《典型化工工艺》专题十九 合成氨（6）（举一反三考点练） -讲义

山东省《典型化工工艺》 举一反三考点练

专题十九 合成氨（6）-讲义

 

1.      理解合成氨的基本原理。
2.      掌握合成氨工艺条件的选择。
3.      掌握合成氨的工艺流程。

知识点一  合成氨的基本原理

1.   氨合成基本原理

氨是由气态氢和氮在氨触媒的作用下反应生成的，其反应式为：

3H₂+ N₂= 2NH₃+ 热量。

这是一个可逆、放热、体积缩小的反应，对其反应机理存在着不同的观点，一般认为：氮在铁催化剂上被活性吸附，离解为氮原子，然后逐步加氢，连续生成 NH、NH₂ 和 NH₃。即：

N₂（扩散）→ 2N（吸附）→ 2NH（吸附）→ 2NH₂（吸附）→ 2NH₃（脱附）→ 2NH₃（扩散到气相）。

反应具有如下几个特点:①是可逆反应。即在氢气和氮气反应生成氨的同时，氨也分解成氢气和氮气。②是放热反应。在生成氨的同时放出热量，反应热与温度压力有关。③是体积缩小的反应。④反应需要有催化剂才能较快的进行。

反应为可逆反应，需要采取手段提高平衡时氨的含量，下图表示为不同温度、压力下的平衡氨含量（氢氮比稳定为3），可知提高压力，降低温度可提高平衡氨含量。所以提高氨含量的途径为：降低温度、提高压力、保持氢氮比为3左右并减少惰性气体含量。

然而即使在压力较高的条件下反应，氨的合成率还是很低的，即仍有大量的氢氨气未参与反应，因此这部分氢氮气必须加以回收利用，从而构成了氨合成必然是采用氨分离后的氢氮气循环的回路流程。

 

2.   催化剂

（1）催化剂主要成分可视为四氧化三铁，具有尖晶石结构，其质量分数为 90% 左右。

（2）工业生产中，操作压力在 15MPa 以上的氨合成催化剂，一般控制铁比在 0.55～0.65。

（3）不含促进剂的纯铁催化剂，不仅活性低，而且耐热性、耐毒性也不理想。现代熔铁氨合成催化剂均添加了铝、钾、钙、镁等金属元素的氧化物，借以改善催化剂的性能。

（4）通常制成的催化剂为黑色不规则颗粒，有金属光泽，堆积密度 2.5～3.0kg/L，孔隙率 40%～50%。还原后的铁催化剂一般为多孔的海绵状结构，孔呈不规则树枝状，比表面积为 4～16m²/g。

关于氨合成反应及催化剂，以下说法正确的是（  ）

A. 氨合成反应是吸热、体积增大的可逆反应

B. 工业上通过提高温度、降低压力来增加平衡氨含量

C. 催化剂中添加Al₂O₃可提高其耐热性和活性

D. 还原后的铁催化剂为多孔海绵状结构，比表面积较大

E. 反应机理中，氮气在催化剂表面先离解为氮原子再逐步加氢

【答案】CDE

【解析】A选项错误。氨合成反应是放热反应（生成氨时放出热量），且是体积缩小的反应（反应后气体分子数减少，3H₂ + N₂ → 2NH₃）。B选项错误。根据教材内容，提高平衡氨含量的正确方法是降低温度（因反应放热）和提高压力（因体积缩小），而非提高温度或降低压力。C选项正确。催化剂中添加Al₂O₃（氧化铝）等促进剂可提高其活性、耐热性和耐毒性（教材中明确提到Al、K、Ca、Mg等金属氧化物的作用）。D选项正确。还原后的铁催化剂呈多孔海绵状结构，具有较大的比表面积（4～16 m²/g），有利于提高催化效率。E选项正确。反应机理中，氮气（N₂）先在催化剂表面吸附并离解为氮原子（2N），再逐步加氢生成NH、NH₂，最终形成NH₃。

1.关于氨合成反应的特点，下列说法正确的是（ ）

A. 该反应是吸热反应，升高温度有利于提高氨的平衡含量

B. 该反应是体积增大的反应，降低压力可提高氨的平衡含量

C. 该反应是可逆反应，工业上采用循环利用未反应的氢氮气以提高产率

D. 该反应不需要催化剂，仅需高温高压即可快速进行

【答案】C

【解析】A 错误，氨合成是放热反应，升高温度会降低氨的平衡含量。B 错误，该反应是体积缩小的反应（3H₂ + N₂ → 2NH₃），提高压力才有利于提高氨的平衡含量。C 正确，工业上采用循环流程回收未反应的氢氮气以提高合成效率。D 错误，该反应需要催化剂（如铁基催化剂）才能较快速进行。

2.工业氨合成催化剂的主要成分是（ ）

A. 纯铁（Fe）    B. 四氧化三铁（Fe₃O₄）

C. 三氧化二铝（Al₂O₃）  D. 氧化钾（K₂O）

【答案】B

【解析】催化剂的主要成分是Fe₃O₄（四氧化三铁，具有尖晶石结构），质量分数约90%。A 错误，纯铁催化剂活性低且性能差，需添加促进剂。C 和 D 错误，Al₂O₃ 和 K₂O 是促进剂，而非主要成分。

3.为提高氨的平衡含量，工业上通常采取的措施是（ ）

A. 升高温度、降低压力   B. 降低温度、提高压力

C. 增加惰性气体含量   D. 改变氢氮比至1:1

【答案】B