《氨的工业合成》教案2

《氨的工业合成》导学案【教学目标】1、了解合成氨生产的一般流程和反应原理、反应条件；2、了解实验研究与实际生产之间的转化；3、了解合成氨的发展；4、了解合成氨工业的三废处理。

【教学重点难点】1、合成氨的主要原理、原料、重要设备、流程和意义；2、利用所学的化学反应速率和化学平衡理论解释合成氨中的相关问题。

【情景材料】在让合成氨的工艺走出实验室实验工业化学生产的过程中，德国化学工程师博施作出了重大贡献，他经过大量试验，找到较为理想的铁催化剂，设计并建造了能够耐高温、高压的合成氨装置。

1910年，德国建立了世界上第一座合成氨试验厂，1913年，又建立了生产规模的合成氨厂。

从此以后，合成氨工业便迅速发展起来。

工业上是如何合成氨的？【教学过程】一、合成氨的基本生产过程合成氨的基本生产过程主要包括三个步骤：、、。

1、原料气的制备(1)氮气的制备①物理方法：②化学方法：将空气中的氧气与作用生成，再除去。

(2)氢气的制备①碳与水蒸气的反应，用方程式表示为：。

②水蒸气与碳氢化合物的反应，用方程式表示为：，。

2、原料气的净化(1)含义：原料气的净化是指，目的是。

(2)净化方法①H2S的除去，用方程式表示为：；②CO 的除去，用方程式表示为：；③CO 2的除去，用方程式表示为：。

3、氨的合成与分离 (1)氨的合成：将净化后的原料气加压送进 ，在适宜条件下充分反应制取氨。

(2)从合成塔出来的混合气体，其中氨气占总体积的15%，要把混合气体通过 使氨液化，再导入 。

二、合成氨工业的发展1、原料及原料气的净化原料气之一的氮气来自 ，现在氢气主要通过不同的 态可燃物(煤和焦炭)、 . 态可燃物(石油提炼后的石脑油、重油)、 态可燃物(天然气、焦炉气)为原料。

2、催化剂的改进多年来一直用 作催化剂，目前有采用 为基础活性物质的新型催化剂。

3、环境保护(l)废渣：可用作 的原料。

(2)废气：主要是 和 等有害气体，对H 2S 的处理，先后采用直接 法(选择性催化氧化)、 法(用溶剂吸收浓缩，CO 2也可用来生产 和 等。

(3)废液：主要是含 和含 的污水，处理含氰化物主要用 、加压 、 分解、 、沉淀、 回炉等方法；处理氨废水可用 的方法回收氨气，也可用治理。

【答案及解析】一、造气(制备合成氨的原料气)；净化(原料气净化处理)；合成(使原料气进行化学反应合成氨)。

1、液态空气 液氮 液氧 碳 二氧化碳 二氧化碳 C ＋H 2O=====高温CO ＋H 2CH 4＋H 2O=====高温3H 2＋CO CH 4＋H 2O =====高温催化剂4H 2＋CO 22、除去原料中杂质的过程 防止催化剂中毒H 2S ＋NH 3·H 2O===NH 4HS ＋H 2O CO ＋H 2O =====催化剂△CO 2＋H 2 K 2CO 3＋CO 2＋H 2O=2KHCO 33、合成塔冷凝器液氨贮罐二、1．空气固液气2．磁铁矿钌3．(1)建材和肥料(2) H2S CO2氧化循环尿素碳铵(3)氰化物氨生化水解氧化化学反吹蒸馏离子交换法【堂中互动】【问题探究1】合成氨的原料气是如何制备的？【教师点拨】原料制备路线的选择，应综合考虑资源、工艺、能耗、成本、环境等重要因从素。

分析解答：制备合成氨的原料气氮气：合成氨所需要的氮气都取自空气。

从空气中制取氮气通常有两种方法：一是将空气液化后蒸发分离出氧气而获得氮气；另一是将空气中的氧气与碳作用生成二氧化碳，再除去二氧化碳得到氮气。

氢气：氢气则来源于水和碳氢化合物。

可以将水蒸气通过赤热的煤(或焦炭)层，使水蒸气与碳发生化学反应生成一氧化碳和氢气：C＋H2O CO＋H2。

【即学即练1】合成氨所需的原料是()①水②空气③焦炭④铁触媒A、①②B、②③C、①②③D、全部【答案】C【解析】铁触媒是合成氨的催化剂，不属于原料。

【问题探究2】原料气在合成氨之前为何进行净化？如何净化？氨的合成与分离是如何进行的？【教师点拨】①一氧化碳的变换具有重要的意义：一是提高了燃料的利用率和氢气的产率；二是解决了氢气中的杂质难以除去的问题。

②在原料气净化的最后，还要将原料气作精制处理使杂质的含量减少到最低程度。

常用的方法之一是用醋酸、铜和氨配成的溶液来吸收H2S、CO、CO2、O2等杂质。

③将氨从反应混合物中分离出来，利用的原理是氨易液化，氮气和氢气难液化，采用的方法是将混合气体通过冷凝器使氨液化。

循环操作的主要目的在于充分地利用原料、降低成本；从工艺设计以及环境保护角度来说，循环操作有利于实现全封闭、连续化生产，有利于减少工序、控制废弃物的排放，因此，循循环操作常常成为化学工艺设计时重点考虑的问题。

