1、第4课时 合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展学案【学习目标】1.了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件。2.了解实验研究与实际生产之间的转化。3.了解合成氨的发展4.了解合成氨工业的三废处理。【重点难点】1.合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义2.利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。课前预习【情景材料】在让合成氨的工艺走出实验室实验工业化学生产的过程中，德国化学工程师博施作出了重大贡献，他经过大量试验，找到较为理想的铁催化剂，设计并建造了能够耐高温、高压的合成氨装置。1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验厂，1913年，又建立了生产规模的合成氨厂
2、。从此以后，合成氨工业便迅速发展起来。工业上是如何合成氨的？【预习内容】根据教材有关内容填写下列空白：一、合成氨的基本生产过程合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤： 、 、 。1.原料气的制备(1)氮气的制备物理方法： 化学方法：将空气中的氧气与 作用生成 ，再除去 。(2)氢气的制备碳与水蒸气的反应，用方程式表示为： 。水蒸气与碳氢化合物的反应，用方程式表示为： ， 。2.原料气的净化(1)含义：原料气的净化是指 ，目的是 。(2)净化方法H2S的除去，用方程式表示为：；CO的除去，用方程式表示为：；CO2的除去，用方程式表示为：。3.氨的合成与分离(1)氨的合成：将净化后的原料气加压送进
3、，在适宜条件下充分反应制取氨。(2)从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过 使氨液化，再导入 。二、合成氨工业的发展1.原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自 ，现在氢气主要通过不同的 态可燃物（煤和焦炭）、 态可燃物（石油提炼后的石脑油、重油）、 态可燃物（天然气、焦炉气）为原料。2.催化剂的改进多年来一直用 作催化剂，目前有采用 为基础活性物质的新型催化剂。3.环境保护(l)废渣：可用作 的原料。(2)废气：主要是 和 等有害气体，对H2S的处理，先后采用直接 法（选择性催化氧化）、 法（用溶剂吸收浓缩，CO2也可用来生产 和 等。(3)废液：主要是含 和含 的
4、污水，处理含氰化物主要用 、加压 、 分解、 、沉淀、 回炉等方法；处理氨废水可用 的方法回收氨气，也可用治理。预习内容答案一、造气(制备合成氨的原料气)；净化(原料气净化处理)；合成(使原料气进行化学反应合成氨)。1.液态空气 液氮 液氧 碳 二氧化碳 二氧化碳 CH2OCOH2CH4H2O3H2CO CH4H2O4H2CO22.除去原料中杂质的过程 防止催化剂中毒H2SNH3H2O=NH4HSH2O COH2OCO2H2K2CO3CO2H2O=2KHCO33.合成塔 冷凝器 液氨贮罐二、1空气 固 液 气2磁铁矿 钌3(1)建材和肥料(2) H2S CO2 氧化 循环 尿素 碳铵(3)氰化
5、物 氨 生化 水解 氧化 化学 反吹 蒸馏 离子交换法堂中互动【问题探究1】合成氨的原料气是如何制备的？【教师点拨】原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因从素。分析解答: 制备合成氨的原料气氮气：合成氨所需要的氮气都取自空气。从空气中制取氮气通常有两种方法：一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气；另一是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。氢气：氢气则来源于水和碳氢化合物。可以将水蒸气通过赤热的煤(或焦炭)层，使水蒸气与碳发生化学反应生成一氧化碳和氢气：CH2OCOH2。【即学即练1】合成氨所需的原料是()水 空气 焦炭 铁触媒A. B. C
