第07讲 工业合成氨 -【暑假衔接班】2023年新高二化学暑假精品衔接课程（沪科版2020选择性必修1）

第07讲 工业合成氨 · 教学目标 1. 通过对工业合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡理论在生产、生活和科学研究中的重要作用。 2. 在合成氨适宜生产条件的确定中，形成多角度分析化学反应和化工生产条件的思路和方法，体会实际生产条件的选择与理论分析之间的差异。 3. 知道工业合成氨的主要步骤和生产流程，进一步认识化工生产。 模块一 合成氨适宜生成条件的选择 知识预习 · 合成氨工业 （1）反应原理：N2+3H22NH3 △H<0 （2）主要设备：合成塔。 （3）合成氨条件的选择：增大N2、H2浓度，及时分离出氨；适当的温度（500℃左右）和压强（2×107Pa～5×107Pa）；采用铁催化剂。 压强：20MPa~50MPa(中压) (有利于氨的合成,对动力、材料强度、设备制造要求适中) 温度：500℃左右(速率较快,转化率适中催化剂活性最大) 催化剂：铁触媒 浓度：C(N2)：C(H2)=1：2.8（将生成的氨及时从混合气中分离出来，且向循环气中不断补充） （4）合成氨工业流程：原料气制取→净化→压缩→合成→分离→液氨，原料 循环 利用 注意：①该反应为可逆反应，所以所得产品是NH3、N2、H2的混合物，利用NH3易液化的特点将NH3分离以后，N2、H2可循环使用。 ②原料N2可通过蒸馏液态空气获得，而原料H2一般通过焦炭与高温水蒸气反应获得，有关反应方程式为：C+H2OCO + H2，CO+H2OCO2 + H2，除去CO2即得H2。 【例1】下列有关工业合成氨的说法不正确的是 A．迅速冷却的方法将氨液化，并不断移去液氨，利于反应正向进行 B．选择温度400~500℃，是为了保证尽可能大的平衡转化率 C．增大压强，有利于增大反应速率和平衡混合物中氨气的体积分数 D．原料气须经过净化处理，以防止催化剂中毒和安全事故发生 【例2】下列关于工业合成氨反应的调控说法正确的是 A．合成氨时，常采用迅速冷却的方法将氨液化，提高平衡转化率 B．合成氨时为提高平衡转化率，温度越高越好 C．增大浓度，可以提高活化分子百分数，从而加快反应速率 D．合成氨选择100～300MPa的压强，目的是为了加快反应速率，并提高转化率 模块二 工业合成氨的生产流程 知识预习 · 造气 原料气中氮气来自空气，从空气中获得氮气通常有两种方法：一是将空气液化、蒸发，分离出氮气；二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，即得到氮气。而氢气则用水、煤气、天然气、石油等为原料制取，如以天然气为原料制取氢气，反应可以简单表示为： H2O+CH4CO+3H2 H2O+CO CO2+H2 · 净化 在制取原料气的过程中，常混有一些杂质气体，其中如H2S、CO等杂质会合成氨所用的催化剂中毒，所以必须除去。 · 合成 净化后的原料气经过压缩机压缩到高压，加压之后的氢气、氮气需加热到催化剂的活性温度才能进入氨合成塔中的催化区，在催化剂表面反应生产氨。 从合成塔出来的混合气体氨含量为10%~20%，需要将产品氨与未反应的氢气、氮气分离，将未反应的氢气、氮气作为循环气再循环返回合成塔。合成氨反应为放热反应，可通过热交换器有效利用此反应热来预热反应前的氢气、氮气，实现合成氨工业生产的绿色低碳化。 【例3】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大太满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。下图是合成氨生产流程示意图，下列说法不正确的是 A．“干燥净化”可以防止催化剂中毒 B．“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率 C．“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率 D．“铁触媒”在生产过程中需使用外加热源持续加热 【答案】D 【解析】A．合成氨反应的原料中含有能使催化剂中毒的杂质，所以“干燥净化”可以防止催化剂中毒，故A正确； B．合成氨反应是气体体积减小的反应，增大压强，化学反应速率加快，平衡向正反应方向移动，原料的转化率增大，所以“压缩机加压”既提高了原料的转化率又加快了反应速率，故B正确； C．氨气易液化，冷却时氨气转化为液氨，生成物的浓度减小，平衡向正反应方向移动，原料的转化率增大，所以“冷却”提高了原料的平衡转化率和利用率，故C正确； D．合成氨反应为放热反应，“铁触媒”在生产过程中可以通过反应放出的热量和热交换达到反应所需的温度，不需使用外加热源持续加热，故D错误； 故选D。 【例4】工业上合成氨是在一定条件下进行如下反应：N2(g)+3H2(g)2NH3(g) ΔH=-92.2kJ•mol-1，其部分工艺流程如图所示： 反应体系中各组分的部分性质见表： 气体 氮气 氢气 氨 熔点/℃ -210.01 -259.77 -77.74 沸点/℃ -195.79 -252.23 -33.4