- 7.23 MB
- 2021-07-08 发布
- 1、本文档由用户上传,淘文库整理发布,可阅读全部内容。
- 2、本文档内容版权归属内容提供方,所产生的收益全部归内容提供方所有。如果您对本文有版权争议,请立即联系网站客服。
- 3、本文档由用户上传,本站不保证质量和数量令人满意,可能有诸多瑕疵,付费之前,请仔细阅读内容确认后进行付费下载。
- 网站客服QQ:403074932
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
1
课题 2 人工固氮技术——合成氨
1.了解工业合成氨的基本原理、基本生产过程以及合成氨工业的发展。
2.了解工业获得合成氨的大量廉价原料气的方法,了解合成氨原料气循环利用的原理
和重要意义。
3.了解工业合成氨与环境的关系。
德国化学家哈伯(1868—1934)一生从事化学研究,曾在 1906 年发明了氨的合成法,1908
年又发明了合成氨的催化剂,为工业化生产奠定了基础。
思考:如何利用空气中的氮气来合成氮肥呢?
答案:氮气与氢气在高温、高压和催化剂条件下生成氨气,由氨气来合成氮肥。
一、合成氨的反应原理
1.反应的化学方程式
工业合成氨反应的化学方程式________________________________________。
2.反应的特点
(1)____________________反应;
(2)____________________反应;
(3)气体分子总数____________________的反应。
3.适宜化工生产条件的选择
温度:____________;压强:______________;催化剂:____________________。
自主思考:①合成氨反应中催化剂的主要作用是什么?②合成氨方案的主要优点是什
么?
二、合成氨的基本生产过程
主要包括三个步骤:________、________、________。
1.制备合成氨的原料气
(1)制备氮气
方法一:__________________________。
方法二:________________________________。
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
2
(2)制备氢气
方法一:水蒸气与碳反应,化学方程式为__________________。
方 法 二 : 甲 烷 与 水 蒸 气 反 应 , 化 学 方 程 式 为 ______________________ ;
____________________________。
2.原料气的净化
(1)除去 H2S(用氨水)的化学方程式为______________________。
(2)除去 CO 的化学方程式为______________________,__________________________。
(3)精制原料气:用________、________和________配制成的溶液来吸收__________、
________、______、________等少量有害气体。
自主思考:为什么对原料气进行净化?
3.氨的合成与分离
(1) 氨 的 合 成 : 净 化 后 的 原 料 气 进 入 氨 合 成 塔 , 在 __________ 、 __________ 和
____________作用下合成氨。
(2)氨的分离:从合成塔出来的混合气体通过________使氨________,从而将氨分离出
来。
自主思考:合成塔出来的混合气体中约含 15% 体积分数 的氨,分离出氨后为什么要
进行循环操作?
三、合成氨工业的发展
1.原料及原料气的净化
2.催化剂的改进
3.环境保护
废渣:用途为________________。
废气:主要是________和________等有害气体。
废液:主要是含________和含________的污水。
答案:1.N2+3H2 2NH3
2.(1)可逆 (2)放热 (3)减小
3.400~500 ℃ 10~30 MPa 以铁为主的催化剂
自主思考
提示:①催化剂的主要作用是提高反应速率。
②合成氨方案的主要优点:反应物较易获得,通过改变反应条件可以提高氨的产率。
二、造气 净化 合成
1.(1)将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气 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)C+H2O CO+H2 CH4+H2O 3H2+CO CH4+2H2O 4H2+CO2
2.(1)NH3·H2O+H2S===NH4HS+H2O
(2)CO+H2O CO2+H2 K2CO3+CO2+H2O===2KHCO3
(3)醋酸 铜 氨 CO CO2 O2 H2S
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
3
自主思考
提示:合成氨需要纯净的氮气和氢气。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。
3.(1)高温 高压 催化剂 (2)冷凝器 液化
自主思考
提示:①合成氨反应转化率低,从合成塔出来的混合气体中氮气和氢气的含量较大;②
循环操作的主要目的是充分利用原料、降低成本;③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。
三、3.建材和肥料的原料 H2S CO2 氰化物 氨
一、合成氨条件的选择
1.合成氨反应的特点
合成氨反应是一个可逆反应:N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。已知: 298 K 时,
ΔH=-46.1 kJ·mol-1,ΔS=-99.5 J·K-1·mol-1。
ΔH-TΔS=-46.1 kJ·mol-1-298 K×(-99.5×10-3 kJ·K-1·mol-1)=-16.45
kJ·mol-1<0
常温下,合成氨反应能自发进行,所以合成氨的反应特点:①所有的反应物和生成物都
是气态,且该反应为可逆反应;②气体物质的量减少的熵减反应;③该反应的正反应是放热
反应。
2.合成氨工业要求
(1)反应要有较大的反应速率;
(2)要最大限度地提高平衡混合物中 NH3 的含量。
3.工业合成氨最佳条件的选择
任何化工生产适宜条件的选择都要从两个方面考虑:理论和实际。
反应条件 对化学反应
速率的影响
对平衡混合物中氨
含量(体积分数)的
影响
合成氨条件的选择
增大压强 有利 于增 大化学
反应速率
有利于提高平衡混
合物中氨的含量
增大压强,有利于氨的合成,但
需要的动力大,对材料、设备等
要求也高,因此,工业上一般采
用 10~30 MPa 的压强
升高温度 有利于增大化学
反应速率
不利于提高平衡混
合物中氨的含量
升高温度,化学反应速率增大,
但不利于提高平衡混合物中氨
的含量,因此,合成氨时温度要
适宜,工业上一般采用 400~500
℃左右的温度,在这个温度时,
铁触媒的活性也最大
使用催
化剂
有利于增大化学
反应速率 没有影响 工业上一般采用铁触媒,使反应
能在较低温度下较快地进行
综上可知,要使合成氨的化学反应具有理想的反应速率和反应物的平衡转化率,要掌握
合成氨化学反应本身的特点,运用化学反应速率和化学平衡原理,同时考虑合成氨生产中的
