第一單元氨的合成 1 N2與H2生成NH3的反應(yīng)特點 提示可逆反應(yīng) 即N2 H2與NH3是一個共存體系 2 影響化學反應(yīng)速率和化學平衡移動的因素 提示 1 影響化學反應(yīng)速率的因素 濃度 溫度 壓強 催化劑 2 影響化學平衡移動的因素 濃度 壓強 溫度3 從合成氨的經(jīng)濟效益考慮如何選擇恰當?shù)臈l件 提示要提高合成氨經(jīng)濟效益 一要考慮反應(yīng)快慢二要考慮N2與H2的轉(zhuǎn)化率 所以合適的條件為溫度為500 700 選擇中壓 適宜的催化劑 N2與H2的投料比為1 2 8時 生成的NH3及時分離移出 1 了解合成氨的主要原理 原料 重要設(shè)備 流程和意義 知道催化劑的研制對促進化工發(fā)展的重大意義 認識實際化工生產(chǎn)技術(shù)問題的復(fù)雜性 增強技術(shù)意識 2 從合成氨工業(yè)流程與技術(shù)出發(fā)了解化學在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用 認識化學學科發(fā)展對化工生產(chǎn)技術(shù)進步的促進作用 認識化學工業(yè)在國民經(jīng)濟發(fā)展中的地位 哈伯 高壓 適宜溫度 催化劑 減小 放熱 2 合成氨反應(yīng)條件的選擇在合成氨生產(chǎn)中要綜合考慮 與來確定反應(yīng)的條件 目前 工業(yè)上用作催化劑 在MPa 450 左右用氮 氫混合氣體進行氨的合成 得到的平衡混合物中 氨的含量約為20 反應(yīng)速率 催化劑工作溫度 反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率 反應(yīng)裝置材料 生產(chǎn)技術(shù)水平 鐵觸媒 20 50 1 合成氨的工業(yè)流程 1 制備原料氣 合成氨的生產(chǎn)首先需要合成 原料氣由體積比約為1 3的和組成 2 反應(yīng)前原料氣的處理 把原料氣 后送到合成塔 3 合成反應(yīng) 在一定條件下發(fā)生合成反應(yīng) 就可以得到含有一定質(zhì)量分數(shù)的平衡混合氣 4 反應(yīng)后平衡混合氣體的處理 從合成塔里排出的平衡混合氣體中分離出氨氣后 把未反應(yīng)的送回合成塔循環(huán)利用 原料氣 氮氣 氫氣 加壓 預(yù)熱 氨氣 氮 氫原料氣 2 合成塔的構(gòu)造特點原料氣從進入 向上流經(jīng)的環(huán)隙 至頂端后再進入 折流向下的氣體穿過的管間 被加熱到400 左右進入第一層催化劑 經(jīng)反應(yīng)后溫度上升到左右 在第一 二層間 反應(yīng)氣與冷的混合后進入第二層催化劑 以此類推 最后的氣體從排出 折流向上穿過中心管 再經(jīng)的管內(nèi)換熱后自塔頂排出塔外 外筒 熱交換器 熱交換器 500 原料氣 第四層催化劑底部 熱交換器 塔底 為什么氮氣氫氣的混合氣體送入合成塔前要壓縮 提示提高反應(yīng)物的濃度 能加快化學反應(yīng)速率 有利于氨的合成 合成氨是一個可逆反應(yīng) 從原料的利用率角度考慮 未反應(yīng)N2和H2如何處理 提示循環(huán)使用 慎思1 慎思2 什么是固氮 常見的固氮方式有哪些 提示將空氣中的游離態(tài)的N2轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的過程稱 固氮 固氮方式有 生物固氮 自然固氮 化學固氮 人工模擬生物固氮 為什么N2與H2的投料之比為1 2 8而不是1 3 提示盡管N2與H2按1 3反應(yīng)但是為了提高價格較高的H2的轉(zhuǎn)化率 可適當增加N2的投量 故選擇1 2 8 原料N2和H2在進合成塔前為什么凈化 提示防止催化劑中毒 慎思3 慎思4 慎思5 常溫下 合成氨反應(yīng)能自發(fā)進行 所以合成氨的反應(yīng)特點 所有的反應(yīng)物和生成物都是氣態(tài) 且該反應(yīng)為可逆反應(yīng) 氣體的物質(zhì)的量減少的熵減反應(yīng) 該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng) 2 合成氨反應(yīng)原理的實驗研究實驗方法在一干燥的硬質(zhì)試管中放入適量鐵絲絨 按照右圖連接好實驗裝置 加熱試管中的鐵絲絨至紅熱后 用注射器抽取20mL干燥氮氣和60mL干燥氫氣 將混合氣體通入試管 