工业合成氨(精)
工业合成氨的催化剂
工业合成氨的催化剂
工业合成氨是一种催化合成而成，是工业上应用较广泛的重要化学品，被广泛用于肥料、染料、农药、精细化学品和燃料等领域。
合成氨的催化剂对于氨合成工艺起到至关重要的作用，其质量直接影响氨合成过程中的稳定性和效率。
因此，合成氨的催化剂应具有良好的耐热性、耐化学腐蚀性、耐压力冲击性、稳定性及低汽提损等性能。
通常情况下，工业合成氨催化剂的主要成分有贵金属（如钯、铂等）、硅酸盐（如硅黄、硅红等）以及碳基材料。
贵金属可以有效地催化反应，而硅酸盐则可以比较有效地阻止催化反应的快速失效。
此外，碳基材料在氨合成反应中能够有效地吸附不利反应物，从而抑制反应的失活，维持催化剂的活性。
基于上述原因，工业上常用的合成氨催化剂一般采用微晶陶瓷粉含有贵金属/硅酸盐的复合型材料，这种材料可有效地降低合成氨的底物汽馏温度，减少反应产物析出和反应物潜伏状态的污染，提高反应稳定性和效率。
此外，为了抗温度、抗化学腐蚀和耐压变形，合成氨行业对催化剂还有一系列非常严格的技术要求，例如要求催化剂材料具有较高的热稳定性和力学强度，以及耐有机酸、钠盐、铜及杂质等，而且在反应过程中要能高效稳定地保持催化剂活性。
工业合成氨的催化反应技术正在不断发展，催化剂的开发也正在不断推进。
除了传统的金属质量-硅酸盐以外，研究人员已经开发出了多种氨合成催化剂，其中包括氮掺杂碳材料、金属复合材料、多硅酸铝试剂、组合贵金属材料，等等。
据介绍，近年来，这些新型催化剂可以在更节能、更安全的条件下大量生产高质量的合成氨，成为氨气行业的重要趋势所在。
31工业合成氨
第二章第四节化学反应条件的优化——工业合成氨【双基回顾】一、合成氨反应的限度合成氨反应是在298k时自发进行的热反应，同时也是气体的物质的量减小的熵反应。
因此，温度、压强将有利于化学平衡向生成氨的方向移动。
研究发现：在一定的温度、压强下，反应物氮气、氢气的体积比为时，平衡混合物中氨的含量最高。
二、合成氨反应的速率（1）在反应过程中，随着氨的浓度的__________，反应速率会逐渐________，因此为了保持足够高的反应速率应适时将_________从混合气体中分离出来。
（2）使用________可以使合成氨的反应速率提高上万亿倍。
（3）温度越高，反应速率越________。
三、合成氨的适宜条件在合成氨生产中，达到高转化率与高反应速率所需条件有时是矛盾的。
因此选择条件时应该寻找以的反应速率获得适当的的反应条件。
此外，还应该考虑原料的价格、未转化的合成气的使用、的综合利用等问题。
目前，合成氨生产一般选择做催化剂；控制反应温度在左右；根据反应器可使用的钢材质量及综合指标来选择，大致分为低压（1×107Pa）、中压（2×107Pa~3×107Pa），和高压（8.5×107Pa~1×108Pa）三种类型。
通常采用氮气与氢气物质的量之比为的投料比。
【考点精练】【考点1】合成氨反应分析【思考】从提高转化率的角度来看，合成氨应该采用什么条件？从提高化学反应速率来看应该采用什么条件？【练习1】合成氨反应的特点是()①可逆②不可逆③正反应放热④正反应吸热⑤正反应气体总体积增大⑥正反应气体总体积缩小A．①③⑤B．②④⑥C．①③⑥D．④⑤⑥【练习2】1913年德国化学家哈伯发明了以低成本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长的人口对粮食的需求。
下列是哈伯法的流程图，其中为提高原料转化率而采取的措施是()A．①②③B．②④⑤C．①③⑤D．②③④【考点2】合成氨适宜条件的选择【思考】工业上合成氨的适宜条件是什么？【练习1】合成氨工业中，常加热到700 K左右的温度，理由是()①适当提高合成氨的反应速率②提高氢气转化率③提高氨的产率④催化剂在700 K时活性最大A．①B．①②C．②③④D．①④【练习2】根据合成氨反应的特点分析，当前最有前途的研究发展方向是()A．研制耐高压的合成塔B．采用超大规模的工业生产C．研制耐低温复合催化剂D．探索不用H2和N2合成氨的新途径【课堂小测】1.有平衡体系：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)ΔH<0，为了增加甲醇(CH3OH)的产量，应采用的正确措施是()A．高温、高压B．适宜温度、高压、催化剂C．低温、低压D．高温、高压、催化剂2.在一定条件下，可逆反应N2+3H22NH3△H＜0达到平衡，当单独改变下列条件后，有关叙述错误的是（）A．