课题2人工固氮技术——合成氨

合成氨的反应原理 [自读教材·夯基础] 1．氮的固定

使空气中游离态的氮转变为化合态的氮的方法叫氮的固定。 2．合成氨原理 (1)实验装置：

(2)现象：湿润的pH试纸变为蓝色。

高温、高压

(3)化学方程式：N2＋3H2催化剂2NH3(放热反应)。 3．工业合成氨的条件 温度：400～500 ℃??

?压强：10～30MPa??催化剂：以铁为主

[跟随名师·解疑难]

(1)工业合成氨的反应是一个气体体积减小的放热反应。 (2)合成氨条件的选择：

①压强：无论从反应速率还是化学平衡考虑，压强越大越有利于合成氨。但压强太大，动力消耗大，设备的质量和制造水平要求高，故必须综合考虑。目前我国合成氨厂一般采用的压强在10～30 MPa之间。

②温度：对于放热反应，升温可提高反应速率，但转化率降低，若温度太低，反应速率又太慢，综合考虑以500 ℃左右为宜，而且在此温度下催化剂活性最大。

③催化剂：加快反应速率但不影响平衡，可以提高单位时间内氨的产量。目前工业上多以铁触媒为催化剂。

[剖析典例·探技法]

[例1] 有关合成氨工业的叙述，不能用勒夏特列原理解释的是( ) A．使用铁触媒有利于合成氨的反应 B．高压比常压更有利于合成氨的反应 C．500 ℃左右比室温更有利于合成氨的反应 D．使反应混合物中的氨液化有利于合成氨的反应

[名师解析] 使用铁触媒，可以加快化学反应速率，缩短达到平衡的时间，但平衡不会发生移动，不能用勒夏特列原理解释；合成氨的反应是放热反应，低温虽可提高平衡混合物中NH3的含量，但反应速率太慢，而温度太高，虽能加快反应速率，却使平衡混合物中NH3的含量降低，因此工业生产中一般采用500 ℃左右的温度，此时催化剂的活性最大，故不能用勒夏特列原理解释。

[答案] AC [名师点睛]

合成氨条件的理论分析与实际化工条件比较

理论角度 提高反应速率的条件： 速率角度 ①升高温度；②增大压强；③增大反应物浓度；④使用催化剂 平衡角度 合成氨的基本生产过程 [自读教材·夯基础] 合成氨的生产主要包括三个步骤：造气、净化、合成。 1．制备合成氨的原料气

①温度越高，NH3的产率越低；②压强越大，NH3的产率越高；③不断分离出NH3，有利于提高反应物的转化率 温度：400～500℃ 压强：10～30 Mpa 催化剂：以铁为主 实际化工条件

催化剂

CH4＋H2O=====△CO＋3H2、 催化剂CH4＋2H2O=====△CO2＋4H2。 2．原料气的净化

(1)目的是防止催化剂中毒。 (2)原料气的净化：

①用稀氨水吸收H2S的化学方程式： H2S＋NH3·H2O===NH4HS＋H2O。 ②除去CO的有关化学方程式： 催化剂CO＋H2O=====△CO2＋H2，

CO2＋K2CO3＋H2O===2KHCO3。

③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。 3．氨的合成与分离

(1)氨的合成：将净化后的原料气经过压缩机压缩至高压，进入合成塔，在高温、高压和催化剂作用下合成氨。

(2)从合成塔出来的混合气体，通常约含15%(体积分数)的氨，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并导入液氨贮罐，气体再经过循环压缩机送到合成塔中进行反应。

[跟随名师·解疑难]

(1)生产中常使廉价易得的原料适当过量，以提高另一原料的利用率。因此合成氨生产中常适当提高N2

的比例。

(2)为了充分利用原料，化工生产过程中经常采用循环操作过程，即将没有反应的物质从反应后的混合物中分离出来，并重新送回反应器中。

[剖析典例·探技法]

[例2] 下图是合成氨的简易流程示意图，沿X路线回去的物质是( )

A．N2、H2 C．N2

B．催化剂 D．H2

[名师解析] 从合成塔中出来的混合气体经冷凝分离出液氨后剩下未反应的N2、H2，可以进行循环继续参与氨的合成。

[答案] A [名师点睛]

为了提高合成氨生产的综合经济效益，有三点是不可忽视的：①使原料气中n(N2)∶n(H2)≈1∶3；②将从反应混合物中分离出来的氮气和氢气重新压缩后输入合成塔再次利用；③及时将NH3从平衡混合物中分离出来。

合成氨工业的发展 [自读教材·夯基础] 1．原料及原料气的净化

现在已经使用各种不同的固态可燃物(煤和焦炭等)、液态可燃物(石油中提炼的石脑油和重油等)和气态可燃物(天然气、焦炉气等)作为制氨气的原料。

2．催化剂的改进

催化反应过程的工艺条件常常决定于催化剂的性能，由于催化剂的突破而彻底改变工艺过程及条件的事例屡见不鲜。

3．环境保护