并將濕潤的pH試紙置于導(dǎo)管口處 觀察試紙的變化 合成氨的實驗裝置 實驗現(xiàn)象導(dǎo)管口處的濕潤的pH試紙變?yōu)樗{色 實驗結(jié)論在鐵絲絨和加熱的條件下 氮氣與氫氣反應(yīng)生成了氨 3 合成氨最佳條件 續(xù)表 影響化學平衡和反應(yīng)速率的因素在合成氨中的綜合應(yīng)用 在合成氨工業(yè)中 采用下列哪些措施可以提高原料氣的轉(zhuǎn)化率 使用催化劑 采用500 左右的高溫 采用1 107 3 107Pa的壓強 不斷將氨分離出來A B C D 解析根據(jù)合成氨反應(yīng)的特點 要提高原料的利用率 應(yīng)盡量使化學平衡向生成NH3的方向移動 應(yīng)為高壓 降低溫度并減少NH3的濃度 故 合理 答案C 體驗1 2 原料氣的凈化 1 對原料氣凈化的原因 在制取原料氣的過程中 常混有一些雜質(zhì) 其中的某些雜質(zhì)會使合成氨所用的催化劑 中毒 所以必須除去 這一過程稱為原料氣的凈化 2 吸收H2S 用稀氨水吸收H2S雜質(zhì) NH3 H2O H2S NH4HS H2O 3 氨的合成與分離凈化后的原料氣經(jīng)過壓縮機壓縮至高壓 進入氨合成塔 氮氣與氫氣在高溫 高壓和催化劑作用下合成氨 從合成塔出來的混合氣體 通常約含20 體積分數(shù) 的氨 為了使氨從沒有起反應(yīng)的氮氣和氫氣里分離出來 要把混合氣體通過冷凝器使氨液化 然后在氣體分離器里把液態(tài)氨分離出來導(dǎo)入液氨貯罐 由氣體分離器出來的氣體 經(jīng)過循環(huán)壓縮機 再送到合成塔中進行反應(yīng) 氨在國民經(jīng)濟中占有重要的地位 現(xiàn)在約有80 的氨用來制造化肥 其余的用作生產(chǎn)其他化工產(chǎn)品的原料 例如 農(nóng)業(yè)上使用的氮肥如尿素 硝酸銨 硫酸銨 氯化銨 氨水以及各種含氮混合肥料和復(fù)合肥料 都是以氨為原料制成的 氨氧化法制硝酸是工業(yè)上制硝酸的主要方法 1 對于合成氨的反應(yīng)來說 使用催化劑和施以高壓 下列敘述中正確的是 例2 A 都能提高反應(yīng)速率 都對化學平衡狀態(tài)無影響B(tài) 都對化學平衡狀態(tài)有影響 都不影響達到平衡狀態(tài)所用的時間C 都能縮短達到平衡狀態(tài)所用時間 只有壓強對化學平衡狀態(tài)有影響D 催化劑能縮短反應(yīng)達到平衡狀態(tài)所用時間 而壓強無此作用 2 綜合考慮各種因素 在實際生產(chǎn)中 合成氨一般選擇以 為主的催化劑 壓強在 之間 溫度 3 要實現(xiàn)合成氨的工業(yè)化生產(chǎn) 首先要解決氫氣和氮氣的來源問題 氫氣的制取可有以下幾條途徑 電解水制取氫氣 由煤或焦炭來制取氫氣 由天然氣或重油制取氫氣 你認為哪種方法是最佳選擇 填序號 其反應(yīng)的化學方程式為 4 下面是合成氨的簡要流程示意圖 沿X路線回去的物質(zhì)是 A N2和H2B 催化劑C NH3D H2 5 硝酸廠的尾氣中含有NO和NO2等污染物 為了防止污染大氣可以用燒堿溶液吸收從吸收塔中放出的尾氣 發(fā)生的反應(yīng)如下 2NaOH NO NO2 2NaNO2 H2O2NaOH 2NO2 NaNO2 NaNO3 H2O但在實際生產(chǎn)中常用純堿代替燒堿 也能發(fā)生類似的反應(yīng) 且放出CO2 試寫出用純堿溶液吸收NO和NO2的兩個反應(yīng)的化學方程式 解析 1 對合成氨的反應(yīng) 催化劑只能提高反應(yīng)速率 不能使化學平衡發(fā)生移動 高壓能提高化學反應(yīng)速率 也能使化學平衡向生成氨的方向移動 3 電解水制氫氣 電能消耗大 成本高 煤作原料 能源消耗大 污染大 天然氣作為潔凈燃料 便于管道運輸 有投資省 能耗低的優(yōu)點 4 合成氨的反應(yīng)是一可逆反應(yīng) 所以從合成塔出口出來的含氨混合氣中有相當一部分是未反應(yīng)的氮氣和氫氣的混合氣 采用循環(huán)法 先通過冷凝把氨從合成塔出來的混合氣中分離出來 余下未反應(yīng)的氮氣和氫氣的混合氣體用循環(huán)壓縮機重新送入合成塔進行反應(yīng) 化工生產(chǎn)中采用循環(huán)操作的原因 很多化學反應(yīng)并不能將反應(yīng)進行到底 循環(huán)操作能充分利用原料 降低成本 有利于實現(xiàn)全封閉 連續(xù)化生產(chǎn) 有利于減少工序 控制廢棄物的排放 