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，191
2、3 年，又 建立了生产规模的合成氨厂。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 H 2S 的除去，用方程式表示为： ； CO 的除去，用方程式表示为： ； CO 2的除
3、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 ，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
4、处理，先后采用直接 法 （选择性催化氧化） 、 法（用溶剂吸收浓缩，CO 2也可用来生产 和 等。 (3)废液：主要是含 和含 的污水，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 CH 2O COH 2 = = = = =高 温 CH4H 2O 3H2CO CH4H 2O 4H2CO 2 = = = = =高 温 = = = = =高 温 催 化 剂 2.除去原料中
5、杂质的过程 防止催化剂中毒 H2SNH 3H2O=NH4HSH 2O COH 2O CO2H 2 = = = = =催 化 剂 K2CO3CO 2 H2O=2KHCO3 3.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
6、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：CH 2O COH 2。 【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. 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
7、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、CO 2、O 2 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，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，
8、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：NH 3H2OH 2S=NH4HSH 2O。 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： COH 2O=CO2H 2，生成的二氧化碳常采用 K2CO3 溶液吸收： K2CO3CO 2 H2O=2KHCO3。 精制原料气：用醋酸、铜和氨配制成的溶液来吸收 CO、CO 2、O 2、H 2S 等少量有害气体， 进行精制处理。 (2) 为了使氨
9、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 、H 2 B .NH3 C. N2 、H 2 D .NH3、N 2 、H 2 (2)合成塔 分离器 【解析】合成氨的过程是将原料气(氮气、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
10、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 8
11、0%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
12、 _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： 2NaOHNONO 2=2NaNO2H 2O 2NaOH2NO 2=NaNO2NaNO 3H 2O 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 NO2 的两
13、个反应的化学方程式：_； _。 3.(1)C (2)铁触媒 2050 MPa 500 (3) CH 4H 2O CO3H 2 COH 2O CO2H 2 = = = = =催 化 剂 高 温 = = = = =催 化 剂 (4)Na 2CO3NONO 2=2NaNO2CO 2 Na 2CO32NO 2=NaNO2NaNO 3CO 2 【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
14、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，NH 4Cl 晶体，浓硫酸 D. NH4Cl 固体，碱石灰，消石灰 2.D【解析】NH 4Cl 固体和消石灰
15、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. 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.H2 4.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
16、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：CH 2O(g) COH 2，COH 2O(g) CO2H 2，N 23H 2 2NH3，参加反应= = = = = 高 温 = = = = =催 化 剂 的焦炭与氨气之间的物质的量之比为( ) A34 B32 C1 1 D12 5.A【解析】前两个化学方程相加得： C2H 2O CO22H 2= = = = = 高 温 因此，有关系式 C2H 2 而 N23H 2 2NH3 中有： 3H22NH 3 因此，32 得 3C 4NH3，故 n
17、(C)n(NH 3)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、C 6H14) 6.D【解析】生产出的 H2 用于合成 NH3：N 23H 2 2NH3，再由 NH3 与 CO2 合成尿素。 由此，可找出 H2 与 CO2 的关系式：3H 22NH 3CO 2。分别写出备选项中各物质与 H2O 反 应的化学方程式：A 项 CH 2O H2CO ，CO H 2O H2CO 2 总反= = = = = 高 温 = =
18、= = =高 温 应方程式为：C2H 2O 2H2CO 2；B 项 COH 2O H2CO 2；C 项= = = = = 高 温 = = = = =高 温 CH42H 2O 4H2CO 2；D 项= = = = = 高 温 C5H1210H 2O 16H25CO 2，C 6H1412H 2O 19H26CO 2。产物中，= = = = = 高 温 = = = = =高 温 n(H2)n(CO 2)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、H 2、NH 3 D.检验产物可用
19、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.C3H8 CH 2 B.C3H8 C3H6H 2 C.C3H8H 2O COH 2 极 高 温 高 温 脱 氢 催 化 剂 (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 mol B.6.7 mol C.10 mol D.2.7 mol
20、(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)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： AC 3H8 3C4H 2。 BC 3H8 C3H6H 2。 极 高 温 高 温 脱 氢 CC 3H83H 2O 3CO7H 2，生成的 CO 又能和 H2O 反应： 催 化 剂 COH 2O CO2H 2。 = = = = =高 温 当 C3H8均为 1 mol 时，C 选项的途径中产生 H2最多。 (2)C3H83
21、H 2O 3CO7H 2 3CO3H 2O 3CO23H 2 高 温 = = = = =高 温 N23H 2 2NH3 由以上反应可得 C3H810H 2,3H22NH 3。 根据相关量，进行计算： C3H810H 2 2NH3 103 1 mol mol 203 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
22、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)CH4 H2O CO3H 2(2 分) COH 2O CO2H 2(2 分) = = = = =高 温 = = = = =高 温 (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) 【解析】(1)整个工艺流程图示分为三部分，即造气、净
23、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)H 2O(g) CO2(g) H2(g) H0 。欲提高 CO 转化率可采用的方法可能有
24、：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：N 2(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H 下表所示，下列说说法正确的是( ) T/ 200 300 400 H2 的体积分数 a1 a2 25% A .a1a2 B.若反应在 400下
25、进行，则达到平衡时 N2 的转化率为 20% C.若反应在 300下进行，则达到平衡时反应放出的热量为 23.1 kJ D.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. 4kJmol1H 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 4125.13x = =20% )%(2N0 = =50%。温度升高，平衡向左移动，
26、a 1a 2。V%1.x 3.合成氨工业的主要反应为：N 2(g)3H 2(g) 2NH3(g) H 0，下图是合成氨的简要 流程示意图： (1)写出设备 A、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、NH 3 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 N 2 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。
