四川大学级化工认识实习报告文档格式.docx

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极易溶于水，常温常压下1体积水可溶解700倍体积氨。

氨对地球上的生物相当重要，它是所有食物和肥料的重要成分。

氨也是所有药物直接或间接的组成。

氨有很广泛的用途，同时它还具有腐蚀性等危险性质。

由于氨有广泛的用途，氨是世界上产量最多的无机化合物之一，多于八成的氨被用于制作化肥。

NH3用于制氨水、液氨、氮肥（尿素、碳铵等）、HNO3、铵盐、纯碱，广泛应用于化工、轻工、化肥、制药、合成纤维、塑料、染料、制冷剂等。

2.氨（NH3）的一般制法

a.合成氨的工艺流程

（1）原料气制备将煤和天然气等原料制成含氢和氮的粗原料气。

对于固体原料煤和焦炭，通常采用气化的方法制取合成气；

渣油可采用非催化部分氧化的方法获得合成气；

对气态烃类和石脑油，工业中利用二段蒸汽转化法制取合成气。

（2）净化对粗原料气进行净化处理，除去氢气和氮气以外的杂质，主要包括变换过程、脱硫脱碳过程以及气体精制过程。

　　①一氧化碳变换过程

　　在合成氨生产中，各种方法制取的原料气都含有CO，其体积分数一般为12%~40%。

合成氨需要的两种组分是H2和N2，因此需要除去合成气中的CO。

变换反应如下：

　　CO+H2O→H2+CO2ΔH=-41.2kJ/mol

　　由于CO变换过程是强放热过程，必须分段进行以利于回收反应热，并控制变换段出口残余CO含量。

第一步是高温变换，使大部分CO转变为CO2和H2；

第二步是低温变换，将CO含量降至0.3%左右。

因此，CO变换反应既是原料气制造的继续，又是净化的过程，为后续脱碳过程创造条件。

　　②脱硫脱碳过程

　　各种原料制取的粗原料气，都含有一些硫和碳的氧化物，为了防止合成氨生产过程催化剂的中毒，必须在氨合成工序前加以脱除，以天然气为原料的蒸汽转化法，第一道工序是脱硫，用以保护转化催化剂，以重油和煤为原料的部分氧化法，根据一氧化碳变换是否采用耐硫的催化剂而确定脱硫的位置。

工业脱硫方法种类很多，通常是采用物理或化学吸收的方法，常用的有低温甲醇洗法（Rectisol）、聚乙二醇二甲醚法（Selexol）等。

　　粗原料气经CO变换以后，变换气中除H2外，还有CO2、CO和CH4等组分，其中以CO2含量最多。

CO2既是氨合成催化剂的毒物，又是制造尿素、碳酸氢铵等氮肥的重要原料。

因此变换气中CO2的脱除必须兼顾这两方面的要求。

　　一般采用溶液吸收法脱除CO2。

根据吸收剂性能的不同，可分为两大类。

一类是物理吸收法，如低温甲醇洗法（Rectisol），聚乙二醇二甲醚法（Selexol），碳酸丙烯酯法。

一类是化学吸收法，如热钾碱法，低热耗本菲尔法，活化MDEA法，MEA法等。

　　③气体精制过程

　　经CO变换和CO2脱除后的原料气中尚含有少量残余的CO和CO2。

为了防止对氨合成催化剂的毒害，规定CO和CO2总含量不得大于10cm3/m3（体积分数）。

因此，原料气在进入合成工序前，必须进行原料气的最终净化，即精制过程。

目前在工业生产中，最终净化方法分为深冷分离法和甲烷化法。

深冷分离法主要是液氮洗法，是在深度冷冻（<

-100℃）条件下用液氮吸收分离少量CO，而且也能脱除甲烷和大部分氩，这样可以获得只含有惰性气体100cm3/m3以下的氢氮混合气，深冷净化法通常与空分以及低温甲醇洗结合。