為了進一步提高合成氨的生產(chǎn)效率 科研中具有開發(fā)價值的是 A 研制高溫下活性較大的催化劑B 尋求NH3的新來源C 研制低溫下活性較大的催化劑D 研制耐高溫 高壓的新型材料建造合成塔解析合成氨的反應(yīng)特點是放熱反應(yīng) 降低溫度有利于提高合成氨的生產(chǎn)效率 答案C 體驗2 自1913年世界上第一座合成氨廠投產(chǎn)以來 合成氨工業(yè)不斷發(fā)展 目前 合成氨工業(yè)的主要研究領(lǐng)域有 1 原料及原料氣的凈化由于氮氣來自空氣 取之不盡用之不竭 制氫氣的工藝和技術(shù)成為研究的主要課題 早期的合成氨工業(yè) 主要以焦炭與水為原料生產(chǎn)水煤氣以得到氫氣 現(xiàn)在已經(jīng)可以使用各種不同的固態(tài) 煤和焦炭等 液態(tài) 石油中提煉的石腦油和重油等 和氣態(tài) 天然氣 焦爐氣等 可燃物作為制氫氣的原料 由于原料不同 原料氣的凈化工藝和技術(shù)也不斷改進 表世界合成氨原料的用量變化 2 催化劑的改進氮氣跟氫氣合成氨的反應(yīng)需要催化劑 催化反應(yīng)的工藝條件常常決定于催化劑的性能 由于催化劑的突破而徹底改變工藝過程及條件的事例屢見不鮮 合成氨時 使用磁鐵礦催化劑已經(jīng)80多年 期間各國一直在進行研究和改進 例如 有采用釕為基礎(chǔ)活性物質(zhì)的新型催化劑 整個工藝流程也以此為核心設(shè)計 3 環(huán)境保護隨著環(huán)境保護意識的增強以及相關(guān)法律 法規(guī)的嚴格實施 合成氨生產(chǎn)中產(chǎn)生的固體 液體和氣體廢棄物的處理越來越成為技術(shù)改造的重要問題 廢渣主要來自造氣階段 特別是以煤為原料而產(chǎn)生的煤渣 以重油為原料產(chǎn)生的炭黑等 現(xiàn)在大都將它們用作建材和肥料的原料 廢氣主要是H2S和CO2等氣體 對H2S的處理 先后采用了直接氧化法 選擇性催化氧化 循環(huán)法 使用溶劑將其吸收濃縮 等回收技術(shù) CO2雖然是無毒無害的物質(zhì) 但隨著人們對其可能產(chǎn)生溫室效應(yīng)的關(guān)注 減少CO2的排放逐漸受到重視 所以在不斷研究和改進將其作為尿素和碳銨生產(chǎn)原料的途徑 廢液主要是含氰化物和含氨的污水 目前 處理含氰化物污水主要有生化 加壓水解 氧化分解 化學沉淀 反吹回爐等方法 處理含氨廢水多以蒸餾的方法回收氨達到綜合利用的目的 對濃度過低的含氨廢水 可用離子交換法治理 依據(jù)上述流程 完成下列填空 1 天然氣脫硫時的化學方程式是 2 nmolCH4經(jīng)一次轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生CO0 9nmol 產(chǎn)生H2 mol 用含n的代數(shù)式表示 3 K2CO3 aq 和CO2的反應(yīng)在加壓下進行 加壓的理論依據(jù)是 a 相似相溶原理b 勒夏特列原理c 酸堿中和原理 4 由KHCO3分解得到的CO2可以用于 寫出CO2的一種重要用途 5 整個流程有三處循環(huán) 一是Fe OH 3循環(huán) 二是K2CO3 aq 循環(huán) 請在上述流程圖中再標出第三處循環(huán) 循環(huán)方向 循環(huán)物質(zhì) 4 CO2的用途較多 也是中學生應(yīng)當熟悉的 5 合成氨反應(yīng)中 N2和H2的轉(zhuǎn)化率較低 為了提高它們的轉(zhuǎn)化率 在分離出NH3后再將N2和H2循環(huán)使用 答案 1 3H2S 2Fe OH 3 Fe2S3 6H2O 2 2 7n 3 b 4 作制冷劑 5 合成氨發(fā)展方向 高效 環(huán)保 節(jié)能 四川有豐富的天然氣資源 以天然氣為原料合成尿素的主要步驟如圖所示 圖中某些轉(zhuǎn)化步驟及生成物未列出 請?zhí)顚懴铝锌瞻?1 已知0 5mol甲烷與0 5mol水蒸氣在t pkPa時 完全反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣 合成氣 吸收了akJ熱量 該反應(yīng)的熱化學方程式是 體驗3 2 在合成氨的實際生產(chǎn)過程中 常采取的措施之一是 將生成的氨從混合氣體中及時分離出來 并將分離出氨后的氮氣和氫氣循環(huán)利用 同時補充氮氣和氫氣 請運用化學反應(yīng)速率和化學平衡的觀點說明采取該措施的理由 3 當甲烷合成氨氣的