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
4
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、工业生产对化学反应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,400~500 ℃的温度、10~30 MPa 的压强和
铁触媒的组合是合成氨的最佳条件。
为了提高合成氨生产的综合经济效益,还有三点是不可忽视的:①使原料气中
n(N2)∶n(H2)≈1∶3;②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再
次利用;③及时将 NH3 从平衡混合物中分离出来。
二、合成氨的生产工艺
1.关键设备
合成塔。
2.工艺流程
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,蒸发分离出 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 N2<O2<CO2,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。
2.氢气的制造
合成氨原料的关键是如何获得大量廉价的氢气。
制取氢气的途径 化学反应原理
电解水制取氢气 2H2O 2H2↑+O2↑
由煤或焦炭制取氢气 C+H2O H2+CO
由天然气或重油制取氢气
CH4+H2O 3H2+CO
CH4+2H2O 4H2+CO2
原料制备路线的选择,应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因素。由电解
水制氢气,电能消耗大,成本高,不适于制取大量的氢气。
知识点 1 合成氨适宜条件的分析
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
5
【例题 1】 合成氨工业采取的下列措施中,不能用勒夏特列原理解释的是( )。
①10~30 MPa ②500 ℃的高温 ③铁触媒作催化剂 ④将生成的氨液化并及时从体系中
分离出来,未反应的 N2、H2 循环到合成塔中
A.① B.②和③ C.③和④ D.④
解析:对于反应 N2+3H2 2NH3,①中加压可使平衡向正反应方向移动;
②中高温不利于反应物转化率的提高,只能加快反应速率;③中催化剂不影响化学平衡;④
中及时分离出 NH3 和将未反应的 N2、H2 循环到合成塔中,都使平衡向正反应方向移动。
答案:B
点拨:勒夏特列原理只能解释有关平衡移动的问题,不能解释化学反应速率的问题。
知识点 2 合成氨的基本生产过程
【例题 2】 工业合成氨是在一定条件下进行的可逆反应:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)。其部分工艺流程如下:
请回答下列问题:
(1)第②步除需要催化剂这个条件外,还需要的条件是
___________________________________________________________。
(2)第①步操作中的原料气的“净化”目的是____________________________,
第③步操作中的目的是___________________________________________。
(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,如果漏气则会有白烟生成。该反应的
化学方程式为_________________________________________________。
解析:(2)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,所
以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。
(3)降低温度,氨变为液态,从而进行分离,所以跟工业上利用的蒸馏类似,都是通过
改变温度,使物质的状态发生变化而分离。
(4)2NH3+3Cl2===N2+6HCl,生成的 HCl 又与 NH3 反应生成 NH4Cl 小颗粒——白烟产生。
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,达到分离的目的
(4)8NH3+3Cl2===6NH4Cl+N2
点拨:在合成氨反应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
反应。为了充分利用原料,要把氨及时分离出来,使未反应的原料气重新得到利用。
真正的价值并不在人生的舞台上,而在我们扮演的角色中。
6
1 工业上用氢气和氮气合成氨,氢气的主要来源是( )。
A.水和燃料 B.电解水 C.锌和稀硫酸 D.液化空气
2 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质是( )。
A.催化剂 B.N2 和 H2 C.只有 N2 D.只有 H2
3 合成氨工业的化学反应原理如下:
N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) ΔH=-92.4 kJ·mol-1
(1)该反应的特点是______________、______________、______________。
(2)综合运用化学反应速率的影响因素和化学平衡移动原理分析,工业生产中合成氨的
适 宜 条 件 是 ① 增 大 ______________ 浓 度 ; ② 温 度 : __________________ ; ③ 压 强 :
______________;④催化剂:____________。
答案:1.A B、C 项生产 H2 成本太高,不符合实际;D 项液化空气得 N2;A 项正确。
2.B 工业上将未反应的 N2、H2 通过循环压缩机送回合成塔循环利用。
3.答案:(1)可逆反应 正反应是气体分子总数减小的反应
正反应是放热反应
(2)反应物 400~500 ℃ 10~30 MPa 以铁为主的催化剂
解析:合成氨反应是一个正反应放热、气体分子总数减小的可逆反应,增大反应物浓度、
增大压强,反应速率加大,平衡右移,这对合成氨都是极为有利的条件,但压强大对设备的
要求也高,所以根据实际选择适宜的压强。升高温度反应速率加大,但平衡左移,反应程度
减小了,结合催化剂的活性,选择一个适当的温度也是非常必要的。
相关文档
- 高中化学必修1、必修2知识点归纳总2021-07-0823页
- 高中化学人教必修2-3-2-2来自石油2021-07-086页
- 高中化学选修5 脂肪烃单元测试含2021-07-0811页
- 2020版新教材高中化学第2章化学键2021-07-088页
- 初高中化学衔接9化学改变了世界2021-07-0828页
- 高中化学第三章有机化合物第二节来2021-07-087页
- 高中化学:3-4-1《有机合成》课件(人2021-07-0821页
- 高中化学第八章化学与可持续发展第2021-07-083页
- 高中化学选修2化学与技术-第2单元 2021-07-0816页
- 高中化学课时作业23蛋白质和氨基酸2021-07-089页