甲烷化法是在催化剂存在下使少量CO、CO2与H2反应生成CH4和H2O的一种净化工艺，要求入口原料气中碳的氧化物含量（体积分数）一般应小于0.7%。

甲烷化法可以将气体中碳的氧化物（CO+CO2）含量脱除到10cm3/m3以下，但是需要消耗有效成分H2，并且增加了惰性气体CH4的含量。

甲烷化反应如下：

　　CO+3H2→CH4+H2OΔH=-206.2kJ/mol

CO2+4H2→CH4+2H2OΔH=-165.1kJ/mol

　　（3）氨合成将纯净的氢、氮混合气压缩到高压，在催化剂的作用下合成氨。

氨的合成是提供液氨产品的工序，是整个合成氨生产过程的核心部分。

氨合成反应在较高压力和催化剂存在的条件下进行，由于反应后气体中氨含量不高，一般只有10%~20%，故采用未反应氢氮气循环的流程。

氨合成反应式如下：

　　N2+3H2→2NH3（g）ΔH=-92.4kJ/mol

b.合成氨的催化机理

　　热力学计算表明，低温、高压对合成氨反应是有利的，但无催化剂时，反应的活化能很高，反应几乎不发生。

当采用铁催化剂时，由于改变了反应历程，降低了反应的活化能，使反应以显著的速率进行。

目前认为，合成氨反应的一种可能机理，首先是氮分子在铁催化剂表面上进行化学吸附，使氮原子间的化学键减弱。

接着是化学吸附的氢原子不断地跟表面上的氮分子作用，在催化剂表面上逐步生成—NH、—NH2和NH3，最后氨分子在表面上脱吸而生成气态的氨。

上述反应途径可简单地表示为：

　　xFe+N2→FexN

　　FexN+〔H〕吸→FexNH

　　FexNH+〔H〕吸→FexNH2

　　FexNH2+〔H〕吸FexNH3→xFe+NH3

在无催化剂时，氨的合成反应的活化能很高，大约335kJ/mol。

加入铁催化剂后，反应以生成氮化物和氮氢化物两个阶段进行。

第一阶段的反应活化能为126kJ/mol～167kJ/mol，第二阶段的反应活化能为13kJ/mol。

由于反应途径的改变（生成不稳定的中间化合物），降低了反应的活化能，因而反应速率加快了。

3.四川金象化工产业集团股份有限公司的制NH3

烃类蒸汽转化：

一段转化（一段转化炉），加入蒸汽，镍催化剂，主要反应（吸热反应，剩余CH410%左右）：

CH4＋H2O（汽）＝CO＋3H2

二段转化（二段转化炉），加入空气，主要反应，（剩余CH40.5%左右）：

2H2＋O2＝2H2O（汽）

2CO＋O2＝CO2

CH4＋H2O（汽）＝CO＋3H2

原料气主要成分：

CO、CO2、H2O、H2、N2

一氧化碳变换

分高温（400~550℃）变换和低温（200~280℃）变换二段进行，主要反应（残余CO降至0.3%左右）：

CO＋H2O（汽）＝CO2＋H2

CO2、H2、N2、其它微量成分

二氧化碳脱除

主要是吸收法，用吸收液吸收原料气中CO2，解吸后送到尿素车间，根据吸收液不同有物理吸收、化学吸收或物理化学吸收

H2、N2、微量碳氧化物及惰气

甲烷化（微量一氧化碳、二氧化碳脱除）

催化剂存在下进行，主要反应（残余碳氧化物可降至10ppm以下）：

CO＋3H2＝CH4＋H2O

CO2＋4H2＝CH4＋2H2O

H2、N2、惰气及微量甲烷

氨合成

氨合成塔内进行，高压，气固催化反应：

N2＋3H2＝NH3（气相）

受化学反应平衡限制，只有15~20%原料气变成氨

•物料成分：

NH3、H2、N2、惰气及微量甲烷氨分离

利用氨与氮气、氢气的冷凝温度不同分离氨

冷冻方法分离出液氨（产品，生产尿素原料）

•循环气（未反应氢气和氮气返回）

4.氨气（NH3）的化学性质

（1）跟水反应

　　氨在水中的反应可表示为：

NH3+H2O=NH3·

H2O

　　一水合氨不稳定受热分解生成氨和水

　　氨水中存在三分子、三离子、三平衡

　　分子：

NH3．NH3·

H2O、H2O；

　　离子：

NH4+、OH-、H+；

　　三平衡：

