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2019-2020学年高中化学 第1单元 走进化学工业 课题2 人工固氮技术——合成氨课件 新人教版选修2.ppt

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2019-2020学年高中化学 第1单元 走进化学工业 课题2 人工固氮技术——合成氨课件 新人教版选修2.ppt

第一单元第一单元 走进化学工业走进化学工业 课题课题 2 人工固氮技术人工固氮技术合成氨合成氨 第一单元第一单元 走进化学工业走进化学工业 1理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理,选择合成氨选择合成氨的适宜条件。的适宜条件。2了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件等。3通过合成氨的学习通过合成氨的学习,体现化工生产的过程体现化工生产的过程,体现实验室研体现实验室研究与实际生产究与实际生产之间转化过程。之间转化过程。氮的固定指的是将氮的固定指的是将 氮转变为氮转变为 氮的方法。氮的方法。一、合成氨的反应原理一、合成氨的反应原理 1.如下图为合成氨的实验装置如下图为合成氨的实验装置 加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体加热试管中的铁丝绒至红热后注入氢气和氮气的混合气体,可可以看到湿润的以看到湿润的 pH 试纸变试纸变 色。色。游离态游离态 化合态化合态 蓝蓝 放热放热 400500 1030 铁铁 2.用 氢 气 和 氮 气 合 成用 氢 气 和 氮 气 合 成 氨 的 化 学 反 应 方 程 式 是氨 的 化 学 反 应 方 程 式 是 N23H2高温、高压高温、高压催化剂催化剂2NH3,属属 反应。反应。3.工业上工业上,采用以采用以_为主的催化剂为主的催化剂,在在 和和_MPa 的条件下合成氨。的条件下合成氨。工业合成氨的反应特点是什么?工业合成氨的反应特点是什么?提示:提示:(1)体积减小的反应;体积减小的反应;(2)放热放热反应;反应;(3)反应条件为高温、反应条件为高温、高压、催化剂。高压、催化剂。二、合成氨的基本生产过程二、合成氨的基本生产过程 1.制备合成氨的原料气制备合成氨的原料气 (1)制取制取 N2:物理方法为将空气:物理方法为将空气 ,蒸发分离出氧气。蒸发分离出氧气。化学方法为碳在空气中燃烧化学方法为碳在空气中燃烧,O2充分反应后除去充分反应后除去 CO2制取氮制取氮气。气。(2)制取制取 H2:用水蒸气通过赤热的煤层用水蒸气通过赤热的煤层,使水蒸气与碳反应制得。主要反使水蒸气与碳反应制得。主要反应为应为 。也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水也可用石油、天然气、焦炉气、炼厂气中的碳氢化合物与水蒸气在催化剂作用下制备。主要反应为蒸气在催化剂作用下制备。主要反应为 _。液化液化 CH2O=COH2 CH4H2O=3H2CO,CH42H2O=4H2CO2 2.原料气净化处理原料气净化处理 (1)原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂原料气净化的原因是有些杂质可使催化剂“中毒中毒”。(2)用稀氨水吸收用稀氨水吸收 H2S 杂质:杂质:。(3)使使 CO 变成变成 CO2:。(4)除去除去 CO2(用用 K2CO3溶液吸收溶液吸收):_。3.将原料气合成氨与分离将原料气合成氨与分离 从合成塔出来的混合气体从合成塔出来的混合气体,氨气占总体积的氨气占总体积的 15%,要把混合气要把混合气体通过冷凝器、体通过冷凝器、_,再导入液氨贮罐。再导入液氨贮罐。NH3H2OH2S=NH4HSH2O COH2O=CO2H2 K2CO3CO2H2O=2KHCO3 分离器分离器 三、合成氨工业的发展三、合成氨工业的发展 1.原料及原料气原料及原料气的净化的净化 原料气之一的氮气来自原料气之一的氮气来自 ,目前氢气主要通过不同的目前氢气主要通过不同的 态态(煤和焦炭煤和焦炭)、液态、液态(石油中提炼的石脑油、重油石油中提炼的石脑油、重油)、气态、气态(天然气、天然气、焦炉气焦炉气)可燃物为原料制取。