6、. D.全部1.C【解析】铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。【问题探究2】原料气在合成氨之前为何进行净化？如何净化？氨的合成与分离是如何进行的？【教师点拨】一氧化碳的变换具有重要的意义：一是提高了燃料的利用率和氢气的产率；二是解决了氢气中的杂质难以除去的问题。在原料气净化的最后，还要将原料气作精制处理使杂质的含量减少到最低程度。常用的方法之一是用醋酸、铜和氨配成的溶液来吸收H2S、CO、CO2、O2等杂质。将氨从反应混合物中分离出来，利用的原理是氨易液化，氮气和氢气难液化，采用的方法是将混合气体通过冷凝器使氨液化。循环操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；从工艺设计以及环境保护角度来说
7、，循环操作有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制废弃物的排放，因此，循循环操作常常成为化学工艺设计时重点考虑的问题。分析解答：原料气的净化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。吸收H2S：用稀氨水吸收H2S杂质：NH3H2OH2S=NH4HSH2O。除去CO：制造原料气过程中产生的CO必须变成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：COH2O=CO2H2，生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸收：K2CO3CO2
8、H2O=2KHCO3。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，进行精制处理。(2) 为了使氨从没有反应的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。【即学即练2】下图是合成氨的简要流程示意图：(1)写出所含主要物质的化学式：A_，B_，C_，D_。(2)写出设备名称：D_，E_。2.(1)A. N2 、H2 B .NH3 C. N2 、H2 D .NH3、N2 、H2 (2)合成塔 分离器 【解析】合成氨的过程是将原料气(氮气、
9、氢气)压缩后送入合成塔内进行反应，然后冷却，在分离器的作用下，将液氨分离出来，剩余的气体(氮气和氢气)再进入合成塔内合成，这样循环利用，可提高产率。【问题探究3】联合生产是指在整个生产过程中生产多种产品。根据合成氨的生产过程，请举例说明合成氨工业可以进行哪些联合生产或深加工？【教师点拨】联合生产可以使原料、产品等物料得到充分的利用，减少物流交通所耗费的人力、物力，降低产品的成本。可以实现能量和设备等资源、技术的共享，也是绿色化学工艺改进的一条重要思路。分析解答：从经济角度，联合生产有可能实现大规模生产，以求得规模效益和综合效益的最大化。例如，合成氨与硝铵、碳铵等氮肥生产：的联合，石油精炼厂与合
10、成洗涤剂厂的联合生产等。【即学即练3】氨在国民经济中占有重要的地位。现在约有80%的氨用来制造化肥，其余的用作生产其他化工产品的原料。例如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。(1)对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是()A.都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响B.都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C.都能缩短达到平衡状态所用时间，只有压强对化学平衡状态有影响D.催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间，而压强无此作用(2)综合考虑
11、各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以_为催化剂，压强在_之间，温度在_左右。(3)要实现合成氨的工业化生产，首先要解决氢气和氮气的来源问题。氢气的制取可有以下几条途径：电解水制取氢气，由煤或焦炭来制取氢气，由天然气或重油制取氢气。你认为哪种方法是最佳选择？_(填序号)，其反应的化学方程式为_。(4)硝酸厂的尾气中含有NO和NO2等污染物，为了防止污染大气可以用烧碱溶液吸收从吸收塔中放出的尾气，发生的反应如下：2NaOHNONO2=2NaNO2H2O 2NaOH2NO2=NaNO2NaNO3H2O但在实际生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且放出CO2，试写出用纯碱溶液吸收NO和NO
