课题2　人工固氮技术──合成氨.pptx

1、第一单元,走进化学工业,目标导航 1.使学生理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。 2.了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。 3.介绍合成氨，体验化工生产的过程，体验实验室研究与实际生产之间转化过程。,课题2人工固氮技术合成氨,栏目索引 CONTENTS PAGE,一、氮的循环及合成氨的反应原理 1.含氮化合物对人类生活有着十分重要的意义 (1) 是植物生长不可缺少的元素之一。 (2)含氮化合物还用于制造 、 、 、 和许多其他产品。,氮元素,染料,人造纤维,油漆,炸药,2.氮的固定 (1)氮的存在和固定 存在：地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体

2、积分数为 。 氮的固定：是指将 转变为 的方法。,78%,游离态氮,化合态氮,自然,人工,(2)实验室合成氨 实验装置,铁丝绒的作用： 。 润湿的pH试纸的作用： ，现象。 (3)工业上，通常采用以铁为主的催化剂，在 和 MPa的条件下合成氨。,催化剂,检验生成的氨气,pH试纸,变蓝,400500,1030,议一议 1.你知道氮固定的主要途径有哪些？通过闪电引发自然固氮的原理是什么？ 答案豆科植物的根瘤菌固氮，雷电固氮，人工固氮工业合成氨,2.试从速率和平衡的角度综合分析合成氨工业选择400500 的温度，1030 MPa的压强的原因。 答案合成氨反应是一个可逆、放热、气体分子总数减小的反应。

3、根据勒夏特列原理，温度越低，压强越大，该反应的平衡体系中氨的含量越高；但降低温度使反应速率降低，增大压强对设备要求较高，而400500 时催化剂活性最好，1030 MPa下N2、H2的转化率已经较高，故选择在该条件下进行合成氨。,二、合成氨的基本生产过程及工业发展 合成氨的生产主要包括三个步骤： 、 、 。 1.制备合成氨的原料气,造气,净化,合成,2.原料气的净化 (1)目的是。 (2)原料气的净化： 用稀氨水吸收H2S的化学方程式： 。,防止催化剂中毒,H2SNH3H2O=NH4HSH2O,除去CO的有关化学方程式： 。 。 精制原料气：用 、 和 配制成的溶液来吸收 、 、 、 等少量有

4、害气体。,醋酸,铜,氨,CO,CO2,O2,H2S,CO2K2CO3H2O=2KHCO3,3.氨的合成与分离 (1)氨的合成：将净化后的原料气经过 压缩至高压，进入 ，在 、 和 作用下合成氨。 (2)从合成塔出来的混合气体，通常约含15% (体积分数)的氨，要把混合气体通过 使氨液化，然后在 里把液态氨分离出来并导入液氨贮罐，余下的气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应。,压缩机,合成塔,高温,高压,催化剂,冷凝器,气体分离器,4.合成氨工业的发展 合成氨工业的主要研究领域有以下三个方面： (1) 的净化。 (2) 的改进。 (3)环境保护 废渣：用作 ； 废气：主要是 和 等有害气体；

5、废液：主要是含 和含 的污水。,原料及原料气,催化剂,建材和肥料的原料,H2S,CO2,氰化物,氨,议一议 1.据上一课题中的“硫酸工业流程”，画出合成氨生产的工艺流程。 答案,2.在净化阶段用K2CO3溶液吸收CO2，在加压的条件下进行的理论依据是什么？ 答案加压不仅能增大反应速率还能使平衡向右移动，提高CO2的吸收率。,3.在化工生产中，常采用循环操作，这种操作的目的是什么？合成氨工业可以进行哪些联合生产或深加工？ 答案合成氨是可逆反应，无论条件多么适宜，从合成塔中出来的气体总有一部分未反应的N2和H2(NH3可通过冷凝分离除去)，为充分利用原料气，将此混合气用循环压缩机重新送入合成塔，同

6、时不断地补充新鲜的原料气，这样可以提高原料的利用率，降低生产成本。合成氨可与尿素、硝酸、碳酸氢铵、纯碱等工业联合生产使原料充分利用，减少物流、交通所耗费的人力、物力，降低生产成本。,一、合成氨条件的理论分析 1.浓度：因为增大反应物浓度，能提高反应速率和使平衡正向移动，故生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此生产中常适当增加N2的比例，实际生产，n(H2)n(N2)2.81。,2.压强：无论从反应速率还是从化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在1030 MPa之间。 3.

7、温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以400500 为宜，而且在此温度下催化剂活性最大。,4.催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多采用以铁为主的催化剂。 5.及时将NH3从平衡体系中分离出来，并将N2、H2重新压缩后输入合成塔再次利用，提高原料的利用率。,例1合成氨时既要使氨的产率增大，又要使反应速率加快，可采取的办法是() 减压加压升温降温及时从平衡混合气中分离出NH3补充N2或H2加催化剂减小N2或H2的量 A.B. C. D.,答案C,解析工业上合成SO3与合成氨的最大不同之处是该反应是在常压下进

8、行的，原因是在常压下该反应向生成SO3的方向进行程度已经很大，采用高压虽能使平衡向生成SO3方向移动，但产生高压既需要动力又对反应容器耐压性有较高要求，综合生产成本和经济效益两方面因素，实际生产时，在常压下进行最合理。 答案高温、高压、催化剂合成氨：高温、高压、催化剂；合成SO3：高温、常压、催化剂,(2)在合成氨的工业生产中，要分离出氨，目的是 ；而合成SO3的过程中，不需要分离出SO3，原因是 。,减小生成物,的浓度，使平衡向生成NH3的方向移动,该反应向生成SO3的方向进行程度较大，达到平衡后SO2剩余量较少，故不需要分离出SO3,二、工业合成氨的流程分析 工业生产流程主线,规律：主线主

