工业合成氨 教案

第六章合成氨

湄洲湾职业技术学校化工专业组叶焕英

1. 合成氨工业

(1)简要流程

(2)原料气的制取

N2：将空气液化、蒸发分离出N2或将空气中的O2与碳作用生成CO2，除去CO2后得N2。

H2：用水和燃料(煤、焦炭、石油、天然气)在高温下制取。用煤和水制H2的主要反应为：

(3)制得的H2、N2需净化、除杂质，再用压缩机制高压。

(4)氨的合成：在适宜条件下，在合成塔中进行。

(5)氨的分离：经冷凝使氨液化，将氨分离出来，提高原料的利用率，并将没有完全反应的N2和H2循坏送入合成塔，使之充分利用。

2.合成氨条件的选择

(1)合成氨反应的特点：合成氨反应是一个放热的、气体总体积缩小的可逆反应：

(2)合成氨生产的要求：

合成氨工业要求：

○1反应要有较大的反应速率；

○2要最大限度的提高平衡混合物中氨气的含量。

(3)合成氨条件选择的依据:

运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识，同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素来选择合成氨的适宜生产条件。

(5)合成氨的适宜温度：

○1温度：500℃左右

○2压强：20MPa—50MPa

○3催化剂：铁触媒

除此之外，还应及时将生成的氨分离出来，并不断地补充原料气，以有利合成氨反应。

(6)合成氨生产示意图

3.解化学平衡题的几种思维方式

(1)平衡模式思维法(三段思维法)

化学平衡计算中，依据化学方程式列出“起始”“变化”“平衡”时三段各物质的量(或体积、或浓度)，然后根据已知条件建立代数式等式而进行解题的一种方法。

如反应，令A、B的起始量为amol、bmol，达到平衡后A 的转化率为x。

(2)差量法(或差值法)

利用化学反应(或物理变化)中某化学量从始态到终态的差量，作为已知量或未知量的对应关系列比式进行计算的一种常用方法。

(3)极限思维法(极值法)

极值法是将可逆反应看作处于完全反应和完全不反应的中间状态，接替使用这两个极端点，根据题目巧设假设某一种物质100%消耗,求出另一方的最大值(最小值，从而得出可逆反应达到某平衡状态时的取值(或取值范围)的方法。

(4)“虚拟”思维法(构造法)

“虚拟”思维法是指在分析或解决问题时，根据需要和可能，虚拟出能方便解决问题的对象，并以此为中介，实现由条件向结论转化的方法。如虚拟结果、数据、解题需要的条件、反应过程及某混合物的化学式等.

(5)守恒思维法

在任何化学反应中，均存在某些守恒关系，在化学反应中有时运用某种量守恒能够很快得出正确答案。

(6)假设思维法

在解题中，把一种状态与另一种状态平衡时的情况(如转化率、物质的量浓度及含量等)进行比较时，可以假设一个中间转化过程，有利于顺利比较。

(7)等效平衡思维法

等效平衡有“恒温恒容”平衡和“恒温恒压”平衡两种情况，在前面已经对此问题有较深刻的分析。

4.化学平衡的移动与平衡混合物的平均相对分子质量(M—)之间的变化规律

(1)对于反应物和生成物都是气体的可逆反应来说，当平衡体系的温度或压强改变

时，平衡移动的方向与平衡混合物的平均相对分子质量(M—)的变化规律是：○1若平衡向气体体积缩小的方向移动，则平衡混合物的M—将增大；

○2若平衡向气体体积扩大的方向移动，则平衡混合物的M—将减小；

○3若反应前后气体体积不变，无论平衡移动与否，平衡混合物的M—将不变。

(2)对于固体或液体参加或生成的可逆反应来说，平衡移动使平衡混合物的M—发生变化与反应起始时物质的配比有关，此时平衡发生移动时，M—可能增大，可能减小，也可

能不变，需具体情况具体分析。

5.合成氨中的绿色化学

(1)比较少的资源(原料)生成较多的产品，提高原料的转化率；

(2)某些原料包括催化剂的重复使用(防止催化剂中毒)；

(3)节约能源，减小环境污染(催化剂的重复使用设计，氨分离，N2、H2回流循环催化合成)实现了省资源、少污染，减少成本的要求。

6.化学反应进行的方向

(1)自发过程和自发反应

自发过程：在一定条件下，不需要外力作用就能自动进行的过程。

自发反应：在该定的条件下，能自发的进行到显著程度的反应。

非自发反应：不能自发进行，必须借助某种外力才能进行的反应。

(2)化学反应进行方向中的判据

○1能量判据：自发过程的体系趋向于从高能状态转化为低能状态，由此而得的经验规律就是能量判据。

对于密闭体系，在恒压和不做其它功的条件下发生变化，吸收或放出的热量等于体系的焓的变化。

○2熵判据：在与外界是个力的体系中，自发过程将导致体系熵增大，这一经验规律叫做熵增原理，在用来判断过程的方向时，就成为熵判据。

a.与能量状态的高低无关的自发性：与有序体系相比，无须体系“更加稳定”，可以采取更多的存在方式。例如：放在同一密闭容器中的气体或液体物质(也包括能够挥发的固体物质)的蒸汽，不需要外界的任何作用，气态物质会通过分子的扩散自发的形成均匀混合物；硝酸铵溶于水虽然要吸热，它却能够自发地向水中扩散；相互接触的固体物质体系，经过长期放置后，原子或分子通过扩散而进入到另一种固体中。(这种现象可以作为纯物质难保存的最本质的解释)。

b.熵：在密闭条件下，体系由有序转变为无序的倾向，这种推动体系变化的因素称为熵。

c.同一物质，在气态时熵值最大，液态次之，固态最小。

(3)能量判据和熵判据的应用

○1能量判据：放热过程常常容易进行；

熵判据：熵增的过程是自发过程。

在较多情况下，简单的仅用一个判据判断同一个反应，可能得出相反的判断结果。因此，由能量判据和熵判据组合的复合判据将更合适所有的过程。凡是能使反应体系能量降低、上增大的反应方向，就是化学反应容易进行的方向。

○2过程的自发性只能用于判断过程的方向，不能确定过程是否一定会发生和过程发生的速率。如涂有防腐漆和未涂防腐漆的钢制器件，其发生腐蚀过程的自发性是相同的，但只有后者可以实现；装在气球中的气体和打开阀门后的气球中的气体一样，都有自发地进入大气并和大气混合均匀的自发性，但是只有后者可以实现。

7.氮的固定

将空气中游离的N2分子转化为含氮化合物的反应叫“固氮反应”，主要的固氮反应有：

(1)生物固氮：是一种主要的自然固氮反应。如植物在根瘤菌作用下直接吸收空气中的N2转化为氨等，进一步合成蛋白质。

(2)自然固氮：如闪电产生的巨大电压，其电火花可以击破氮分子的三键，促使其与氧气反应生成NO，进而生成NO2和HNO3等。

(3)化学固氮：合成氨反应，在放电条件下使氮气和氧气反应生成NO等。

(4)人工模拟生物固氮：通过化学方法，制备出类似生物“固氮菌”的物质，使空气中的氮气在常温常压下于水及二氧化碳等反应，转化为硝态或氨态氮。进而实现人工合成大量的蛋白质等，最终实现工厂生产蛋白质食品。