课题2　人工固氮技术──合成氨设计意图

课题2

人工固氮技术——合成氨

教学目标

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。

教学重点

1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。

教学难点

1、合成氨条件的理论分析

2、工业合成氨的流程分析

教学方法

自主学习，合作探究，实验探究合成条件

教学过程

学生自主学习

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)氮元素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染料、人造纤维、油漆、炸药和许多其他产品。

2．氮的固定

(1)氮的存在和固定

①存在：地壳中氮的含量只有0.04%，而大气中氮气的体积分数为78%。

②氮的固定：是指将游离态氮转变为化合态氮的方法。

(2)分类

氮的固定合成氨人工固氮仿生固氮

放电高能固氮N2＋O2=====2NO自然固氮生物固氮豆科植物的根瘤菌固氮

3．合成氨的反应原理

(1)由N2与H2直接合成氨的化学原理为

N2＋3H2高温、高压催化剂2NH3。

(2)实验室合成氨

实验装置

①铁丝绒的作用：催化剂。

②润湿的pH试纸的作用：检验生成的氨气，现象pH试纸变蓝。

(3)工业上，通常采用以铁为主的催化剂，在400～500 ℃和10～30 MPa的条件下合成氨。

[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？

2．试从速率和平衡的角度综合分析合成氨工业选择400～500 ℃的温度，10～30 MPa的压强的原因。

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：造气、净化、合成。

1．制备合成氨的原料气

2．原料气的净化

(1)目的是防止催化剂中毒。

(2)原料气的净化：

①用稀氨水吸收H2S的化学方程式：

H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O。

②除去CO的有关化学方程式：

CO＋H2O=====CO2＋H2。

CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3。

△③精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体。

催化剂

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机压缩至高压，进入合成塔，在高温、高压和催化剂作用下合成氨。

(2)从合成塔出来的混合气体，通常约含15% (体积分数)的氨，要把混合气体通过冷凝器使氨液化，然后在气体分离器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。

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)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等有害气体；

废液：主要是含氰化物和含氨的污水。

[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。

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？

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？

难点突破探究

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)≈2.8∶1。

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10～30 MPa之间。

3．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400～500 ℃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(

) ①减压

②加压

③升温

④降温

⑤及时从平衡混合气中分离出NH3

⑥补充N2或H2

⑦加催化剂

⑧减小N2或H2的量

A．①④⑤⑦

B．③⑤⑧ C．②⑥

D．②③⑥⑦

变式训练1

已知：N2(g)＋3H2(g)O2(g)2SO3(g)(正反应为放热反应)。

2NH3(g)(正反应为放热反应)，2SO2(g)＋请回答下列问题：

(1)从影响化学反应速率和化学平衡的因素分析，要有利于NH3和SO3的生成，理论上应采取的措施是__________________。实际生产中采取的措施是____________________________。

(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________________________________________________。

二、工业合成氨的流程分析

工业生产流程主线

规律：主线主产品、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_____________________________________________。

(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)。

(3)K2CO3(aq)和CO2反应在加压下进行，加压的理论依据是________(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

(4)由KHCO3分解得到的CO2可用于________(写出CO2的一种重要用途)。

(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。

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________________________________________________________________________。

(2)工业上合成氨选择的适宜条件是：以铁为主的催化剂、________、________。

(3)沿X路线进入合成塔的物质是__________，这样设计的意义是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。

(4)目前工业制硝酸所采用的主要方法是________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________。