需要除杂。组（课后拓展）1.合成NH所需的H可由煤与HO反响制得，其中有一步反响为CO(g)＋HO(g)CO(g)＋32222H2(g)<0。欲提高CO转变率可采用的方法可能有：①降低温度；②增大压强；③使用催化H剂；④增大CO的浓度；⑤增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是()A.①②③B.④⑤C.①⑤D.⑤1.C【解析】该可逆反响的特点为：①正反响为放热反响；②反响前后气体体积不改变。结合勒夏特列原理可选出答案。2.在体积为5L的恒容密闭容器中充入1.25molN2和1.25molH2，进行反响：N2(g)+3H2(g)2NH(g)H=—92.4kJ·mol—1，在不同样温度下达到平衡时测得H的体积分数以下32表所示，以下说说法正确的选项是()T/℃200300400H2的体积分数a1a225%A.a1<a2B.若反响在400℃下进行，则达到平衡时N2的转变率为20%C.若反响在300℃下进行，则达到平衡时反响放出的热量为23.1kJD.若反响在200℃下进行，则达到平衡畸时N2的体积分数为50%A【解析】本题观察化学平衡的计算和化学平衡搬动知识点。N(g)+3H(g)2NH(g)—13H22132始：1.25mol1.25mol0变：xmol3xmol2xmol2