高中化学专题二从自然资源到化学品第一单元氨的合成学案苏教版选修2

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1、第一单元　氨的合成1．了解合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义，知道催化剂的研制对促进化工发展的重大意义，认识实际化工生产技术问题的复杂性，增强技术意识。2．从合成氨工业流程与技术出发了解化学在工农业生产中的具体应用，认识化学学科发展对化工生产技术进步的促进作用，认识化学工业在国民经济发展中的地位。卡尔·博施是德国工业化学家。他的主要贡献是改进了哈伯首创的高压合成氨法，找到了合适的氧化铁型催化剂，使合成氨生产工业化，称为“哈伯—博施法”。1908～1913年他改进了高压合成氨的催化方法，实现了合成氨的工业化生产，并在发展

2、高压化学方面取得了成就。因此他获得了1931年的诺贝尔化学奖。他的高压化学方法标志着化学合成工艺的巨大进步，此外，他还进行了合成汽油、合成甲醇的研究工作。一、合成氨反应条件的选择1．合成氨反应的特点合成氨是20世纪初德国人哈伯发明的。实际生产在高压、适宜温度和催化剂条件下进行：N2(g)＋3H2(g)2NH3(g)　ΔH＝－92.4kJ·mol－1，这一可逆反应的特点是正反应为气体体积减小的放热反应。2．合成氨反应条件的选择在合成氨生产中要综合考虑反应速率、催化剂工作温度、反应物转化率、反应装置材料与生产技术水平来确定反应的条件

3、。目前，工业上用铁触媒作催化剂，在20～50MPa、450℃左右用氮、氢混合气体进行氨的合成，得到的平衡混合物中，氨的含量约为20%。二、合成氨的生产工艺1．合成氨的工业流程(1)制备原料气。合成氨的生产首先需要合成原料气。原料气由体积比约为1∶3的氮气和氢气组成。(2)反应前原料气的处理。把原料气加压、预热后送到合成塔。(3)合成反应。在一定条件下发生合成反应，就可以得到含有一定质量分数氨气的平衡混合气。(4)反应后平衡混合气体的处理。从合成塔里排出的平衡混合气体中分离出氨气后，把未反应的氮、氢原料气送回合成塔循环利用。2．合

4、成塔的构造特点原料气从塔底进入，向上流经外筒的环隙，至顶端后再进入热交换器。折流向下的气体穿过热交换器的管间，被加热到400℃左右进入第一层催化剂，经反应后温度上升到500_℃左右。在第一、二层间，反应气与冷的原料气混合后进入第二层催化剂，以此类推，最后的气体从第四层催化剂底部排出，折流向上穿过中心管，再经热交换器的管内换热后自塔顶排出塔外。思考讨论：观察教科书中所示的合成氨塔结构，请思考问题：为什么原料气从塔底流经外筒环隙进入？为什么气体在反应前后都要通过热交换器？提示：原料气从塔底流经外筒环隙进入，原料气在反应前后都要通过热

5、交换器，这样使温度低的原料气与管内温度较高的平衡混合气逆向流动，目的是充分利用反应放出的热量，提高热交换效率。一、合成氨条件的选择外界条件有利于增大速率的条件控制有利于平衡正向移动的条件控制综合分析结果实际生产中选择的条件浓度增大反应物的浓度增大反应物的浓度，减小产物的浓度不断补充反应物，及时分离出产物N2与H2体积比约为1∶3，及时将氨气分离出，循环操作催化剂加合适的催化剂不需要加合适的催化剂铁触媒(催化剂的活性最大)温度高温ΔH＜0，选择低温兼顾速率和平衡，考虑催化剂的适宜温度450℃左右压强高压Δn(g)＜0，选择高压在设

6、备条件允许的前提下，尽量采取高压20～50MPa二、合成氨的基本生产过程1．造气原料气中的氮气来自于空气，而氢气来自于含氢的天然气、煤、炼油产品。以天然气为原料时，反应可简单表示为CH4＋H2OCO＋3H2，CO＋H2OCO2＋H2。2．原料气的净化(1)对原料气净化的原因：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”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。(2)吸收H2S：用稀氨水吸收H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。(3)除去CO：制造原料气过程中产生的CO必

7、须变成CO2除去。工业生产中在催化剂(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳可以与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气：CO＋H2OCO2＋H2。生成的二氧化碳，常采用K2CO3溶液吸收：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。(4)精制原料气：原料气通过用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收CO、CO2、O2、H2S等少量有害气体，进行精制处理。3．氨的合成与分离净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入氨合成塔，氮气与氢气在高温、高压和催化剂作用下合成氨。从合成塔出来的混合气体，通常约含20%(体积分数)的氨。为了使氨从没有起反应的

8、氮气和氢气里分离出来，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导入液氨贮罐。由气体分离器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。拓展思考：如何防止催化剂的中毒？提示：催化剂在稳定活性期间，往往因接触少量的杂质而使活性明显下降