NH3+H2ONH3·

H2ONH4++OH-

　　H2OH++OH-

　　氨水在中学化学实验中三应用

　　①用蘸有浓氨水的玻璃棒检验HCl等气体的存在

　　②实验室用它与铝盐溶液反应制氢氧化铝

　　③配制银氨溶液检验有机物分子中醛基的存在。

（2）跟酸反应

　　2NH3+H2SO4===（NH4）2SO4

　　NH3+HCl===NH4Cl

　　3NH3+H3PO4===（NH4）3PO4

　　NH3+CO2+H2O===NH4HCO3

　　（反应实质是氨分子中氮原子的孤对电子跟溶液里具有空轨道的氢离子通过配位键而结合成离子晶体。

若在水溶液中反应，离子方程式为：

　　8NH3+3Cl2===N2+6NH4Cl

　　（黄绿色褪去，产生白烟）

反应实质：

2NH3+3Cl2===N2+6HCl

总反应式：

8NH3+3Cl2===N2+6NH4Cl

（3）在纯氧中燃烧

　　4NH3+3O2==点燃==2N2+6H2O

（4）与碳的反应

　　NH3+C=加热=HCN+H2↑（剧毒氰化氢）

（5）液氨的自偶电离

　　液氨的自偶电离为：

　　2NH3==（可逆）NH2-+NH4+K=1.9×

10^-30（223K）

（6）取代反应（氨解反应）

　　取代反应的一种形式是氨分子中的氢被其他原子或基团所取代，生成一系列氨的衍生物。

另一种形式是氨以它的氨基或亚氨基取代其他化合物中的原子或基团，例如；

　　COCl2+4NH3==CO（NH2）2+2NH4Cl

　　HgCl2+2NH3==Hg（NH2）Cl+NH4Cl

　　这种反应与水解反应相类似，实际上是氨参与的复分解反应，故称为氨解反应。

（7）与水、二氧化碳反应

　　NH3+H20+CO2==NH4HCO3

　　该反应是侯氏制碱法的第一步，生成的碳酸氢铵与饱和氯化钠溶液反应生成碳酸氢钠沉淀，加热碳酸氢钠制得纯碱。

　　此反应可逆，碳酸氢铵受热会分解

　　NH4HCO3=（加热）=NH3+CO2+H2O

（2）硝酸

硝酸（nitricacid）分子式HNO3无色透明液体。

有窒息性刺激气味。

含量为68%左右，易挥发。

在空气中产生白雾，是硝酸蒸汽于水蒸汽结合而形成的硝酸小液滴。

露光能产生四氧化二氮而变成棕色。

有强酸性。

能使羊毛织物和动物组织变成嫩黄色。

能与乙醇、松节油、碳和其他有机物猛烈反应。

能与水混溶。

能与水形成共沸混合物。

相对密度（d204）1.41。

沸点120.5℃（68%）。

有强氧化性，与除金铂外的金属反应放出二氧化氮或一氧化氮，是一种有强氧化性、强腐蚀性的无机酸，酸酐为五氧化二氮。

硝酸的酸性较硫酸和盐酸小（PKa=-1.3），易溶于水，在水中完全电离，常温下其稀溶液无色透明，浓溶液显棕色。

硝酸不稳定，易见光分解，应在棕色瓶中于阴暗处避光保存，严禁与还原剂接触。

硝酸在工业上主要以氨氧化法生产，用以制造化肥、炸药、硝酸盐等，在有机化学中，浓硝酸与浓硫酸的混合液是重要的硝化试剂。

作为硝酸盐和硝酸酯的必需原料，硝酸被用来制取一系列硝酸盐类氮肥，如硝酸铵、硝酸钾等；

也用来制取硝酸酯类或含硝基的炸药。

　　由于硝酸同时具有氧化性和酸性，硝酸也被用来精炼金属：

即先把不纯的金属氧化成硝酸盐，排除杂质后再还原。

硝酸能使铁钝化而不致继续被腐蚀。

还可供制氮肥、王水、硝酸盐、硝化甘油、硝化纤维素、硝基苯、苦味酸等.

　　将甘油放和浓硝酸、浓硫酸中，会生成硝化甘油。

这是一种无色或黄色的透明油状液体，是一种很不稳定的物质，受到撞击会发生分解，产生高温，同时生成大量气体。

气体体积骤然膨胀，产生猛烈爆炸。

所以硝化甘油是一种烈性炸药。

硝化炸药军事上用得比较多的是2，4，6-三硝基甲苯（TNT）。

它是由甲苯与浓硝酸和浓硫酸反应制得的，是一种黄色片状物，具有爆炸威力大、药性稳定、吸湿性小等优点，常用做炮弹、手榴弹、地雷和鱼雷等的炸药，也可用于采矿等爆破作业。