加入催化剂V正、V逆都发生变化，且变化的倍数相等B．加压，V正、V逆都增大，且V正增大的倍数大于V逆增大的倍数C．降温，V正、V逆都减小，且V正减少倍数大于V逆减少倍数D．加入氩气，V正、V逆都增且V正增大倍数大于V逆增大倍数3.在一定温度和压强下，在密闭容器中充入H2、N2、NH3，开始时其物质的量之比为3：1：1，反应达平衡后，H2、N2、NH3的物质的量之比为9：3：4，则此时N2的转化率为（）A．10% B．20% C．15% D．30%4.在密闭容器中进行如下反应已达平衡，N2+3H22NH3△H＜0，其他条件不变时，若将平衡混合物中各物质的浓度都增大到原来的2倍，则下列说法中正确的是（）A．平衡不移动 B.平衡向正方向移动 C.平衡向逆反应方向移动 D.NH3的百分含量增加【课后作业】1.在一定条件下，合成氨反应达到平衡后，混合气体中NH3的体积分数为25%。
工业合成氨
温度 催化剂
浓度
练习 1.1913年德国化学家哈伯发明了以低成 本制造大量氨的方法，从而大大满足了当时日益增长 的人口对粮食的需求。下列是哈伯法的流程图，其中
为提高原料转化率而采取的措施是( B )
A．①②③ C．①③⑤
B．②④⑤ D．②③④
不同压强SO2的转化率（%）
1.0×105Pa 5.0×105Pa 1.0×106Pa 5.0×106Pa 1.01×107Pa
③使用催化剂
④增大CO的浓度
A. ①②③
⑤增大水蒸气的浓度
C. ①⑤ D. ⑤
B. ④⑤
三、合成氨反应的速率
影响合成氨反应的速率的因素有哪些？从反应速率角度 考虑应选择什么条件？
温度 压强 浓度 催化剂
高温 高压 增大N2、H2浓度 Fe（铁触媒）
四、合成氨的适宜条件
条件 压强 工业合成氨的适宜条件 在设备条件允许的前提下，尽量采取高 压(1×107~1×108Pa) 700K,考虑速率，催化剂的适宜温度(该 温度下催化剂活性最大) 铁做催化剂 不断的补充反应物，及时的分离出产物， N2、 H2的物质的量之比1:2.8
工业合成氨
工业合成氨： N2(g)+3H2(g)=2NH3(g) △ S=-198.2J/(K ·mol) △ H=-92.2KJ/mol
合成氨反应的特点：Βιβλιοθήκη 1.可逆反应2. 放热反应
3.气体体积减小的反应
利用所学理论分析工业合成氨的适宜条件？
一、合成氨反应的方向
△H-T△S＝-92.2kJ· mol－1＋298K×198.2J· K － 1· mol－1 ＝－33.1kJ· mol－1＜0， 故该反应在298K时能自发进行
合成氨工业
合成氨工业概述合成氨工业是指利用合成氨的技术和设备进行大规模生产的一种化工行业。
合成氨是一种广泛应用于农业、化工、能源等领域的重要化学品，被广泛用于合成尿素、甲醇、硝酸等化学产品，也可用作农田中的氮肥和脱硫剂等。
合成氨工业的发展对于能源资源的高效利用以及农业和化工行业的可持续发展具有重要意义。
合成氨工艺合成氨的工业化生产采用了哈伯-博斯曼过程，该过程是将氮气和氢气在高温高压条件下进行催化反应，生成合成氨。
该过程的关键是催化剂的选择和反应条件的控制。
催化剂的选择催化剂在合成氨工艺中发挥着至关重要的作用。
常用的催化剂包括铁-铝催化剂、铁-铝-钾催化剂等。
这些催化剂具有良好的催化活性和稳定性，能够加速氮气和氢气的反应速率，并提高合成氨的产率。
反应条件的控制合成氨的反应条件包括压力、温度和气体组成等。
一般来说，较高的压力和温度可以促进反应的进行，但也会增加设备和能耗成本。
合理的气体组成可以提高合成氨的选择性，并减少副反应的发生。
合成氨工业的发展技术进步和设备改进随着科技的进步和工艺技术的不断改进，合成氨工业取得了很大的发展。
新型催化剂的研发和应用，使得合成氨的催化反应更加高效。
同时，新型反应器的设计和工艺的优化，使得合成氨生产的能耗和废物排放得到了有效控制。
环保和节能要求合成氨工业在发展的同时也面临着更加严格的环保和节能要求。
合成氨工业本身的能源消耗量较大，全球范围内，工业设备已经在努力提高能源利用效率，降低能源消耗。
同时，减少废物和污染物排放也成为了合成氨工业发展的重要方向。
新兴技术的应用随着新兴技术的不断发展，合成氨工业也面临着新的发展机遇。
例如，利用可再生能源如太阳能和风能来替代传统的化石燃料，可以减少合成氨生产的碳排放。
此外，利用先进的催化剂和反应器技术，可以进一步提高合成氨的产率和选择性。
合成氨工业的挑战与展望合成氨工业在发展中面临着一些挑战。
