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.a1

B.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。