可燃物为原料制取。2.催化剂的改进催化剂的改进 多年来一直用多年来一直用 作催化剂作催化剂,目前有采用目前有采用 为基础活性为基础活性物质的新型催化剂。物质的新型催化剂。空气空气 磁铁矿磁铁矿 钌钌 固固 3.环境保护环境保护 (1)废渣:可用作原料。废渣:可用作原料。(2)废气:主要是废气:主要是_和和_ 等有害气体等有害气体,对对 H2S 的处理的处理,可用可用_法法(选择性催化氧化选择性催化氧化)、_法法(用溶剂吸收浓用溶剂吸收浓缩缩),CO2可用来生产尿素和碳铵等。可用来生产尿素和碳铵等。(3)废液:主要是含废液:主要是含_和含氨的污水和含氨的污水,处理含氰化物污水处理含氰化物污水主要有主要有_、加压水解、氧化分解、加压水解、氧化分解、_、反吹回炉等反吹回炉等 方法。处理含氨废水可用蒸馏的方法回收方法。处理含氨废水可用蒸馏的方法回收,也可用也可用_治理。治理。H2S CO2 直接氧化直接氧化 循环循环 氰化物氰化物 生化生化 化学沉淀化学沉淀 离子交换法离子交换法 1.合成氨所需的原料是合成氨所需的原料是()水水 空气空气 焦炭焦炭 铁触媒铁触媒 A B C D全部全部 解析:解析:选选 C。铁触媒是合成氨的催化剂。铁触媒是合成氨的催化剂,不属于原料。不属于原料。2.合成氨工业中控制的反应条件应合成氨工业中控制的反应条件应()A温度越高越好温度越高越好 B压强越大越好压强越大越好 C混合气体中氢气含量越高越好混合气体中氢气含量越高越好 D所选的催化剂活性越大越好所选的催化剂活性越大越好 解 析:解 析:选选 D D。工 业 合 成 氨 的 热 化 学 方 程 式:工 业 合 成 氨 的 热 化 学 方 程 式:N2(g)3H2(g)高温、高压高温、高压催化剂催化剂2NH3(g)H92.4 kJmol1,似乎似乎压强越大就越有利于平衡向合成压强越大就越有利于平衡向合成氨的方向移动氨的方向移动,温度越高达到温度越高达到平衡的时间就越短平衡的时间就越短,易错易错选选 A 或或 B。实际上在合成氨的工业生实际上在合成氨的工业生产中产中,压强不能太大压强不能太大,否则能耗太高否则能耗太高,并且对设备的要求高。并且对设备的要求高。而根据化学平衡移动原理而根据化学平衡移动原理,此反应温度越低越有利于平衡向正此反应温度越低越有利于平衡向正方向移动方向移动,但温度太低但温度太低,则催化剂的催化活性不能很好地发挥则催化剂的催化活性不能很好地发挥,反应速率太慢;为解决上述矛盾反应速率太慢;为解决上述矛盾,一般选择使催化剂活性最大一般选择使催化剂活性最大时的温度。时的温度。3.为了进一步提高合成氨的生产效率为了进一步提高合成氨的生产效率,科研中具有开发价值的科研中具有开发价值的是是()A研制高温下活性较大研制高温下活性较大的催化剂的催化剂 B寻求寻求 NH3的新来源的新来源 C研制低温下活性较大的催化剂研制低温下活性较大的催化剂 D研制耐高温高压的新型材料建造合成塔研制耐高温高压的新型材料建造合成塔 解析:解析:选选 C。合成氨的。合成氨的反应是放热反应反应是放热反应,降低温度有利于提高降低温度有利于提高合成氨的生产效率。合成氨的生产效率。要点要点 合成氨工业生产及适宜条件的选择合成氨工业生产及适宜条件的选择 探究导引探究导引 运用化学反应速率和化学平衡原理的有关知识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、设备等因素如何选择合同时考虑合成氨生产中的动力、材料、设备等因素如何选择合成氨的适宜生产条件?成氨的适宜生产条件?提示:提示:(1)增加增加 N2的比例。的比例。(2)一般采用的压强在一般采用的压强在 1030 MPa 之间。之间。(3)以以 500 左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。左右为宜。而且在此温度下催化剂活性最大。(4)铁触媒为催铁触媒为催化剂。化剂。1.反应原理反应原理 N2(g)3H2(g)高温、高压高温、高压催化剂催化剂2NH3(g)(放热反应放热反应)2.基本生产过程基本生产过程 (1)造气造气 N2:来源于空气。