unit7 氨,硝酸和尿素

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1、Unit7Ammonia,NitricAcidandUrea氨、硝酸和尿素虽然N2占我们呼吸的空气3/4以上，但是N2不容易用于进一步化学应用。对化学工业来说，N2生成有用化学品的生物转化反应难以实现是很尴尬的，因为所有的工业技术人员的努力（或尝试）还没有找到该过程的简单转化方法。在常压和室温条件下，豆类植物能从空气中吸入N2将之转化为NH3以及含NH4-的产物。尽管（化学工作者）花了一百年的精力，要实现上述转化，化学工业上仍然需要高温和上百个大气压的压力。Harber过程的发明之前，所有的含氮化学品都来自于有生物活性的矿

2、物资源。基本上，所生产的化学品中所有的N（元素）都来自于Harber法得来的NH3。NH3的产量如此之大，（尽管因为氨分子较轻，生产的其它产品的量更大，但其生产的NH3的分子数要多于其他任何化合物），以及该过程所需能源是如此的密集，以致于据估计，在二十世纪八十年代NH3的生产就消耗全世界能源供应的3%。1、Harber法合成NH3引言。所有的生产NH3的方法基本都是以Harber法为基础，稍稍加以改变，该过程是由arber、Nerst、Bosh在德国于一战前开发出来的。N2+3H2≒2NH3原则上，H2和N2间的反应很容易

3、进行，该反应是放热反应，低温时平衡向右移动。所不幸的是，自然界赋予的N2一个很强的叁键，这使得N2分子不易受热力学因素的影响。用科学术语来说，该分子是动力学惰性的。因此，要使该反应以适当的速度进行，需要相当苛刻的反应条件。实际上，“固定”（意思相互矛盾，“有用的反应活性”）氮的一种主要来源是闪电过程，闪电时生产大量的热量，把N2和O2转化为氮氧化合物。在化工厂中要得到可观的NH3的转化率，我们有必要使用催化剂。Harber发现的催化剂（这使他获得诺贝尔奖）。是一些价廉的含铁的化合物。即使有该催化剂，这反应也需要很高压力（早

4、期高达600个大气压）和高温（大约400℃）。因为四个气体分子转化为两个气体分子，所以增加压力使平衡向右（正方向）移动。然而，尽管高温使反应速度加快，但是高温使平衡向右移动，因此，所选的条件必然是折中的结果，使反应能以合理的速率进行，并得到令人满意的转化率。准确条件的选择将取决于其他的经济因素和催化剂的具体情况。因为资本和能耗费用越发重要，当代的工厂已经趋向于比早期工厂在更低的压力和更高的温度（循环使用未转化的物料）下进行操作。生物固氮也使用了一种催化剂，该催化剂镶在较大的蛋白质分子中含有钼和铁，其详细结构直到1992年才

5、被化学家弄清楚，该催化剂的详细作用机理尚未清楚。原料。该过程除能量外，还需要以下两种原料：N2和H2。N2很容易从空气中提取，但是H2的来源很成问题。以前，H2来源于通过煤的焦化反应，煤用作造气的原料（主要是C的来源），在造气过程中，水蒸气与C反应生成H2、CO和CO2。如今，以天然气（主要是甲烷）来代替煤做原料，尽管也可以使用来自石油的烃类物质。通常，制NH3的工厂包括与NH3生产直接相连的H2生产车间。在造气反应之前，含硫化合物必须从烃原料中除去，因为它们既能污染造气催化剂又能污染Harber催化剂。第一除硫步骤需要钴

6、-钼催化剂。该催化剂能将所有的含硫化合物氢化生成H2S，H2S能与ZnO反应（ZnS和H2O）加以除去。主要的造气反应中，下列甲烷反应最为典型（甲烷的反应发生于约750℃.含镍催化剂上）CH4+H2O→CO+3H2（合成气）CH2+2H2O→CO2+4H2其他烃经历类似反应。在二段炉中，空气注入温度1100℃的气流，除了发生其他反应外，空气中的O2与H2反应生成H2O，结果剩下的混合气中N2与H2的比接近理想比3：1，不含氧气。然而，下一步反应必须通过下列变换反应将更多的CO转变为H2和CO2。CO+H2O→CO2+H2为

7、使其尽可能反应完全，此反应在较低温度下以两步进行（一步是在400℃用铁为催化剂，另一步是在200℃下以铜为催化剂）。下一步中，CO2必须从气体混合物中除去。除去CO2可以用该酸性气体与碱性溶液（如KOH和（或）单乙醇胺或二乙醇胺反应得以实现。这一步中，仍然存在CO（污染Harbor催化剂）对H2-N2混合物造成很大污染，需要用另一步去将CO的量降低至ppm级，这一步称为甲烷化反应，涉及到CO和H2反应生成甲烷（即一些转化反应的逆反应），该反应大约在325℃操作，用一种Ni催化剂。合成气混合物准备用于Harbor反应。NH3

8、的生产各种不同氨厂的共同特征是合成气都要经过加热，压缩，输送到含催化剂的反应器中，该基本反应方程式很简单：N2+3H2≒2NH3该工业要实现的是：要令人满意的反应速度和反应产率，不同的时期和不同的经济环境下谋求不同的折中方案，早期的制氨厂热衷于高压反应（其目的是在单程反应器中提高产率），但是当今大多数氨