课题2 人工固氮技术——合成氨.ppt
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1、课题2 人工固氮技术合成氨,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。 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,体现化工生产的过程,体现实验室研究与实际生产之间的转化过程。,一、氮的存在和固定 1存在 地壳中含量只有 ,大气中氮气占空气体积的 。 2氮的固定 (1)概念:氮的固定是指 的方法。 (2)分类,0.04%,78%,将游离态氮转化为化合态氮,二、合成氨的反应原理 1反应原理 用氢气和氮气合成氨的化学方程式为: 。 2反应特点 合成氨反应是一个 、 、 的反应。 3反应条件 工业上,合成氨的适宜条件为 、 、 。,可逆,放热,气体分子总数
2、减少,铁作催化剂,400500 ,的温度,1030 MPa的压强,三、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: 、 、 。,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: , 。,碳,CO2,CO2,2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
3、为: ; CO2的除去,用方程式表示为: 。,除去原料中杂质的过程,防止催化剂中毒,H2SNH3H2O=NH4HSH2O,K2CO3CO2H2O=2KHCO3,3氨的合成与分离 (1)氨的合成:将净化后的原料气加压送进 ,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 。 四、合成氨工业的发展 合成氨工业的主要研究领域有 、 、 。,合成塔,冷凝器,液氨贮罐,原料及原料气的净化,催化剂的改进,环境保护,一、合成氨适宜条件的选择 如果你是一个合成氨工厂的厂长,你对合成氨生产有何要求 ? 学生交流 【提示】 合成氨生产的要求
4、 合成氨工业要求:反应要有较大的反应速率;要最大限度地提高平衡混合物中NH3的含量。,工业合成氨的反应特点是什么?,运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识,同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条件? 师生互动 【提示】 (1)浓度:因为增大反应物浓度,能提高反应速率和转化率,故生产中常使用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。,(2)压强:无论从反应速率还是化学平衡考虑,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1030 MPa之间。 (
5、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500 左右为宜。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。目前工业上多以铁触媒为催化剂。,下列有关合成氨工业的叙述,可用勒夏特列原理来解释的是( ) A使用铁触媒,使N2和H2混合气体有利于合成氨 B高压比常压条件更有利于合成氨的反应 C500 左右比室温更有利于合成氨的反应 D合成氨时采用循环操作,可提高原料的利用率,【解析】 勒夏特列原理运用范围,就是能使已平衡的可逆反应发生平衡移动的一些因素。选项A中催化剂不能使平衡移动。选项B中加压
6、可使合成氨反应正向移动。选项C中高温不利于合成氨,只能加快反应速率,另外,500 左右铁触媒活性最大。选项D中,循环使用,不涉及平衡移动问题。 【答案】 B 【点评】 勒夏特列原理只能解释有关平衡移动问题,不能用于解释化学反应速率问题。有效碰撞理论、勒夏特列原理各有其应用的对象,应加以区分。,1.下列关于氮气、氢气合成氨的说法中,正确的是( ) A将氮气、氢气合成氨,必须施加高温、高压、催化剂等反应条件 B在氮气、氢气合成氨的化学反应中,催化剂的性能对反应物的温度和压强的高低具有一定的制约作用 C现代工业上实施的合成氨属于仿生固氮 D现代工业上实施的合成氨属于人工固氮,【解析】 催化剂是影响化
7、学反应速率外部因素中的主角。催化剂的性能强了,可以适当降低反应物的温度和压强;催化剂的性能弱了,就要适当的提高反应物的温度和压强。催化剂固有性能的发挥与温度有直接的关系,温度太高或太低,都会降低催化剂的活性。 生物固氮,是自然界中的一些微生物种群(如豆科植物的根廇菌)以自身的固氮酶为催化剂,在常温、常压下,通过生物化学过程,将空气中的氮气转化成含氮化合物的固氮过程。仿生固氮是人为的利用具有固氮酶作用的人造催化剂在常温、常压下的固氮。显然,现代工业上实施的合成氨不属于仿生固氮。 【答案】 BD,二、合成氨的基本生产过程 合成氨的原料气是如何制备的? 学生交流 【提示】 制备合成氨的原料气 氮气:
8、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:CH2O=COH2。,原料气在合成氨之前为何进行净化?如何净化? 师生互动 【提示】 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:NH3H2OH2S
9、=NH4HSH2O。,(3)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:K2CO3CO2H2O=2KHCO3。 (4)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。,氨的合成与分离是如何进行的?画出整个生产流程图。 师生互动 【提示】 (1)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
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