:来源于空气。H2:CH2O=高温高温COH2,CH4H2O=高温高温催化剂催化剂CO3H2。(2)净化净化 除去除去 H2S:NH3H2OH2S=NH4HSH2O。除去除去 CO:COH2O=高温高温H2CO2。除去除去 CO2:K2CO3CO2H2O=2KHCO3。(3)合成:使原料气进行化学反应合成氨。及时分离出氨气合成:使原料气进行化学反应合成氨。及时分离出氨气,剩剩余气体再送回合成塔余气体再送回合成塔,循环利用。循环利用。(4)“三废三废”处理处理 废渣:主废渣:主要是煤渣和炭黑要是煤渣和炭黑,可用作肥料的原料和建筑材料。可用作肥料的原料和建筑材料。废气:主要是废气:主要是H2S和和CO2等有害气体。等有害气体。H2S可用直接氧化法、可用直接氧化法、循环法等回收技术处理循环法等回收技术处理,CO2可作为生成尿素和碳铵的原料。可作为生成尿素和碳铵的原料。废液:主要是含氰化物和含氨的污水。废液:主要是含氰化物和含氨的污水。处理氰化物主要有生化、化学沉淀、反吹回处理氰化物主要有生化、化学沉淀、反吹回炉等方法。处理含炉等方法。处理含氨的废水可用蒸馏回收和离子交换等方法。氨的废水可用蒸馏回收和离子交换等方法。3.适宜条件的选择适宜条件的选择 要考虑实际生产中的动力、材料、设备等因素要考虑实际生产中的动力、材料、设备等因素,以取得最佳经以取得最佳经济效益。济效益。(1)压强压强 增大压强增大压强 化学反应速率增化学反应速率增大大平衡向正反应方向移动平衡向正反应方向移动 压强越大越好压强越大越好,但受动但受动力、材料、设备限制力、材料、设备限制10 MPa30 MPa(2)温度温度 升高温度升高温度 化学反应速率增大化学反应速率增大平衡向逆反应方向移动平衡向逆反应方向移动 采取适宜的温度采取适宜的温度催化剂在催化剂在500 时活性最高时活性最高400 500 (3)催化剂催化剂 使用催化剂可加快化学反应速率使用催化剂可加快化学反应速率,但不影响化学平衡但不影响化学平衡采用以采用以铁铁为主的催化剂。为主的催化剂。(4)循环操作循环操作 合成氨转化率较低合成氨转化率较低,要采用循环操作。混合气体通过冷凝器要采用循环操作。混合气体通过冷凝器,使氨液化使氨液化,将氨分离出来将氨分离出来,并将没有完全反应的并将没有完全反应的 N2和和 H2经过经过循环压缩机循环压缩机,再送入合成塔再送入合成塔,使其被充使其被充分利用。分利用。(1)合成氨原料中的氮气来源广泛合成氨原料中的氮气来源广泛,扩大氢气原料的来源以降低扩大氢气原料的来源以降低成本。成本。(2)反应过程中的工艺条件常决定于催化剂的性能。研究高效的反应过程中的工艺条件常决定于催化剂的性能。研究高效的新型催化剂新型催化剂,以改变反应以改变反应条件。条件。利用天然气合成氨的工艺流程如图所示:利用天然气合成氨的工艺流程如图所示:依据上述流程依据上述流程,完成下列填空:完成下列填空:(1)天然气脱硫时的化学方程式是天然气脱硫时的化学方程式是_。(2)n mol CH4经一次转化后产生经一次转化后产生 CO 0.9n mol,产 生产 生H2_mol(用含用含 n 的代数式表示的代数式表示)。(3)二次转化的主要原因一是二次转化的主要原因一是_,二是二是_。(4)K2CO3(aq)和和 CO2反应在加压条件下进行反应在加压条件下进行,加压的理论依据加压的理论依据是是_。a相似相溶原理相似相溶原理 b勒夏特列原理勒夏特列原理 c酸碱中和原理酸碱中和原理(5)由由 KHCO3分解得到的分解得到的 CO2可以用于可以用于_。(6)整个流程有三处循环整个流程有三处循环,一是一是 Fe(OH)3循环循环,二是二是 K2CO3(aq)循环循环,请在上述流程图中指出请在上述流程图中指出第三处循环第三处循环(循环方向、循环物循环方向、循环物质质)_。解析:解析:根据框图写反应的化学方程式时根据框图写反应的化学方程式时,一定要看清框图中的一定要看清框图中的反应物和生成物是什么、反应的条件如何等重要信息。计算时反应物和生成物是什么、反应的条件如何等重要信息。计算时也必须根据反应的化学方程式进行。循环物质肯定是反应不完也必须根据反应的化学方程

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