12、2的两个反应的化学方程式：_；_。3.(1)C(2)铁触媒2050 MPa500 (3)CH4H2OCO3H2COH2OCO2H2(4)Na2CO3NONO2=2NaNO2CO2Na2CO32NO2=NaNO2NaNO3CO2【解析】(1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反应速率，不能使化学平衡发生移动；高压能提高化学反应速率，也能使化学平衡向生成氨的方向移动。(3)电解水制氢气，电能消耗大，成本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。天然气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。练案A组（课堂反馈 满分50分）一、选择题（每小题5分，共35分）1.油炸虾条、薯片等易碎的食品，不宜选用真空
13、袋装而应采用充气袋装。在实际生产中，充入此类食品袋的是下列气体中的（ ） A. 氧气 B. 二氧化碳 C. 空气 D. 氮气 1.D【解析】易碎食品在储存的时候要注意防氧化和抗挤压。在食品袋中冲入氮气既可以防挤压又可以防氧化。2.制备干燥氨气所需的药品是( ) A. NH4Cl溶液，NaOH溶液，熟石灰 B. 饱和氨水 C. NaOH溶液，NH4Cl晶体，浓硫酸 D. NH4Cl固体，碱石灰，消石灰 2.D【解析】NH4Cl固体和消石灰混合加热生成NH3，碱石灰吸收水，可得到干燥的氨气。3.合成氨工业有下列流程：原料气制备；氨的合成；原料气净化和压缩；氨的分离。其先后顺序为（ ）A. B. C
14、. D.3.B【解析】对于合成氨工业工艺流程，首先制取原料气，然后在进入合成塔之前，为防止催化剂中毒及动力因素，要对原料气进行净化和压缩。进入合成塔进行合成后，要及时分离出液氨，并进行循环操作，以增强N2和H2的利用率。4.下图是合成氨的简要流程示意图沿X路线回去的物质是()A.N2和H2 B.催化剂 C.NH3 D.H24.A【解析】从合成塔出来的混合气中有相当一部分是未反应的氮气和氢气，单程转化会造成极大的浪费，实际生产中采用了循环法，将它们重新送回合成塔继续反应，同时不断地补充新鲜的原料气。5.用焦炭、水、空气来制取氨气的化学方程式：CH2O(g)COH2，COH2O(g)CO2H2，N
15、23H22NH3，参加反应的焦炭与氨气之间的物质的量之比为()A34 B32 C11 D125.A【解析】前两个化学方程相加得：C2H2OCO22H2因此，有关系式C2H2而N23H22NH3中有：3H22NH3因此，32得3C4NH3，故n(C)n(NH3)34。6.已知焦炭、一氧化碳和烃类化合物都能与水反应产生合成尿素的原料氢气和二氧化碳，从充分利用原料的角度考虑，用下列物质生产H2和CO2最为合适的是()A.C B.CO C.天然气 D.石脑油(C5H12、C6H14)6.D【解析】生产出的H2用于合成NH3：N23H22NH3，再由NH3与CO2合成尿素。由此，可找出H2与CO2的关系
16、式：3H22NH3CO2。分别写出备选项中各物质与H2O反应的化学方程式：A项CH2OH2CO，COH2OH2CO2总反应方程式为：C2H2O2H2CO2；B项COH2OH2CO2；C项CH42H2O4H2CO2；D项C5H1210H2O16H25CO2，C6H1412H2O19H26CO2。产物中，n(H2)n(CO2)最接近31的最合适。7.实验室合成氨装置如下图所示，则以下说法中错误的是()A.装置甲的作用之一是干燥 B.装置甲的作用是化合C.乙处导出的气体是N2、H2、NH3 D.检验产物可用湿润的红色石蕊试纸或浓盐酸等7.B【解析】装置甲的作用有三点：干燥气体；观察气体逸出速率便于控
17、制比例；使气体混合均匀。二、填空题（共15分）8.(6分) 工业上合成氨的原料之一氢气，有一种来源是石油气，如丙烷。(1)有人设计了以下反应途径(反应方程式未配平)，假设反应都能进行，你认为最合理的是()A.C3H8CH2 B.C3H8C3H6H2 C.C3H8H2OCOH2(2)按以上最合理的反应途径，理论上用1 mol丙烷最多可制得氨气()A.4 molB.6.7 mol C.10 mol D.2.7 mol(3)该合理的反应途径最显著的优点是()A.简单易行 B.制得的H2纯度高 C.制得的H2产量高D.可同时获得大量热量8.(1)C（2分）(2)B（2分）(3)C（2分）【解析】(1)
