人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》.docx
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人教版高中化学选修2第4课时《合成氨的基本生产过程和合成氨工业的发展》
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。
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
①物理方法:
②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
①碳与水蒸气的反应,用方程式表示为:
。
②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
①H2S的除去,用方程式表示为:
;
②CO的除去,用方程式表示为:
;
③CO2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,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C+H2O
CO+H2
CH4+H2O
3H2+COCH4+H2O
4H2+CO2
2.除去原料中杂质的过程防止催化剂中毒
H2S+NH3·H2O===NH4HS+H2OCO+H2O
CO2+H2
K2CO3+CO2+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)H2SCO2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:
C+H2O
CO+H2。
【即学即练1】合成氨所需的原料是( )
①水 ②空气 ③焦炭 ④铁触媒
A.①② B.②③C.①②③D.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】①一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。
②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。
③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
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+H2O=CO2+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:
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、H2B.NH3C.N2、H2D.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、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:
①电解水制取氢气,②由煤或焦炭来制取氢气,③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:
2NaOH+NO+NO2===2NaNO2+H2O2NaOH+2NO2===NaNO2+NaNO3+H2O
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的两个反应的化学方程式:
①_______________________________;
②______________________________________。
3.
(1)C
(2)铁触媒 20~50MPa 500℃
(3)③ CH4+H2O
CO+3H2 CO+H2O
CO2+H2
(4)①Na2CO3+NO+NO2===2NaNO2+CO2
②Na2CO3+2NO2===NaNO2+NaNO3+CO2
【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:
①原料气制备;②氨的合成;③原料气净化和压缩;④氨的分离。
其先后顺序为( )
A.①②③④ B.①③②④ C.④③②① D.②③④①
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H2B.催化剂C.NH3D.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:
C+H2O(g)
CO+H2,CO+H2O(g)
CO2+H2,N2+3H2
2NH3,参加反应的焦炭与氨气之间的物质的量之比为( )
A.3∶4B.3∶2C.1∶1D.1∶2
5.A【解析】前两个化学方程相加得:
C+2H2O
CO2+2H2
因此,有关系式C~2H2①
而N2+3H2
2NH3中有:
3H2~2NH3②
因此,①×3+②×2得3C~4NH3,故n(C)∶n(NH3)=3∶4。
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.CB.COC.天然气D.石脑油(C5H12、C6H14)
6.D【解析】生产出的H2用于合成NH3:
N2+3H2
2NH3,再由NH3与CO2合成尿素。
由此,可找出H2与CO2的关系式:
3H2~2NH3~CO2。
分别写出备选项中各物质与H2O反应的化学方程式:
A项C+H2O
H2+CO,CO+H2O
H2+CO2总反应方程式为:
C+2H2O
2H2+CO2;B项CO+H2O
H2+CO2;C项CH4+2H2O
4H2+CO2;D项C5H12+10H2O
16H2+5CO2,C6H14+12H2O
19H2+6CO2。
产物中,n(H2)∶n(CO2)最接近3∶1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、NH3D.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:
①干燥气体;②观察气体逸出速率便于控制比例;③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
C+H2B.C3H8
C3H6+H2C.C3H8+H2O
CO+H2
(2)按以上最合理的反应途径,理论上用1mol丙烷最多可制得氨气( )
A.4mol B.6.7molC.10molD.2.7mol
(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:
A.C3H8
3C+4H2。
B.C3H8
C3H6+H2。
C.C3H8+3H2O
3CO+7H2,生成的CO又能和H2O反应:
CO+H2O
CO2+H2。
当C3H8均为1mol时,C选项的途径中产生H2最多。
(2)C3H8+3H2O
3CO+7H23CO+3H2O
3CO2+3H2N2+3H2
2NH3
由以上反应可得C3H8~10H2,3H2~2NH3。
根据相关量,进行计算:
C3H8~10H2~
×2NH3
1mol
mol
所以1molC3H8最多可制得6.7mol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
CO+3H2(2分) CO+H2O
CO2+H2(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)
【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) ΔH<0。
欲提高CO转化率可采用的方法可能有:
①降低温度;②增大压强;③使用催化剂;④增大CO的浓度;⑤增大水蒸气的浓度,其中正确的组合是( )
A.①②③ B.④⑤C.①⑤D.⑤
1.C【解析】该可逆反应的特点为:
①正反应为放热反应;②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1.25molN2和1.25molH2,进行反应:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g)
=—92.4kJ·mol—1,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/℃
200
300
400
H2的体积分数
a1
a2
25%
A.a1B.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300℃下进行,则达到平衡时反应放出的热量为23.1kJ
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)
=—92.4kJ·mol—1
132
始:
1.25mol1.25mol0
变:
xmol3xmol2xmol23.1kJ
末:
1.25—xmol1.25—3xmol2xmol
=0.25
=
=20%
=
=50%。
温度升高,平衡向左移动,a1>a2。
3.合成氨工业的主要反应为:
N2(g)+3H2(g)
2NH3(g) ΔH<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、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。