合成氨工业

1 第二章 化学反应的方向 、限度 与速率

第四节 化学反应条件的优化----工业合成氨

制作：贾爱军 审核：陈霞

【学习目标】

1.理解如何应用化学反应速率和化学平衡原理，选择合成氨的适宜条件。

2.了解应用化学原理选择化工生产条件的思路和方法。

3.使学生通过对合成氨适宜条件的分析，认识化学反应速率和化学平衡的调控在工业生产中的重要作用。

【教学重点、难点】应用化学反应速率和化学平衡原理选择合成氨的适宜条件

【知识链接】化学反应速率和化学平衡知识。

【知识梳理】

1.阅读教材65页“交流研讨”

写出合成氨反应的化学方程式 ，该反应的特点是

，试计算在常温下该反应能否自发进行 。

2.阅读教材66页，从化学平衡角度分析，为了提高反应的限度可以采取的措施：

浓度 ；温度 ；压强 。

3.阅读66---67页，从化学反应速率角度分析，为加快反应速率可以采取的措施：

浓度 ；温度 ；压强 ；催化剂 。

4.阅读67---68页完成以下问题：

①选择生产条件的依据是

②选择的生产条件：

实际生产中适宜条件 原因

压强

温度

催化剂

浓度

3、生产过程简介（自读了解） 2

【巩固练习】

1、在合成氨工业中，为增加氨的日产量，下列变化过程中不能使平衡向右移动的是（ ）

A、不断将氨分离出来 B、使用催化剂

C、采用5000C左右的温度 D、采用2×107～5×107Pa的压强

合成氨工段

5.2合成氨概述

氨合成是合成氨生产的最后一个工序，这个工序的好坏关系到整个合成氨装置的发挥能力，投入产出的效果以及能耗的高低。直接合成氨其化学方程式非常简单：

3H2+N2〓2NH3+Q

从化学平衡的角度出发，反应后气体体积缩小一半，无疑提高压力可以促使反应想右进行。世界上第一个研究成功合成氨技术并付诸实现的是德国卡斯鲁荷技术大学的哈伯（Fritz Haber）教授。在没有好的催化剂的情况下，该直接反应在较高温度、高压下的合成率也非常低。但是哈伯教授认为氨的生产不像制造硫酸那样，几乎全部的二氧化硫都可以转化成硫酸。哈伯通过实验得出结论，认为虽然氨合成的转化率非常小，只要把高压气体进行循环并且除去生成的氨，直接合成的技术方法是可行的。1908年底，哈伯将这一著名的“循环法”申请了专利，大致包括下列内容：气体通过高温催化剂，低温除氨，补充新鲜气候再次循环通过高温催化剂，全过程在压力下进行；进出催化剂床的冷、热气体进行热交换；蒸发成品氨来冷却合成气。这些内容一直被应用到现今的合成氨厂。

合成氨的工业化催化剂的寻找也花费了极大的努力，并最终获得成功。当年布什等人通过协同攻关，优化出用碱性促进剂的磁铁矿并添加有氧化铝及氧化钙的氨催化剂。但年严谨而过细的工作，使得这种催化剂沿用至今，虽然历经不断的改进，但其本质未变。

合成Ⅱ工艺系统φ1000氨合成装置时玉龙化工引进目前全国较先进的湖南安淳公司的ⅢJ—99型合成塔内件的基础上，由玉龙化工自行组织工程设计和施工建成的。该装置由氨合成、合成余热回收、氨分离三个主要单元组成，设备结构和工艺流程上采用了高效的换热和分离技术，提高氨合成化学热的回收等有效方法，力求达到更低的能耗和更好的经济效益。

5.1氨的性质

氨在标准状态下是无色气体，具有特异的刺激性臭味，能刺激人体器官的粘膜，居住区大气中的最高溶解度为0.030mg/L。液氨的密度比水小，而气氨的密度比空气低。在20℃下，将氨气加压到0.87MPa时，则液化为无色的液氨。

工业合成氨：昨天、今天和明天

——以三次诺贝尔奖为主线的教学

一、德育内容维度

社会意识——社会责任感

心理健康——坚韧不拔的意志品质

心理健康——辩证思想

二、教材透析

（一）教材版本

鲁科版《化学反应原理》，第二章第四节《化学反应条件的优化——工业合成氨》。

（二）课标分析

《普通高中化学课程标准（实验）》在《化学反应原理》模块的教学中对学生的要求里有一点是这样的：“赞赏运用化学反应原理合成新物质对科学技术和人类社会文明发挥的重大作用”。为实现这一目标，必须首先让学生接触到对科学技术和人类社会文明发挥的重大作用的事件，体验合成新物质的过程。在《化学反应条件的优化——工业合成氨》中，利用化学反应速率——平衡理论中的相关基础知识，通过对工业合成氨反应条件的合理方案的选择，使学生体会到合成氨对科学技术和人类社会文明发挥的重大作用。

（三）教材分析

《化学反应条件的优化——工业合成氨》是前三节“化学反应的方向”、“化学反应的限度”、“化学反应速率”的延续，是对化学反应方向、速率、限度知识的综合应用。氨对化学、国防和农业具有非常高重要的意义；同时N2、H2反应生成氨的反应也是学生非常熟悉的平衡体系。以氨的合成反应为研究对象，有利于学生从化学反应速率、平衡理论两个方面尝试综合考虑、选择合成氨的合理条件，使学生体会到学习化学理论对实际生产有着非常重要的指导作用。

在德育方面，工业合成氨的发明过程，包含了化学家伟大的创造性和光辉的科学思想，体现了当时科学家的远见与激情。哈勃、博施、埃特尔对氨合成的研究持续了将近100年，实现了氨的合成从实验室的理论研究到工厂的实际生产，是三位科学家不畏艰难的意志品质和创新思想的最好体现，对学生有很好的引领示范作用。

三、学情分析

学生在前三节化学反应方向、速率、平衡理论的学习中，对这些知识有了一定程度的认识。学生已经初步形成积极思考、敢于探究、主动获取知识的学习习惯，并能够积极参与到课堂活动中，能够与同学在课堂的学习中进行合作，具有了一定的理性思维和抽象思维，基于此我们在实际教学中要主要以提出问题、分析问题、合作探究的学习模式为主，这样有利于学生理性思维和抽象思维的进一步提升。

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。

(4)合成氨条件的理论分析(见下表)：

反应条件 对化学反应速率的影响 对平衡混合物中NH3的含量的影响 合成氨条件的选择

增大压强 有利于增大化学反应速率 有利于提高平衡混合物中NH3的产量 压强增大，有利于氨的合成，但需要的动力大，对材料、设备等的要求高，因此，工业上一般采用

20MPa—50MPa的压强

升高温度 有利于增大化学反应速率 不利于提高平衡混合物中NH3的产量 温度升高，化学反应速率增大，但不利于提高平衡混合物中NH3的含量，因此合成氨时温度要适宜，工业上一般采用500℃左右的温度(因该温度时，催化剂的活性最强)

使用催化剂 有利于增大化学反应速率 没有影响 催化剂的使用不能使平衡发生移动，但能缩短反应达到平衡的时间，工业上一般选用铁触媒作催化剂，使反应在尽可能低的温度下进行。

(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。