18、要分析得出哪种反应方式生成的H2最多，配平反应的化学方程式如下：AC3H83C4H2。 BC3H8C3H6H2。CC3H83H2O3CO7H2，生成的CO又能和H2O反应：COH2OCO2H2。当C3H8均为1 mol时，C选项的途径中产生H2最多。(2)C3H83H2O3CO7H2 3CO3H2O3CO23H2 N23H22NH3由以上反应可得C3H810H2,3H22NH3。根据相关量，进行计算：C3H810H22NH31 mol mol所以1 mol C3H8最多可制得6.7 mol氨，应选B。9.(9分) 下图是工业生产中合成氨流程示意图，仔细观察图示中的物质变化关系及工艺特点，回答下
19、列问题：(1)合成氨的整个工业生产包括造气、净化、合成氨三大部分，其中上述工艺流程图示中已经将造气与净化装置用竖线分开，请你在图示中再将净化与合成氨装置用竖线分开。(2)合成氨工业中的氢气来源于天然气、煤等物质，根据图示物质的变化关系写出两个生成氢气的化学方程式：_；_。(3)净化装置中可以消除造气过程中产生的杂质，目的是_。(4)目前国家倡导节能减排，观察上述工艺流程图示，写出合成氨工业中节能减排的两项措施_ _。9.(1)(2分)(2)CH4H2OCO3H2(2分)COH2OCO2H2(2分)(3)防止催化剂中毒(1分)(4)氢气、氮气的循环利用(1分)；利用反应产生的热预热合成气体(1分
20、)【解析】(1)整个工艺流程图示分为三部分，即造气、净化和合成氨装置。其中“洗涤塔”就是净化装置，而合成塔则是合成氨气的装置，另外还有氨气分离装置。(2)图示中进入“转化炉”的气体是甲烷与水蒸气，而出来的气体有氢气、CO，故在转化炉中发生的甲烷与水蒸气的反应；转化炉中的CO产物对制备合成氨无用，故在“变换塔”中通入水蒸气使之与一氧化碳反应可以制备氢气。(3)工业合成氨需要催化剂，而催化剂往往会因为杂质的存在而降低催化效果，所以需要除杂。B组（课后拓展）1.合成NH3所需的H2可由煤与H2O反应制得，其中有一步反应为CO(g)H2O(g) CO2(g)H2(g)H0。欲提高CO转化率可采用的方法
21、可能有：降低温度；增大压强；使用催化剂；增大CO的浓度；增大水蒸气的浓度，其中正确的组合是()A. B. C. D.1.C【解析】该可逆反应的特点为：正反应为放热反应；反应前后气体体积不改变。结合勒夏特列原理可选出答案。2.在体积为0.5L的恒容密闭容器中充入1.25 mol N2和1.25molH2，进行反应：N2(g)+3H2(g) 2NH3 (g) = 92. 4kJmol1，在不同温度下达到平衡时测得H2的体积分数如下表所示，下列说说法正确的是( )T/200300400H2的体积分数a1a225%A .a1a2B.若反应在400下进行，则达到平衡时N2的转化率为20%C.若反应在30
22、0下进行，则达到平衡时反应放出的热量为23.1 kJD.若反应在200下进行，则达到平衡畸时N2的体积分数为50%2.A【解析】本题考查化学平衡的计算和化学平衡移动知识点。N2(g) + 3H2(g) 2NH3 (g) = 92. 4kJmol1 1 3 2始：1.25mol 1.25 mol 0变：x mol 3x mol 2x mol 23.1 kJ末：1.25x mol 1.253x mol 2x mol =0.25 =20% =50%。温度升高，平衡向左移动，a1a2。3.合成氨工业的主要反应为：N2(g)3H2(g) 2NH3(g)H0，下图是合成氨的简要流程示意图：(1)写出设备A
23、、B的名称：A_，B_；沿X路线进入压缩机的物质是_。(2)原料气往往混有CO、NH3等杂质，在进入合成塔之前需净化，净化的原因是_。(3)氮、氢混合气体送入合成塔前要通过压缩机压缩的原因是_；在合成塔中及时分离出氨气的目的是_。(4)合成塔从上到下将催化剂分成四层，在层与层之间冷激气(冷的原料气)和反应气混合，请问这样设计的原因是理由：_ _。(5)原料气从塔底流经外筒环隙进入理由：_ _；气体在反应前后都要通过热交换器理由：_ _。3.(1)热交换器合成塔N2和H2(2)防止催化剂中毒(3)增大反应物浓度，加快反应速率，使平衡朝生成NH3的方向进行减小生成物的浓度，使平衡朝生成NH3的方向进行(4)冷激气与每一层的反应混合气及时进行热交换，既预热原料气，又保证反应混合气的温度控制在500 左右，使每一层的催化剂都能起到最大的催化作用(5)进行热交换，预热原料气，加快反应速率；充分利用反应放出的热量，节约能源。 (4)原料和热的循环利用是符合节能减排的时代要求。