1.硝酸的一般制法

自然界

　　自然界中的硝酸主要由雷雨天生成的一氧化氮形成。

硝酸性质不稳定，因而无法在自然界长期存在，但硝酸的形成是氮循环的一环。

自然界中硝酸的形成按如下步骤

　　一氧化氮的生成

　　N2（g）+O2（g）——→2NO（g）

　　二氧化氮的生成

　　N2（g）+2O2（g）——→2NO2（g）

　　2NO（g）+O2（g）——→2NO2（g）

　　生成的二氧化氮溶于水中生成硝酸

　　3NO2（g）+H2O（l）——→2HNO3（aq）+NO（g）

工业合成

　　氨氧化法

　　硝酸工业与合成氨工业密接相关，氨氧化法是工业生产中制取硝

酸的主要途径，其主要流程是将氨和空气的混合气（氧：

氮≈2：

1）通入灼热（760～840℃）的铂铑合金网，在合金网的催化下，氨被氧化成一氧化氮（NO）。

生成的一氧化氮利用反应后残余的氧气继续氧化为二氧化氮，随后将二氧化氮通入水中制取硝酸。

稀硝酸、浓硝酸、发烟硝酸的制取在工艺上各不相同。

4NH3+5O2——→4NO（g）+6H2O（g）

　　2NO（g）+O2（g）——→2NO2（g）

工业上也曾使用浓硫酸和硝石制硝酸，但该法耗酸量大，设备腐蚀严重，现基本停止使用

NaNO3（s）+H2SO4（l）→NaHSO4（s）+HNO3（g）

实验室

原料：

浓硫酸，硝酸钠设备：

烧瓶，玻璃管，烧杯，橡皮塞，加热设备（酒精灯，煤气灯等）原理：

不挥发酸制备挥发性酸：

H2SO4（l）+NaNO3（s）=>

Na2SO4（s）+HNO3（g）

步骤：

烧瓶中加入沸石，浓硫酸，硝酸钠。

置于铁架台上的铁圈上，铁圈下隔石棉网放置加热设备，烧瓶口用带有玻璃管的橡皮塞塞住，玻璃管用橡皮管相连，另一头置于有水的烧杯中。

注意事项：

加热硫酸需要用沸石以防止硫酸暴沸，玻璃管连接处要尽量挨在一起，防止反应生成的NO2泄露，制备完成后要用碱中和瓶中物质，以免污染环境。

2.四川金象化工股份有限公司的硝酸制法

双加压法硝酸生产工艺

（1）氨的氧化和热能回收

氨和空气分别进入过滤器,以除去气体中夹带的固体粉尘和油雾等对氨氧化催化剂有害的杂质,净化后的气体经混合器混合（混合气中氨含量约9.5%（v））后进入氨氧化器,经与铂铑网接触,96%～97%（v）的氨被氧化为一氧化氮,气体的温度也上升至～860℃,此气体经氨氧化器下部的蒸气过热器和废热锅炉回收热量后出氨氧化反应器的温度约为400℃。

（2）NO的氧化及省煤器回收热量后,被冷却至约156℃。

当温度下降时,气体中的NO被氧化成NO2,然后进入水冷却器（Ⅰ）,进一步冷却至40℃。

在这里,氧化氮（NOx）气体与冷凝水反应生成浓度约34%的稀硝酸。

酸气混合物经分离器分离,稀硝酸送入吸收塔。

由水冷器（Ⅰ）来的氧化氮气体,与来自漂白塔的二次空气相混合后进入氧化氮压缩机,被压缩至1.0MPa（表）。

气体经换热器被冷却至126℃,又经水冷却器（Ⅱ）进一步冷却至40℃后,氧化氮气体和冷凝酸一并送入吸收塔底部的氧化器继续氧化,在塔中氧化氮气体被水吸收生成硝酸,吸收塔的塔板上设有冷却盘管用以移走吸收热和氧化热,当塔内液体逐板流下时和氧化氮气体充分接触,酸浓度不断提高,在塔底部收集的酸浓度为65%～67%。

（3）漂白

自吸收塔来的65%～67%的硝酸里溶入很多NOx气体,被送至漂白塔顶部,用二次空气将NOx气体从硝酸中吹出,引出的成品酸浓度为60%,含HNO2<

0.01%,温度为62℃,经冷却至约50℃后,送往成品酸贮槽。

由吸收塔顶出来的尾气,经尾气预热器,被加热至约360℃,热气体进入尾气透平,可回收约60%的总压缩功,最后经排气筒排入大气。

排入大气的尾气中NOx含量约为180ppm。

3.硝酸的用途

还可供制氮肥、王水、硝酸盐、硝化甘油、硝化纤维素、硝基苯、苦味酸等.