首先，合成氨工业的能源消耗量较大，如何提高能源利用效率是一个关键问题。
工业合成氨知识点总结
工业合成氨知识点总结一、引言合成氨是一种重要的化工原料，广泛用于化肥、塑料、药品和其他化工产品的生产中。
而工业合成氨主要是通过哈伯-玻斯曼过程进行生产。
在这个过程中，氮气和氢气以高压、高温和催化剂的作用下，发生反应，生成氨气。
因此，工业合成氨的生产涉及了高压、高温、催化剂和气体分离等方面的工艺技术。
二、合成氨的反应原理工业合成氨的反应过程是氮气和氢气在催化剂的作用下，发生氧化还原反应，生成氨气。
这是一个放热反应，反应方程式为：N₂ + 3H₂ → 2NH₃ + 92.6kJ/mol从反应方程式可以看出，该反应需要大量的氢气，而氮气对反应也起到了催化作用。
在实际生产过程中，合成氨的反应条件一般为300-500°C的温度和100-250atm的压力，同时需要使用铁、钨或镍等金属为催化剂。
三、工业合成氨的生产工艺工业合成氨的生产工艺主要包括氢气制备、氮气制备、合成氨反应和氨气的提取等步骤。
1. 氢气制备氢气是工业合成氨的主要原料之一，通常是通过天然气重整法或电解水法进行制备。
a. 天然气重整法天然气经催化剂重整反应制得合成气，合成气中含有一定比例的氢气。
然后通过甲醇水煤气变换反应得到富含氢气的气体。
b. 电解水法将水分解为氧气和氢气的方法，使用电解槽进行电解水反应，得到纯度高的氢气。
2. 氮气制备氮气是工业合成氨的另一主要原料，一般是从空气中分离得到。
a. 常用的氮气制备方法包括分子筛吸附法、柱塔分离法等。
b. 分子筛吸附法：将空气经过分子筛吸附塔，通过吸附分离得到富含氮气的气体。
c. 柱塔分离法：通过茧状分离塔或塔内吸附塔将空气中的氮气和氧气分离出来。
3. 合成氨反应使用氢气和氮气作为原料，在高压、高温和催化剂（通常是Fe3O4、K₂O、CaO、Al₂O₃或者Ni）的作用下进行反应，得到氨气。
合成氨反应通常分为两个主要阶段：合成氨反应和氨气的提取。
在合成氨反应过程中，氮气和氢气以1:3的比例进入反应器，在压力为100-250bar、温度为300-500°C下进行化学反应。
工业合成氨反应方程式
工业合成氨反应方程式
一、反应物和产物
工业合成氨反应的化学方程式为：N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g)。
反应物为氮气（N2）和氢气（H2），产物为氨气（NH3）。
二、化学键的断裂和形成
在反应过程中，氮气和氢气中的化学键发生断裂，形成新的化学键。
具体来说，一个氮气分子（N2）中有两个氮氮三键（N≡N），在反应过程中，这两个三键发生断裂，形成两个氮原子（N）和四个氢原子（H）。
同时，在氨气分子（NH3）中形成了新的共价键。
三、反应条件
工业合成氨通常在高温高压下进行。
反应温度通常为500℃左右，反应压力为20-50大气压。
这样的条件下，可以提高反应速率和产物的选择性。
四、反应的能量变化
工业合成氨是一个放热反应，因此反应过程中会释放出能量。
释放的能量可以用于维持反应温度和提供反应所需的活化能。
五、催化剂的使用
为了加速反应速率和提高产物选择性，工业合成氨反应通常使用铁基催化剂，如
Fe2O3。
催化剂可以降低反应的活化能，使反应更容易进行。
同时，催化剂还可以选择性地促进所需反应的进行，从而提高氨气的选择性。
工业合成氨
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。
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。
○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。
工业合成氨工艺流程
工业合成氨工艺流程
嘿，咱今天就来讲讲工业合成氨工艺流程这档子事儿哈！
你想想，氮和氢这俩家伙，平时就像两个有点陌生的朋友，不太容易凑到一块儿。
但咱人类厉害呀，想办法让它们亲密合作，这就有了合成氨。
先来说说氮气吧，那可是空气中的大主角之一呢。
要把它弄过来，就得像捞鱼一样，得有合适的网。
咱用的就是把空气压缩、冷却，让氮气乖乖现身。
然后呢，氢气也得来呀。
这氢气从哪来？可以通过一些化学反应弄出来，就像变魔术一样。
等氮和氢都有了，就该让它们进“洞房”啦！哈哈，开个玩笑，其实是让它们在特定的条件下反应。
这条件可重要了，就像炒菜火候一样，得掌握好。
温度啦、压力啦，都得恰到好处，不然这氮和氢可不干。