9、产品、分支副产品、回头为循环。 核心考点：物质的分离操作、除杂试剂的选择、生产条件的控制。,例2利用天然气合成氨的工艺流程如下图所示：,根据上述流程，完成下列填空： (1)天然气脱硫时的化学方程式是 。 解析流程图中已给出反应物是H2S和Fe(OH)3，生成物是Fe2S3和H2O，CH4没有参与反应，写出方程式再配平即可。,3H2S2Fe(OH)3=Fe2S36H2O,(2)n mol CH4经一次转化后产生CO 0.9n mol、产生H2 mol(用含n的代数式表示)。 解析写出方程式后很容易看出H2的物质的量。,2.7n,(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是

10、(填字母序号)。 A.相似相溶原理 B.勒夏特列原理 C.酸碱中和原理 解析是勒夏特列原理的应用。,B,(4)由KHCO3分解得到的CO2可用于 (写出CO2的一种重要用途)。 解析考查CO2的用途。,生产纯碱(或作制冷剂等),(5)在整个流程中有三处循环：一是Fe(OH)3循环，二是K2CO3(aq)循环，请在上述流程图中标出第三处循环。 解析是对合成氨工业中实际应用的循环操作进行设问和考查。 答案,变式训练2合成氨工业对国民经济和社会发展具有重要的意义，下图是工业合成氨的简要流程示意图。,(1)合成氨的原料气往往混有CO2等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的原因是 。,解析气体中的杂质能

11、使催化剂中毒，使活性降低，降低催化效率，因此气体要净化。 答案防止催化剂“中毒”,(2)工业上合成氨选择的适宜条件是：以铁为主的催化剂、 、 。 解析由工业合成氨可知，合成氨的条件是以铁为主的催化剂、400500 、1030 MPa，在此条件下，合成氨的产率、反应速率以及经济效益为最佳。,400500 ,1030 MPa,(3)沿X路线进入合成塔的物质是 ，这样设计的意义是 。 解析合成氨为可逆反应，分离出氨气后，氮气和氢气需要回收利用，再次将其通入合成塔中，可以降低成本以及提高原料利用率。,N2和H2,未反应的氮气和氢气循环进入合成塔，使氮气和氢气得到充分利用(或提高原料的利用率),(4)目

12、前工业制硝酸所采用的主要方法是 。 解析因为合成氨是制硝酸的基础，所以氨催化氧化法是目前工业制硝酸所采用的主要方法，原因为原料来源广并且价格便宜。,氨催化氧化法,(或氨氧化法),1.下列有关催化剂的性质、作用的说法正确的是() A.合成氨反应若不使用催化剂，该反应就不能进行 B.反应前后催化剂的质量不改变，但化学性质要改变 C.催化剂能缩短反应到达平衡所用的时间，但催化剂损耗量较大 D.催化剂可以同等程度地改变正、逆反应速率,1,2,3,4,D,1,2,3,4,2.对于可逆反应N2(g)3H2(g)2NH3(g)H0，下列说法正确的是() A.达到平衡时反应物和生成物浓度一定相等 B.达到平衡

13、后加入氨气，重新达到平衡时，氨气的浓度比原平衡时大 C.达到平衡时，升高温度加快了吸热反应的速率，降低了放热反应的速率，所以平衡向逆反应的方向移动 D.加入催化剂可以缩短到达平衡的时间，这是因为加快了正反应的速率，而减慢了逆反应的速率,1,2,3,4,解析本题往往错选C、D，原因是对升高温度可以使平衡向吸热反应方向移动的原因认识不清；对使用催化剂可缩短到达平衡所用时间的原因认识不清；正确选项为B。 答案B,3.合成氨反应达到平衡时NH3的体积分数与温 度、压强的关系如右图所示。根据此图分析合 成氨工业最有前途的研究方向是() A.提高分离技术 B.研制耐高压的合成塔 C.研制低温催化剂 D.探

14、索不用N2和H2合成氨的新途径,1,2,3,4,解析由图可知：NH3的体积分数随着温度的升高而显著下降，故要提高NH3的体积分数，必须降低温度，但目前所用催化剂铁触媒活性最好时的温度为500 。故最有前途的研究方向为研制低温催化剂。 答案C,1,2,3,4,4.工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应：,1,2,3,4,其部分工艺流程如下图所示：,请回答下列问题： (1)第步除需要催化剂这个条件外，还需要的条件是 。 解析工业合成氨需要条件为高温、高压、催化剂。,1,2,3,4,高温、,高压,(2)第步操作中的原料气的“净化”的目的是 ， 第步操作中的目的是 。 解析原料气中往往含有使催化剂中毒的物质，所以在进行原料气的反应前，需要除掉其中的杂质；工业合成氨反应后的混合气体中既有氨气，也有未反应的氢气、氮气，为了提高原料气的利用率，将未反应的原料气进行重新利用，这样可以提高经济效益。,1,2,3,4,防止催化剂中毒,提高原料利用率(或提高经济效益等),(3)工业合成氨反应后可以通过降低混合气体的温度而使氨气分离出来。这种分离物质的方法的原理类似于下列中的 (填字母)。 a.过滤b.蒸馏 c.分液 d.