　硝化炸药军事上用得比较多的是2，4，6-三硝基甲苯（TNT）。

包装与储运

　铁路槽车装载50吨，其中铅槽车用以输送98%浓硝酸，稀硝酸应用不锈钢或玻璃钢增强塑料槽车或储罐输送或储存。

少量采用耐酸陶瓷坛或玻璃瓶包装，每坛净重33～40kg。

浓硝酸采用耐酸泥封口，稀硝酸采用石膏封口。

每坛装入衬有细煤渣或细矿渣等物的坚固木箱中，以便运输。

包装上应有明显的“腐蚀性物品”标志。

因铝的表面有一层氧化膜，起了钝化作用，而且经济，所以铝是硝酸理想的容器。

个体防护禁止皮肤直接接触，作业操作时应带耐酸碱手套，口罩，以及其他劳保用品。

　　皮肤接触：

马上用大量清水冲洗，再用0.01%苏打水（或稀氨水）浸泡

　误食：

催吐，用牛奶或蛋清。

（理由：

蛋白质的变性作用）

　　实验室里的浓硝酸必须保存在带玻璃塞的棕色瓶子里，贮放在阴暗处。

（3）尿素

尿素别名碳酰二胺、碳酰胺、脲。

是由碳、氮、氧和氢组成的有机化合物，又称脲（与尿同音）。

其化学公式为CON2H4、CO（NH2）2或CN2H4O，国际非专利药品名称为Carbamide。

外观是白色晶体或粉末。

它是动物蛋白质代谢后的产物，通常用作植物的氮肥。

尿素在肝合成，是哺乳类动物排出的体内含氮代谢物。

这代谢过程称为尿素循环。

尿素是第一种以人工合成无机物质而得到的有机化合物。

活力论从此被推翻。

1773年，伊莱尔·

罗埃尔（HilaireRouelle）发现尿素。

1828年，德国化学家弗里德里希·

维勒首次使用无机物质氰酸氨（NH4CNO，一种无机化合物，可由氯化铵和氯酸银反应制得）与硫酸铵人工合成了尿素。

本来他打算合成氰酸铵，却得到了尿素。

尿素的合成揭开了人工合成有机物的序幕。

从此，活力论的错误证明了，有机化学实际上开辟了（活力论认为无机物与有机物有根本性差异，无机物所以无法变成有机物，有机化合物只能由生物的细胞在一种特殊的力量——生命力的作用下产生，人工合成是不可能的。

哺乳动物、两栖动物和一些鱼的尿中含有尿素；

鸟和爬行动物排放的是尿酸，因为其氮代谢过程使用的水量比较少）。

1.四川金象化工股份有限公司尿素制法

改进水溶液全循环法尿素生产

尿素在酸、碱、酶作用下（酸、碱需加热）能水解生成氨和二氧化碳。

对热不稳定，加热至150~160℃将脱氨成缩二脲。

若迅速加热将脱氨而三聚成六元环化合物三聚氰酸。

（机理：

先脱氨生成异氰酸（HN=C=O），再三聚。

）

与乙酰氯或乙酸酐作用可生成乙酰脲与二乙酰脲。

在乙醇钠作用下与丙二酸二乙酯反应生成丙二酰脲（又称巴比妥酸，因其有一定酸性）。

在氨水等碱性催化剂作用下能与甲醛反应，缩聚成脲醛树脂。

与水合肼作用生成氨基脲。

2NH3+CO2→NH2COONH4→CO（NH2）2+H2O

尿素易溶于水，在20℃时100毫升水中可溶解105克，水溶液呈中性反应。

尿素产品有两种。

结晶尿素呈白色针状或棱柱状晶形，吸湿性强。

粒状尿素为粒径1～2毫米的半透明粒子，外观光洁，吸湿性有明显改善。

20℃时临界吸湿点为相对湿度80％，但30℃时，临界吸湿点降至72.5％，故尿素要避免在盛夏潮湿气候下敞开存放。

目前在尿素生产中加入石蜡等疏水物质，其吸湿性大大下降。

2.尿素的物化性质

物理性质

　　化学式：

CO（NH2）2，分子质量60.06，无色或白色针状或棒状结晶体，工业或农业品为白色略带微红色固体颗粒，无臭无味。

含氮量约为46.67%。

密度1.335g/cm3。

熔点132.7℃。

溶于水、醇，不溶于乙醚、氯仿。

呈弱碱性。

化学性质

　　可与酸作用生成盐。

有水解作用。

在高温下可进行缩合反应，生成缩二脲、缩三脲和三聚氰酸。

加热至

60℃分解，产生氨