分析解答：原料气的净化①对原料气净化的原因：在制取原料气的过程中，常混有一些杂质，其中的某些杂质会使合成氨所用的催化剂“中毒”，所以必须除去，这一过程称为原料气的净化。

②吸收H2S：用稀氨水吸收H2S杂质：NH3·H2O＋H2S===NH4HS＋H2O。

③除去CO：制造原料气过程中产生的CO必须变成CO2除去。

工业生产中在催化剂(如Fe2O3和CuO等)作用下，一氧化碳可以与水蒸气反应生成二氧化碳和氢气：CO＋H2O=CO2＋H2，生成的二氧化碳常采用K2CO3溶液吸收：K2CO3＋CO2＋H2O===2KHCO3。

④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，进行精制处理。

(2)为了使氨从没有反应的氮气和氢气里分离出来，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出来导入液氨贮罐。

由气体分离器出来的气体，经过循环压缩机，再送到合成塔中进行反应。

【即学即练2】下图是合成氨的简要流程示意图：(1)写出所含主要物质的化学式：A__________，B_________，C__________，D_________。

(2)写出设备名称：D____________，E_________。

【答案】(1)A：N2、H2B：NH3C：N2、H2D：NH3、N2、H2(2)合成塔；分离器【解析】合成氨的过程是将原料气(氮气、氢气)压缩后送入合成塔内进行反应，然后冷却，在分离器的作用下，将液氨分离出来，剩余的气体(氮气和氢气)再进入合成塔内合成，这样循环利用，可提高产率。

【问题探究3】联合生产是指在整个生产过程中生产多种产品。

根据合成氨的生产过程，请举例说明合成氨工业可以进行哪些联合生产或深加工？【教师点拨】联合生产可以使原料、产品等物料得到充分的利用，减少物流交通所耗费的人力、物力，降低产品的成本。

可以实现能量和设备等资源、技术的共享，也是绿色化学工艺改进的一条重要思路。

分析解答：从经济角度，联合生产有可能实现大规模生产，以求得规模效益和综合效益的最大化。

例如，合成氨与硝铵、碳铵等氮肥生产：的联合，石油精炼厂与合成洗涤剂厂的联合生产等。

【即学即练3】氨在国民经济中占有重要的地位。

现在约有80%的氨用来制造化肥，其余的用作生产其他化工产品的原料。

例如，农业上使用的氮肥如尿素、硝酸铵、磷酸铵、硫酸铵、氯化铵、氨水以及各种含氮混合肥料和复合肥料，都是以氨为原料制成的；氨氧化法制硝酸是工业上制硝酸的主要方法。

(1)对于合成氨的反应来说，使用催化剂和施以高压，下列叙述中正确的是( ) A 、都能提高反应速率，都对化学平衡状态无影响B 、都对化学平衡状态有影响，都不影响达到平衡状态所用的时间C 、都能缩短达到平衡状态所用时间，只有压强对化学平衡状态有影响D 、催化剂能缩短反应达到平衡状态所用时间，而压强无此作用(2)综合考虑各种因素，在实际生产中，合成氨一般选择以________为催化剂，压强在________之间，温度在________左右。

(3)要实现合成氨的工业化生产，首先要解决氢气和氮气的来源问题。

氢气的制取可有以下几条途径：①电解水制取氢气，②由煤或焦炭来制取氢气，③由天然气或重油制取氢气。

你认为哪种方法是最佳选择？________(填序号)，其反应的化学方程式为_____________________ ______。

(4)硝酸厂的尾气中含有NO 和NO 2等污染物，为了防止污染大气可以用烧碱溶液吸收从吸收塔中放出的尾气，发生的反应如下：2NaOH ＋NO ＋NO 2===2NaNO 2＋H 2O 2NaOH ＋2NO 2===NaNO 2＋NaNO 3＋H 2O 但在实际生产中常用纯碱代替烧碱，也能发生类似的反应，且放出CO 2，试写出用纯碱溶液吸收NO 和NO 2的两个反应的化学方程式：①_______________________________；②______________________________________。

【答案】(1)C(2)铁触媒；20～50 MPa ；500 ℃(3)③；CH 4＋H 2O =====催化剂高温CO ＋3H 2；CO ＋H 2O =====催化剂△CO 2＋H 2 (4)①Na 2CO 3＋NO ＋NO 2===2NaNO 2＋CO 2②Na 2CO 3＋2NO 2===NaNO 2＋NaNO 3＋CO 2【解析】(1)对合成氨的反应，催化剂只能提高反应速率，不能使化学平衡发生移动；高压能提高化学反应速率，也能使化学平衡向生成氨的方向移动。

(3)电解水制氢气，电能消耗大，成本高；煤作原料，能源消耗大，污染大。

天然气作为洁净燃料，便于管道运输，有投资省、能耗低的优点。