在反应的大锅里，氮和氢就开始热热闹闹地搞事情啦。
它们慢慢结合，变成了氨。
这氨就像新生的宝贝一样，让人满心欢喜。
你说这像不像一场奇妙的旅程？氮和氢经历了各种考验，最后变成了有用的氨。
合成氨这工艺啊，可不是一天两天就研究出来的，那是好多科学家努力的结果。
他们就像一群勇敢的探险家，在未知的领域里摸索，终于找到了这条神奇的路。
想想看，如果没有合成氨，咱的农业能发展得这么好吗？那庄稼可不答应！所以说，这工业合成氨工艺流程可太重要啦，简直就是咱生活的大功臣呢！它让我们有足够的肥料，让庄稼茁壮成长，让我们都能吃得饱饱的。
咱得感谢那些为了合成氨工艺付出努力的人们，是他们让这一切变得可能。
这工艺就像是一把神奇的钥匙，打开了通往美好生活的大门。
以后咱可不能小瞧了这看似普通的合成氨工艺流程，它背后的故事和意义可深远着呢！。
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“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 守恒思维法 需要的条件、反应过程及某混合物的化学 式等. 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。
• (1)合成氨反应的特点： (2)合成氨生产的要求： 合成氨反应是一个放 合成氨工业要求： ○1反应要有较大的反应速率； 热的、气体总体积缩 ○2要最大限度的提高平衡混合 小的可逆反应 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。
2018/9/28Fra bibliotek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。
2018/9/28
增大压强 有利于增大化 有利于提高平衡混 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 学反应速率
2018/9/28
合成氨示意图
2018/9/28
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。
工业合成氨流程图
工业合成氨
(1)简要流程
(1)简要流程
2018/9/28
原料气的制取
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：
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合成氨条件的选择
• • • •
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○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 2018/9/28 气体和打开阀门后的气球中的气体一样，
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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
氮的固定
• 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。
2018/9/28
差量法
• 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。
2018/9/28
(4)合成氨条件的理论分析(见下表)：
反应条件 对化学反应速 对 平 衡 混 合 物 中 率的影响 NH3 的含量的影响 合物中 NH3 的产量 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 不利于提高平衡混 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 学反应速率 合物中 NH3 的产量 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 有利于增大化 没有影响 剂 学反应速率 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。 合成氨条件的选择
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。